Rodzaje przetworników

Przetworniki: definicja, funkcje i klasyfikacja

Przetwornik to urządzenie elektroniczne odgrywające kluczową rolę w przekształcaniu wielkości fizycznych w sygnały elektryczne. Wykonuje on dwie podstawowe funkcje: detekcję i transdukcję. Najpierw wykrywa interesującą wielkość fizyczną, taką jak temperatura, ciśnienie lub przemieszczenie. Następnie przekształca tę wielkość fizyczną w pracę mechaniczną lub, częściej, w sygnał elektryczny, który można łatwo zmierzyć, przetworzyć i przeanalizować.

Istnieje szeroka gama typów przetworników, które można sklasyfikować według kilku różnych kryteriów:

• W oparciu o zastosowany mechanizm transdukcji: Ta klasyfikacja koncentruje się na specyficznych procesach fizycznych lub chemicznych, za pomocą których przetwornik przekształca wejściową wielkość fizyczną w wyjściowy sygnał elektryczny. Różne mechanizmy transdukcji są dostosowane do różnych rodzajów pomiarów i zastosowań, umożliwiając precyzyjne i niezawodne wykrywanie szerokiego spektrum zjawisk fizycznych.

• Jako przetworniki główne i pomocnicze: Przetwornik główny bezpośrednio przekształca mierzoną wielkość fizyczną w sygnał elektryczny. W przeciwieństwie do tego, przetwornik pomocniczy działa w połączeniu z przetwornikiem głównym, dalej modyfikując lub przetwarzając sygnał elektryczny generowany przez urządzenie główne, aby zwiększyć jego przydatność lub dokładność.

• Jako przetworniki pasywne i aktywne: Przetworniki pasywne polegają na zewnętrznym źródle zasilania do działania i tworzenia sygnału wyjściowego, który jest funkcją wejściowej wielkości fizycznej i zastosowanej mocy. Z drugiej strony, przetworniki aktywne zawierają własne źródło zasilania i mogą generować sygnał wyjściowy bez potrzeby zewnętrznego zasilania, często zapewniając większą czułość i siłę sygnału.

• Jako przetworniki analogowe i cyfrowe: Przetworniki analogowe produkują sygnał wyjściowy, który ciągle zmienia się wraz z wejściową wielkością fizyczną, zwykle w formie napięcia lub prądu. Przetworniki cyfrowe, z drugiej strony, przekształcają wejściową wielkość w dyskretny sygnał cyfrowy, który jest łatwiejszy do przetwarzania, przechowywania i przesyłania za pomocą nowoczesnych systemów elektroniki cyfrowej i komputerowych.

• Jako przetworniki i odwrotne przetworniki: Standardowy przetwornik przekształca wielkość fizyczną w sygnał elektryczny. Odwrotny przetwornik, z kolei, przyjmuje sygnał elektryczny jako wejście i przekształca go z powrotem w wielkość fizyczną, efektywnie odwracając proces tradycyjnego przetwornika. Ten koncept jest przydatny w zastosowaniach, gdzie wymagana jest kontrola elektryczna do generowania określonej odpowiedzi fizycznej.

W działaniu, przetwornik odbiera mierzalną wielkość fizyczną i produkuje sygnał wyjściowy proporcjonalny do wielkości wejściowej. Ten sygnał wyjściowy jest następnie przesyłany do urządzenia warunkującego sygnał. Tutaj, sygnał podlega serii procesów, w tym tłumieniu (dostosowywaniu amplitudy sygnału), filtrowaniu (usuwaniu niepożądanych szumów lub częstotliwości) i modulacji (kodowaniu sygnału dla lepszego przesyłania lub przetwarzania). Te kroki zapewniają, że końcowy sygnał jest w optymalnej formie do kolejnych analiz, wyświetlania lub operacji sterowania.

Wejściowa wielkość przetwornika jest zazwyczaj wielkością nieelektryczną, podczas gdy wyjściowy sygnał elektryczny może być w formie prądu, napięcia lub częstotliwości.

1. Klasyfikacja na podstawie zasady transdukcji

Przetworniki można sklasyfikować według medium transdukcji, które wykorzystują. Medium transdukcji może być rezystywnym, indukcyjnym lub pojemnościowym. Ta klasyfikacja jest określana przez proces przekształcania, za pomocą którego wejściowy przetwornik przekształca sygnał wejściowy odpowiednio w opór, indukcyjność lub pojemność. Każdy typ medium transdukcji ma swoje unikalne cechy i jest odpowiedni do różnych zastosowań pomiarowych, umożliwiając precyzyjne przekształcanie różnych wielkości fizycznych w sygnały elektryczne.

