Vrste pretvarača

Transducers: Definicija, funkcije i klasifikacija

Transducer je elektronski uređaj koji igra ključnu ulogu u pretvaranju fizičkih veličina u električne signale. Sastoji se od dve osnovne funkcije: osećanja i transduciranja. Prvo, detektuje zanimljivu fizičku veličinu, kao što su temperatura, pritisak ili pomak. Zatim, transformiše tu fizičku veličinu u mehanički rad ili, češće, u električni signal koji se lako može meriti, obraditi i analizirati.

Transduceri dolaze u širokom spektru tipova i mogu biti kategorizirani prema nekoliko različitih kriterijuma:

• Prema Mekanizmu Transduciranja: Ova klasifikacija se fokusira na specifične fizičke ili hemijske procese kojima transducer pretvara ulaznu fizičku veličinu u električni izlaz. Različiti mehanizmi transduciranja su prilagođeni različitim tipovima merenja i primena, omogućavajući tačno i pouzdano osećanje širokog spektra fizičkih pojava.

• Kao Primarni i Sekundarni Transduceri: Primarni transducer direktno pretvara mjerenu fizičku veličinu u električni signal. U suprotnosti, sekundarni transducer radi u kombinaciji s primarnim transducerom, dalje modifikujući ili obrađujući električni signal generisan od strane primarnog uređaja kako bi se povećala njegova korisnost ili tačnost.

• Kao Pasivni i Aktivni Transduceri: Pasivni transduceri se oslanjaju na spoljnji izvor snage za rad i proizvode izlazni signal koji je funkcija ulazne fizičke veličine i primenjene snage. Aktivni transduceri, s druge strane, sadrže sopstveni izvor snage i mogu generisati izlazni signal bez potrebe za spoljnjim izvorom snage, često pružajući veću osetljivost i jačinu signala.

• Kao Analogni i Digitalni Transduceri: Analogni transduceri proizvode izlazni signal koji se neprekidno menja sa ulaznom fizičkom veličinom, obično u formi napona ili struje. Digitalni transduceri, s druge strane, pretvaraju ulaznu veličinu u diskretni digitalni signal, koji je lakše obraditi, čuvati i prenositi koristeći savremene digitalne elektronike i računarske sisteme.

• Kao Transduceri i Inverzni Transduceri: Standardni transducer pretvara fizičku veličinu u električni signal. Inverzni transducer, s druge strane, uzima električni signal kao ulaz i pretvara ga natrag u fizičku veličinu, efektivno obrnuto tradicionalnom procesu transduciranja. Ova koncepta je korisna u primenama gde je potrebno električko upravljanje da bi se generisao specifičan fizički odgovor.

U radu, transducer prima merand — fizičku veličinu koja se meri — i proizvodi izlazni signal koji je proporcionalan magnitudi ulaza. Taj izlazni signal se zatim šalje na uređaj za kondicionisanje signala. Ovde, signal podleže seriji procesa, uključujući atenuaciju (prilagođavanje amplitude signala), filtriranje (uklanjanje neželjenog šuma ili frekvencija) i modulaciju (enkodiranje signala za bolji prenos ili obradu). Ovi koraci osiguravaju da je konačni signal u optimalnom obliku za naredne analize, prikaz ili operacije kontrole.

Ulazna veličina transducera je obično neelektrična veličina, dok izlazni električni signal može biti u formi struje, napona ili frekvencije.

1. Klasifikacija prema Principu Transduciranja

Transduceri mogu biti klasifikovani prema transduciranom mediju koji koriste. Transducirani medij može biti rezistivni, induktivni ili kapacitivni. Ova klasifikacija se određuje preko procesa pretvaranja, kroz koji ulazni transducer transformiše ulazni signal u otpornost, induktivnost ili kapacitet. Svaki tip transduciranog medija ima svoje unikalne karakteristike i prikladan je za različite mernje primene, omogućavajući tačno pretvaranje raznih fizičkih veličina u električne signale.

