Vrste pretvaraca

Prelazi: Definicija, Funkcije i Klasifikacija

Prelaz je elektronički uređaj koji odvaja ključnu ulogu u pretvorbi fizičkih količina u električne signale. Ima dvije temeljne funkcije: detekciju i prelaz. Prvo, otkriva zanimljivu fizičku količinu, poput temperature, tlaka ili pomaka. Zatim, tu fizičku količinu pretvara u mehanički rad ili, češće, u električni signal koji se lako može mjeriti, obraditi i analizirati.

Prelazi dolaze u širokom spektru vrsta i mogu se klasificirati prema nekoliko različitih kriterija:

• Prema Mekanizmu Prelaza koji se Koristi: Ova klasifikacija fokusira se na specifične fizičke ili kemjske procese kojima prelaz pretvara ulaznu fizičku količinu u električni izlaz. Različiti mehanizmi prelaza su prilagođeni različitim tipovima mjerenja i primjeni, omogućujući točno i pouzdano očitavanje širokog spektra fizičkih pojava.

• Kao Primarni i Sekundarni Prelazi: Primarni prelaz direktno pretvara mjerenu fizičku količinu u električni signal. U suprotnosti, sekundarni prelaz djeluje u kombinaciji s primarnim prelazom, nadalje modifikujući ili obrađujući električni signal generiran od strane primarnog uređaja kako bi se unaprijedila njegova upotrebljivost ili točnost.

• Kao Pasivni i Aktivni Prelazi: Pasivni prelazi ovisi o vanjskom izvoru snage za funkcioniranje i proizvode izlazni signal koji je funkcija ulazne fizičke količine i primijenjene snage. Aktivni prelazi, s druge strane, sadrže vlastiti izvor snage i mogu generirati izlazni signal bez potrebe za vanjskim napajanjem, često pružajući veću osjetljivost i jačinu signala.

• Kao Analogni i Digitalni Prelazi: Analogni prelazi proizvode izlazni signal koji se neprekidno mijenja s ulaznom fizičkom količinom, obično u obliku naponstva ili struje. Digitalni prelazi, s druge strane, pretvaraju ulaznu količinu u diskretni digitalni signal, koji je lakše obraditi, pohraniti i prenositi koristeći moderne digitalne elektronike i sustave računalnog obrada.

• Kao Prelazi i Inverzni Prelazi: Standardni prelaz pretvara fizičku količinu u električni signal. Inverzni prelaz, obrnuto, uzima električni signal kao ulaz i pretvara ga natrag u fizičku količinu, efektivno obrnuti proces tradicionalnog prelaza. Ova koncepta korisna je u primjenama gdje je potrebno električno upravljanje da bi se generirao određeni fizički odgovor.

U operaciji, prelaz prima merand - fizičku količinu koja se mjeri - i proizvodi izlazni signal proporcionalan magnitudi ulaza. Taj izlazni signal se zatim šalje uređaju za kondicioniranje signala. Tamo, signal podliježe seriji procesa, uključujući atenuaciju (prilagodbu amplituda signala), filtriranje (uklanjanje neželjenog šuma ili frekvencija) i modulaciju (kodiranje signala za bolji prijenos ili obradu). Ovi koraci osiguravaju da je konačni signal u optimalnom obliku za ubuduće analizu, prikaz ili kontrolne operacije.

Ulazna količina prelaza obično je neelektrična količina, dok izlazni električni signal može biti u obliku struje, napona ili frekvencije.

1. Klasifikacija prema Principu Prelaza

Prelazi mogu se klasificirati prema sredstvu prelaza koje koriste. Sredstvo prelaza može biti otpornost, induktivnost ili kapacitet. Ova klasifikacija određena je preko procesa pretvorbe kroz koji ulazni prelaz transformira ulazni signal u otpornost, induktivnost ili kapacitet redom. Svaki tip sredstva prelaza ima svoje jedinstvene karakteristike i prikladan je za različite mjerne primjene, omogućujući točnu pretvorbu različitih fizičkih količina u električne signale.