2. Przetworniki główne i pomocnicze

• Przetwornik główny
  Przetwornik często składa się zarówno z elementów mechanicznych, jak i elektrycznych. Część mechaniczna przetwornika odpowiada za przekształcanie wejściowych wielkości fizycznych w sygnał mechaniczny. Ten element mechaniczny nazywany jest przetwornikiem głównym. Działa on jako początkowy element czujnikowy, bezpośrednio interagujący z mierzoną wielkością fizyczną, taką jak ciśnienie, temperatura lub przemieszczenie, i przekształca ją w formę mechaniczną, która może być dalej przetwarzana.

• Przetwornik pomocniczy
  Przetwornik pomocniczy przyjmuje sygnał mechaniczny generowany przez przetwornik główny i przekształca go w sygnał elektryczny. Wielkość wyjściowego sygnału elektrycznego jest bezpośrednio związana z charakterystykami wejściowego sygnału mechanicznego. W ten sposób, przetwornik pomocniczy łączy obszary mechaniczne i elektryczne, umożliwiając pomiar i analizę oryginalnej wielkości fizycznej za pomocą technik pomiarowych i przetwarzania elektrycznego.

Przykład przetworników głównych i pomocniczych

Weźmy na przykład rurkę Bourdona, jak pokazano na poniższym rysunku. Rurka Bourdona pełni rolę przetwornika głównego. Jest zaprojektowana do wykrywania ciśnienia i przekształcania go w przemieszczenie na swobodnym końcu. Gdy ciśnienie jest zastosowane do rurki, jej kształt ulega deformacji, powodując przesunięcie swobodnego końca. To przemieszczenie stanowi wejście do kolejnego etapu systemu.

Przesunięcie swobodnego końca rurki Bourdona powoduje przesunięcie rdzenia Liniowego Zmiennego Transformatora Przemieszczenia (LVDT). Gdy rdzeń przesuwa się w LVDT, indukuje on napięcie wyjściowe. To indukowane napięcie jest proporcjonalne do przemieszczenia swobodnego końca rurki, a co za tym idzie, do pierwotnego ciśnienia zastosowanego do rurki Bourdona.

W przypadku systemu rurki Bourdona - LVDT, występują dwa różne procesy transdukcji. Po pierwsze, główna transdukcja zachodzi, gdy rurka Bourdona przekształca ciśnienie w przemieszczenie. Następnie, pomocnicza transdukcja zachodzi, gdy LVDT przekształca to przemieszczenie w sygnał napięcia elektrycznego. Ten przykład jasno demonstruje, jak przetworniki główne i pomocnicze współpracują, aby dokładnie mierzyć i przekształcać wielkość fizyczną w sygnał elektryczny do dalszej analizy i użytku.

Rurka Bourdona pełni rolę przetwornika głównego, podczas gdy L.V.D.T. (Liniowy Zmienny Transformator Przemieszczenia) funkcjonuje jako przetwornik pomocniczy.

3. Przetworniki pasywne i aktywne

Przetworniki można również sklasyfikować na aktywne i pasywne, każdy z nich ma unikalne cechy operacyjne.

Przetworniki pasywne

Przetwornik pasywny to taki, który polega na zewnętrznym źródle zasilania do działania, stąd też nazywany jest przetwornikiem zewnętrznie zasilanym. Przykładowe przetworniki pasywne to przetworniki pojemnościowe, rezystywne i indukcyjne. Te przetworniki działają poprzez modyfikację właściwości elektrycznej (takiej jak opór, pojemność lub indukcyjność) w odpowiedzi na wejściową wielkość fizyczną. Jednakże, nie generują one własnej energii elektrycznej; zamiast tego, wymagają zewnętrznego źródła zasilania, aby wytworzyć mierzalny sygnał wyjściowy, który odzwierciedla zmianę mierzonej wielkości fizycznej.

Przetworniki aktywne

Z drugiej strony, przetwornik aktywny nie wymaga zewnętrznego źródła zasilania do działania. Są to samogenerujące przetworniki, co oznacza, że mogą one wyprodukować własne napięcie lub prąd wyjściowy. Sygnał wyjściowy przetwornika aktywnego jest bezpośrednio pochodny od wejściowej wielkości fizycznej. Przetworniki aktywne są zdolne do przekształcania różnych zjawisk fizycznych, takich jak prędkość, temperatura, siła i natężenie światła, w sygnały elektryczne bez potrzeby zewnętrznego zasilania. Przykłady przetworników aktywnych to kryształy piezoelektryczne, komórki fotowoltaiczne, tachogeneratory i termopary.