2. Primarni i Sekundarni Transduceri

• Primarni Transducer
  Transducer često sadrži i mehaničke i električne komponente. Mehanički deo transducera je odgovoran za pretvaranje fizičkih ulaznih veličina u mehanički signal. Ovaj mehanički deo se naziva primarni transducer. On djeluje kao inicijalni osećajni element, direktno interagirajući sa mjerenom fizičkom veličinom, kao što su pritisak, temperatura ili pomak, i pretvarajući je u mehaničku formu koja se može dalje obraditi.

• Sekundarni Transducer
  Sekundarni transducer preuzima mehanički signal generisan od strane primarnog transducera i pretvara ga u električni signal. Magnituda izlaznog električnog signala je direktno povezana sa karakteristikama ulaznog mehaničkog signala. Na taj način, sekundarni transducer mosti razmak između mehaničkog i električnog domena, čime omogućava mjeranje i analizu originalne fizičke veličine korišćenjem električnih metoda merenja i obrade.

Primer Primarnog i Sekundarnog Transducera

Uzmimo Cev Bourdona, kao što je prikazano na slici ispod, kao primer. Cev Bourdona funkcioniše kao primarni transducer. Izgrađena je da detektuje pritisak i pretvara ga u pomak na slobodnom kraju. Kada se pritisak primeni na cev, njen oblik se deformiše, uzrokujući da se slobodni kraj pomeri. Ovaj pomak onda služi kao ulaz u sledeću fazu sistema.

Pomeranje slobodnog kraja Ceve Bourdona dovodi do pomeranja jezgra Linearnog Varijabilnog Transformatora Pomaka (LVDT). Kako se jezgro pomeri unutar LVDT-a, indukuje izlazni napon. Ovaj indukovani napon je direktno proporcionalan pomaku slobodnog kraja cevi, a stoga i originalnom pritisku primenjenom na Cev Bourdona.

U slučaju sistema Cev Bourdon - LVDT, dva različita procesa transduciranja se događaju. Prvo, primarno transduciranje se dešava kada Cev Bourdon pretvara pritisak u pomak. Zatim, sekundarno transduciranje se dešava kada LVDT pretvara ovaj pomak u električni naponski signal. Ovaj primer jasno pokazuje kako primarni i sekundarni transduceri rade zajedno kako bi tačno mjerili i pretvarali fizičku veličinu u električni izlaz za dalju analizu i upotrebu.

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

3. Pasivni i Aktivni Transduceri

Transduceri takođe mogu biti kategorizirani u aktivne i pasivne tipove, svaki sa svojim distinktnim operativnim karakteristikama.

Pasivni Transduceri

Pasivni transducer je onaj koji se oslanja na spoljni izvor snage za rad, zbog čega se takođe naziva vanjski - napajani transducer. Kapacitivni, rezistivni i induktivni transduceri su tipični primeri pasivnih transducera. Ovi transduceri rade modificirajući električnu osobinu (kao što su otpornost, kapacitet ili induktivnost) u odgovoru na ulaznu fizičku veličinu. Međutim, oni ne generišu sopstvenu električnu energiju; umesto toga, zahtevaju spoljni izvor snage kako bi proizveli merljivi izlazni signal koji reflektuje promenu mjerene fizičke veličine.

Aktivni Transduceri

U suprotnosti, aktivni transducer ne zahteva spoljni izvor snage za rad. Ovi transduceri su samogenerirajući, što znači da mogu proizvesti sopstveni naponski ili strujni izlaz. Izlazni signal aktivnog transducera direktno izvodi iz ulazne fizičke veličine. Aktivni transduceri su sposobni pretvarati razne fizičke pojave, kao što su brzina, temperatura, sila i intenzitet svetlosti, u električne signale bez oslanjanja na spoljni izvor snage. Primeri aktivnih transducera uključuju piezoelektrične kristale, fotovoltaične celije, takogeneratori i termopari.