2. Primarni i Sekundarni Prelazi

• Primarni Prelaz
  Prelaz često sastoji se od mehaničkih i električnih komponenti. Mehanički dio prelaza odgovoran je za pretvaranje fizičkih ulaznih količina u mehanički signal. Ovaj mehanički dio naziva se primarni prelaz. Djeluje kao inicijalni element očitavanja, direktno interagirajući s fizičkom količinom koja se mjeri, poput tlaka, temperature ili pomaka, i pretvarajući je u mehanički oblik koji se može dalje obraditi.

• Sekundarni Prelaz
  Sekundarni prelaz uzima mehanički signal generiran od strane primarnog prelaza i pretvara ga u električni signal. Magnituda izlaznog električnog signala direktno je vezana za karakteristike ulaznog mehaničkog signala. Na taj način, sekundarni prelaz mosti prazninu između mehaničkog i električnog domena, čineći mogućim mjeriti i analizirati originalnu fizičku količinu korištenjem električnih metoda mjerenja i obrade.

Primjer Primarnih i Sekundarnih Prelaza

Uzmimo cev Bourdon, kao što je prikazano na slici ispod, kao primjer. Cev Bourdon funkcioniše kao primarni prelaz. Njegova je namjena otkriti tlak i pretvoriti ga u pomak na svom slobodnom kraju. Kada se tlak primijeni na cev, njen oblik se deformira, uzrokujući da se slobodni kraj pomiče. Taj pomak zatim djeluje kao ulaz u sljedeću fazu sustava.

Pomicanje slobodnog kraja cevi Bourdon uzrokuje pomak jezgra Linearnog Varijabelnog Transformatora Pomaka (LVDT). Kako se jezgro pomiče unutar LVDT-a, induciruje izlazni napon. Taj inducirani napon je direktno proporcionalan pomaku slobodnog kraja cevi, a stoga i originalnom tlaku primijenjenom na cev Bourdon.

U slučaju sistema cev Bourdon - LVDT, događaju se dva određena procesa prelaza. Prvo, primarni prelaz događa se kada cev Bourdon pretvara tlak u pomak. Zatim, sekundarni prelaz događa se kada LVDT pretvara taj pomak u električni naponski signal. Ovaj primjer jasno pokazuje kako primarni i sekundarni prelazi rade zajedno kako bi točno mjerili i pretvorili fizičku količinu u električni izlaz za daljnju analizu i upotrebu.

Cev Bourdon služi kao primarni prelaz, dok L.V.D.T. (Linearni Varijabilni Transformator Pomaka) funkcioniše kao sekundarni prelaz.

3. Pasivni i Aktivni Prelazi

Prelazi također se mogu kategorizirati u aktivne i pasivne vrste, svaka s posebnim operativnim karakteristikama.

Pasivni Prelazi

Pasivni prelaz jest onaj koji ovisi o vanjskom izvoru snage za funkcioniranje, zbog čega se također naziva vanjskih napajanjem prelaz. Kapacitivni, otporni i induktivni prelazi su tipični primjeri pasivnih prelaza. Ovi prelazi rade modificirajući električnu osobinu (poput otpornosti, kapaciteta ili induktivnosti) u odgovoru na ulaznu fizičku količinu. Međutim, ne generiraju vlastitu električnu energiju; umjesto toga, zahtijevaju vanjski izvor snage kako bi proizveli merljivi izlazni signal koji odražava promjenu u mjerenoj fizičkoj količini.

Aktivni Prelazi

U suprotnosti, aktivni prelaz ne zahtijeva vanjski izvor snage za funkcioniranje. Ovi prelazi su samogenerirajući, što znači da mogu proizvesti vlastiti naponski ili strujni izlaz. Izlazni signal aktivnog prelaza direktno se izvodi iz ulazne fizičke količine. Aktivni prelazi su sposobni pretvarati različite fizičke pojave, poput brzine, temperature, sile i intenziteta svjetlosti, u električne signale bez ovisnosti o vanjskom ulazu snage. Primjeri aktivnih prelaza uključuju piezoelektrične kristale, fotovoltaičke celije, takogeneratore i termokuple.

