Типи перетворювачів

Перетворювачі: Визначення, Функції та Класифікація

Перетворювач — це електронне пристрій, який відіграє ключову роль у перетворенні фізичних величин на електричні сигнали. Він виконує дві основні функції: виявлення та перетворення. Спочатку він виявляє цікаву фізичну величину, таку як температура, тиск або переміщення. Потім він перетворює цю фізичну величину на механічну роботу або, більш типово, на електричний сигнал, який можна легко вимірювати, обробляти та аналізувати.

Перетворювачі мають широкий спектр типів і можуть бути категоризовані за кількома окремими критеріями:

• За Механізмом Перетворення: Ця класифікація зосереджується на конкретних фізичних або хімічних процесах, за допомогою яких перетворювач перетворює вхідну фізичну величину на електричний вихід. Різні механізми перетворення підходять для різних типів вимірювань та застосувань, що дозволяє точне та надійне виявлення широкого спектру фізичних явищ.

• Як Первісні та Другорядні Перетворювачі: Первісний перетворювач безпосередньо перетворює виміряну фізичну величину на електричний сигнал. Наприклад, другорядний перетворювач працює разом з первісним перетворювачем, подальше модифікуючи або обробляючи електричний сигнал, створений первинним пристроєм, для поліпшення його пригодності або точності.

• Як Пасивні та Активні Перетворювачі: Пасивні перетворювачі залежать від зовнішнього джерела живлення для роботи і виробляють вихідний сигнал, який є функцією вхідної фізичної величини та застосованої потужності. Активні перетворювачі, навпаки, містять свій власний джерело живлення і можуть генерувати вихідний сигнал без потреби зовнішнього джерела живлення, часто забезпечуючи більшу чутливість та сили сигналу.

• Як Аналогові та Цифрові Перетворювачі: Аналогові перетворювачі виробляють вихідний сигнал, який неперервно змінюється з вхідною фізичною величиною, зазвичай у формі напруги або струму. Цифрові перетворювачі, навпаки, перетворюють вхідну величину на дискретний цифровий сигнал, який легше обробляти, зберігати та передавати за допомогою сучасної цифрової електроніки та обчислювальних систем.

• Як Перетворювачі та Обернені Перетворювачі: Стандартний перетворювач перетворює фізичну величину на електричний сигнал. Обернений перетворювач, навпаки, приймає електричний сигнал як вхід та перетворює його назад на фізичну величину, фактично зворотній процес традиційного перетворювача. Цей концепт корисний у застосуваннях, де потрібен електричний контроль для генерації конкретної фізичної відповіді.

У роботі перетворювач отримує вимірюваний параметр — фізичну величину, яка вимірюється, — і виробляє вихідний сигнал, який пропорційний величині входу. Цей вихідний сигнал потім передається до пристрою умовного сигналу. Тут сигнал проходить через ряд процесів, включаючи затухання (регулювання амплітуди сигналу), фільтрацію (видалення небажаних шумів або частот) та модуляцію (кодування сигналу для кращої передачі або обробки). Ці кроки забезпечують, що кінцевий сигнал знаходиться в оптимальному вигляді для наступного аналізу, показу або операцій управління.

Вхідна величина перетворювача зазвичай є неелектричною величиною, тоді як вихідний електричний сигнал може бути у формі струму, напруги або частоти.

1. Класифікація за Принципом Перетворення

Перетворювачі можуть бути категоризовані за середовищем перетворення, яке вони використовують. Середовище перетворення може бути резистивним, індуктивним або ємкісним. Ця класифікація визначається процесом перетворення, через який вхідний перетворювач перетворює вхідний сигнал на опір, індуктивність або ємність відповідно. Кожен тип середовища перетворення має свої унікальні характеристики і підходить для різних вимірювальних застосувань, забезпечуючи точне перетворення різних фізичних величин на електричні сигнали.

2. Первісні та Другорядні Перетворювачі

• Первісний Перетворювач
  Перетворювач часто складається як з механічних, так і з електричних компонентів. Механічна частина перетворювача відповідає за перетворення фізичних вхідних величин на механічний сигнал. Цей механічний компонент називається первісним перетворювачем. Він діє як початковий елемент виявлення, безпосередньо взаємодіючи з вимірюваною фізичною величиною, такою як тиск, температура або переміщення, і перетворює її на механічну форму, яку можна подальше обробляти.

• Другорядний Перетворювач
  Другорядний перетворювач приймає механічний сигнал, створений первісним перетворювачем, і перетворює його на електричний сигнал. Масштаб вихідного електричного сигналу прямо пов'язаний з характеристиками вхідного механічного сигналу. Таким чином, другорядний перетворювач мостить прогалину між механічними та електричними областями, роблячи можливим вимірювання та аналіз оригінальної фізичної величини за допомогою електричних методів вимірювання та обробки.