Przykład: Kryształ piezoelektryczny

Aby zilustrować działanie przetwornika aktywnego, rozważmy kryształ piezoelektryczny. Kryształ piezoelektryczny jest zazwyczaj umieszczony między dwoma metalowymi elektrodami, a całe zestawienie jest solidnie zamocowane do podstawy. Na ten skonstruowany układ jest umieszczana masa.

Kryształy piezoelektryczne mają unikalną właściwość: gdy na nie zostanie przyłożona siła, generują one napięcie elektryczne. W opisanym układzie, podstawa może doświadczyć przyspieszenia, co powoduje, że masa wywiera siłę na kryształ. Ta siła, z kolei, indukuje napięcie wyjściowe na kryształu. Wielkość tego napięcia wyjściowego jest bezpośrednio proporcjonalna do doświadczonego przyspieszenia, efektywnie przekształcając mechaniczne przyspieszenie w sygnał elektryczny. Ten przykład jasno demonstruje, jak przetworniki aktywne mogą samoistnie generować sygnały wyjściowe na podstawie fizycznych wejść, podkreślając ich unikalną funkcjonalność w porównaniu do przetworników pasywnych.

Wymieniony przetwornik nazywany jest akcelerometrem, który jest zaprojektowany do przekształcania przyspieszenia w napięcie elektryczne. Zauważalne jest, że ten typ przetwornika działa bez potrzeby żadnego dodatkowego źródła zasilania podczas przekształcania wielkości fizycznej w sygnał elektryczny, pokazując jego samowystarczalność w generowaniu sygnałów.

4. Przetworniki analogowe i cyfrowe

Przetworniki można również sklasyfikować na podstawie natury ich sygnałów wyjściowych, które mogą być ciągłe lub dyskretne.

Przetworniki analogowe

Przetwornik analogowy przekształca wejściową wielkość w ciągłą funkcję. Oznacza to, że sygnał wyjściowy zmienia się płynnie i ciągle w odpowiedzi na zmiany wejściowe. Przykłady przetworników analogowych to tensometry, Liniowe Zmienne Transformatory Przemieszczenia (LVDT), termopary i termistory. Te urządzenia są szeroko stosowane w różnych zastosowaniach, gdzie wymagana jest proporcjonalna i ciągła reprezentacja mierzonej wielkości fizycznej, takich jak systemy precyzyjnych pomiarów i sterowanie procesami przemysłowymi.

Przetworniki cyfrowe

Przetworniki cyfrowe, z drugiej strony, przekształcają wejściową wielkość w sygnał cyfrowy, zazwyczaj w formie impulsów. Sygnały cyfrowe działają na podstawie stanów binarnych, reprezentujących informacje jako "wysoki" lub "niski" poziom mocy. Ta cyfrowa forma wyjścia oferuje wiele korzyści, w tym zwiększoną odporność na zakłócenia, łatwiejszą integrację z systemami elektroniki cyfrowej i obliczeniowymi, oraz prostsze przetwarzanie i przechowywanie danych. Przetworniki cyfrowe są coraz częściej stosowane w nowoczesnych systemach pomiarowych i sterowania ze względu na powszechność technologii cyfrowych.

5. Przetworniki i odwrotne przetworniki

Przetworniki

Przetwornik definiuje się jako urządzenie, które przekształca nieelektryczne wielkości w wielkości elektryczne. Ten proces przekształcania umożliwia pomiar, monitorowanie i sterowanie różnymi zjawiskami fizycznymi, takimi jak temperatura, ciśnienie, przemieszczenie i siła, za pomocą technik pomiarowych i przetwarzania elektrycznego. Przetworniki odgrywają kluczową rolę w szerokim zakresie zastosowań, od automatyzacji przemysłowej po badania naukowe i elektronikę konsumencką.

Odwrotne przetworniki

Odwrotne przetworniki wykonują przeciwną funkcję w stosunku do tradycyjnych przetworników. Przekształcają one wielkości elektryczne z powrotem w wielkości fizyczne. Te przetworniki zazwyczaj mają wysoki wejściowy sygnał elektryczny i odpowiadający mu niski wyjściowy sygnał nieelektryczny. Odwrotne przetworniki są używane w zastosowaniach, gdzie sygnały elektryczne muszą być tłumaczone na fizyczne działania lub odpowiedzi, takie jak pewne typy aktuatorów i systemów sterowania. Koncepcja odwrotnych przetworników umożliwia zamknięcie pętli między sterowaniem elektrycznym a działaniem fizycznym, ułatwiając bardziej złożone i precyzyjne sterowanie mechanicznymi i fizycznymi systemami.