Primer: Piezoelektrični Kristal

Da ilustrujemo rad aktivnog transducera, razmotrimo piezoelektrični kristal. Piezoelektrični kristal je obično smješten između dvije metalne elektrode, a cijela sklopka je sigurno zakopljenja na bazu. Zatim se masa postavlja na vrh ove smeštenoj strukturi.

Piezoelektrični kristali imaju jedinstvenu osobinu: kada se na njih primeni sila, generišu električni napon. U opisanom postavljanju, baza može doživjeti akceleraciju, što dovodi do toga da masa utiče silom na kristal. Ova sila, na svoju stranu, indukuje izlazni napon preko kristala. Magnituda ovog izlaznog napona je direktno proporcionalna akceleraciji koju baza doživljava, efektivno pretvarajući mehaničku akceleraciju u električni signal. Ovaj primer jasno pokazuje kako aktivni transduceri mogu samogenerirati električne izlaze bazirani na fizičkim ulazima, ističući njihovu distinktivnu funkcionalnost u usporedbi s pasivnim transducerima.

Gore navedeni transducer poznat je kao akcelerometar, dizajniran da pretvori akceleraciju u električni napon. Važno je napomenuti da ovaj tip transducera radi bez potrebe za bilo kakvim pomoćnim izvorom snage tokom pretvaranja fizičke veličine u električni signal, što ističe njegovu samodovoljnu prirodu u generiranju signala.

4. Analogni i Digitalni Transduceri

Transduceri takođe mogu biti kategorizirani prema prirodi njihovih izlaznih signala, koji mogu biti neprekidni ili diskretni.

Analogni Transduceri

Analogni transducer pretvara ulaznu veličinu u neprekidnu funkciju. To znači da izlazni signal varira glatko i neprekidno u odgovoru na promene ulaza. Primeri analognih transducera uključuju tenzometre, Linearni Varijabilni Transformatori Pomaka (LVDT), termopare i termistori. Ovi uređaji su široko korišćeni u raznim primenama gdje je potrebna proporcionalna i neprekidna reprezentacija mjerene fizičke veličine, kao što su precizni merni sistemi i industrijsko upravljanje procesima.

Digitalni Transduceri

Digitalni transduceri, s druge strane, pretvaraju ulaznu veličinu u digitalni signal, obično u formi impulsa. Digitalni signali funkcioniraju na osnovu binarnih stanja, predstavljajući informacije kao "visok" ili "nizak" nivo snage. Ova digitalna forma izlaznog signala nudi nekoliko prednosti, uključujući poboljšanu imunitet na šum, lakšu integraciju sa digitalnim elektronikom i računarskim sistemima, te jednostavniju obradu i čuvanje podataka. Digitalni transduceri sve više se primenjuju u modernim mernim i kontrolnim sistemima zbog prevladavanja digitalnih tehnologija.

5. Transduceri i Inverzni Transduceri

Transduceri

Transducer se definiše kao uređaj koji pretvara neelektrične veličine u električne veličine. Ovaj proces pretvaranja omogućava merenje, nadgledanje i kontrolu raznih fizičkih pojava, kao što su temperatura, pritisak, pomak i sila, korišćenjem električnih metoda merenja i obrade. Transduceri igraju ključnu ulogu u širokom spektru primena, od industrijske automatizacije do naučnih istraživanja i potrošačke elektronike.

Inverzni Transduceri

Inverzni transduceri vrše suprotne funkcije tradicionalnih transducera. Oni pretvaraju električne veličine natrag u fizičke veličine. Ovi transduceri obično imaju visoki električni ulaz i odgovarajući nizak neelektrični izlaz. Inverzni transduceri koriste se u primenama gde električni signali treba prevesti u fizičke akcije ili odgovore, kao što su određeni tipovi aktuatora i kontrolnih sistema. Koncept inverznih transducera pruža sredstvo za zatvaranje petlje između električnog upravljanja i fizičkog rada, omogućavajući složenije i preciznije upravljanje mehaničkim i fizičkim sistemima.