Primjer: Piezoelektrični Kristal

Da bi ilustrirali funkcioniranje aktivnog prelaza, razmotrimo piezoelektrični kristal. Piezoelektrični kristal obično je smješten između dva metala elektroda, a cijela sklopka je sigurno zakoplana na bazu. Tada se masa stavlja na vrh te sklopke.

Piezoelektrični kristali imaju jedinstvenu osobinu: kada na njih djeluje sila, generiraju električni napon. U opisanom postavljanju, baza može doživjeti akceleraciju, što uzrokuje da masa djeluje silom na kristal. Ta sila, na svojim red, inducira izlazni napon preko kristala. Veličina tog izlaznog napona direktno je proporcionalna akceleraciji koju doživljava baza, efektivno pretvarajući mehaničku akceleraciju u električni signal. Ovaj primjer jasno pokazuje kako aktivni prelazi mogu samogenerirati električne izlaze na temelju fizičkih ulaza, ističući njihove različite funkcionalnosti u usporedbi s pasivnim prelazima.

Gore spomenuti prelaz poznat je kao akcelerometar, koji je dizajniran da pretvori akceleraciju u električni napon. Važno je napomenuti da ovaj tip prelaza radi bez potrebe za bilo kakvim pomoćnim izvorom snage tijekom pretvorbe fizičke količine u električni signal, što ističe njegovu samostojeću prirodu u generiranju signala.

4. Analogni i Digitalni Prelazi

Prelazi također se mogu kategorizirati prema prirodi njihovih izlaznih signala, koji mogu biti kontinuirani ili diskretni.

Analogni Prelazi

Analogni prelaz pretvara ulaznu količinu u kontinuiranu funkciju. To znači da izlazni signal glatko i kontinuirano varira u odgovoru na promjene u ulazu. Primjeri analognih prelaza uključuju tenzometre, Linearni Varijabilni Transformatori Pomaka (LVDT-ovi), termokuple i termistori. Ovi uređaji široko se koriste u različitim primjenama gdje je potrebno proporcionalno i kontinuirano predstavljanje mjerene fizičke količine, poput preciznih mernih sustava i industrijskog procesnog upravljanja.

Digitalni Prelazi

Digitalni prelazi, s druge strane, pretvaraju ulaznu količinu u digitalni signal, obično u obliku impulsa. Digitalni signali funkcioniraju na temelju binarnih stanja, predstavljajući informacije kao "visoko" ili "nisko" razina snage. Ovaj format digitalnog izlaza nudi nekoliko prednosti, uključujući poboljšanu imunitet na šum, lakšu integraciju s digitalnim elektronikama i računalnim sustavima, te jednostavniju obradu i pohranu podataka. Digitalni prelazi sve više se usvajaju u modernim mernim i kontrolnim sustavima zbog prevalence digitalnih tehnologija.

5. Prelazi i Inverzni Prelazi

Prelazi

Prelaz definiran je kao uređaj koji pretvara nonelektrične količine u električne količine. Ovaj proces pretvorbe omogućuje mjeriteljstvo, praćenje i upravljanje različitih fizičkih pojava, poput temperature, tlaka, pomaka i sile, korištenjem električnih metoda mjerenja i obrade. Prelazi igraju ključnu ulogu u širokom spektru primjena, od industrijske automatizacije do znanstvenog istraživanja i potrošačke elektronike.

Inverzni Prelazi

Inverzni prelazi obavljaju suprotne funkcije tradicionalnih prelaza. Pretvaraju električne količine natrag u fizičke količine. Ovi prelazi obično imaju visoku električnu ulaznu vrijednost i odgovarajuću nisku nonelektričnu izlaznu vrijednost. Inverzni prelazi koriste se u primjenama gdje su električni signali potrebni za prevod u fizičke radnje ili reakcije, poput određenih tipova aktuatora i kontrolnih sustava. Koncept inverznih prelaza pruža način zatvaranja petlje između električnog upravljanja i fizičkog rada, omogućujući složenije i preciznije upravljanje mehaničkim i fizičkim sustavima.