Приклад Первісного та Другорядного Перетворювача

Розглянемо трубку Бурдона, як показано на малюнку нижче, як приклад. Трубка Бурдона функціонує як первісний перетворювач. Вона розроблена для виявлення тиску і перетворення його на переміщення на своєму вільному кінці. Коли тиск прикладається до трубки, її форма деформується, що призводить до переміщення вільного кінця. Це переміщення потім служить вхідним сигналом для наступного етапу системи.

Переміщення вільного кінця трубки Бурдона призводить до зміщення сердечника лінійного змінного перетворювача переміщення (LVDT). Коли сердечник рухається всередині LVDT, він викликає вихідну напругу. Ця викликана напруга прямо пропорційна переміщенню вільного кінця трубки, а, отже, і до початкового тиску, прикладеного до трубки Бурдона.

У випадку системи трубка Бурдона - LVDT відбувається два окремі процеси перетворення. Спочатку первісне перетворення відбувається, коли трубка Бурдона перетворює тиск на переміщення. Потім, другорядне перетворення відбувається, коли LVDT перетворює це переміщення на електричний сигнал напруги. Цей приклад чітко демонструє, як первісні та другорядні перетворювачі працюють разом, щоб точно вимірювати та перетворювати фізичну величину на електричний вихід для подальшого аналізу та використання.

Трубка Бурдона служить як первісний перетворювач, тоді як L.V.D.T. (Лінійний Змінний Перетворювач Переміщення) функціонує як другорядний перетворювач.

3. Пасивні та Активні Перетворювачі

Перетворювачі також можна категоризувати на активні та пасивні типи, кожен з яких має відмінні оперативні характеристики.

Пасивні Перетворювачі

Пасивний перетворювач — це перетворювач, який залежить від зовнішнього джерела живлення для роботи, тому його також називають зовнішньо-живленим перетворювачем. Емкісні, резистивні та індуктивні перетворювачі є типовими прикладами пасивних перетворювачів. Ці перетворювачі працюють, змінюючи електричну властивість (таку як опір, ємність або індуктивність) відповідно до вхідної фізичної величини. Однак, вони не генерують власну електричну енергію; замість цього, вони потребують зовнішнього джерела живлення для вироблення вимірюваного вихідного сигналу, який відображає зміну вимірюваної фізичної величини.

Активні Перетворювачі

Наприклад, активний перетворювач не потребує зовнішнього джерела живлення для роботи. Ці перетворювачі є самогенеруючими, тобто вони можуть виробляти власну напругу або струм. Вихідний сигнал активного перетворювача безпосередньо походить від вхідної фізичної величини. Активні перетворювачі здатні перетворювати різні фізичні явища, такі як швидкість, температура, сила та інтенсивність світла, на електричні сигнали без потреби зовнішнього джерела живлення. Приклади активних перетворювачів включають п'єзоелектричні кристали, фотovoltaic cells, tachogenerators, and thermocouples.

Приклад: П'єзоелектричний Кристал

Щоб проілюструвати роботу активного перетворювача, розглянемо п'єзоелектричний кристал. П'єзоелектричний кристал зазвичай розташований між двома металевими електродами, і весь вузол надійно закріплений на основі. На цей згорнутий вузол розміщується маса.

П'єзоелектричні кристали мають унікальну властивість: коли на них прикладається сила, вони генерують електричну напругу. У описаній установці, основа може досіяти прискорення, що призводить до того, що маса викликає силу на кристал. Ця сила, в свою чергу, викликає вихідну напругу на кристалі. Масштаб цієї вихідної напруги прямо пропорційний прискоренню, яке досіяла основа, ефективно перетворюючи механічне прискорення на електричний сигнал. Цей приклад чітко демонструє, як активні перетворювачі можуть самостійно генерувати електричні виходи на основі фізичних входів, підкреслюючи їхню відмінну функціональність в порівнянні з пасивними перетворювачами.

Згаданий вище перетворювач відомий як акселерометр, який розроблений для перетворення прискорення на електричну напругу. Зауважимо, що цей тип перетворювача працює без потреби будь-якого допоміжного джерела живлення під час перетворення фізичної величини на електричний сигнал, що підтверджує його самодостатність у генерації сигналу.

4. Аналогові та Цифрові Перетворювачі

Перетворювачі також можна категоризувати залежно від природи їх вихідних сигналів, які можуть бути неперервними або дискретними.

Аналогові Перетворювачі

Аналоговий перетворювач перетворює вхідну величину на неперервну функцію. Це означає, що вихідний сигнал змінюється плавно і неперервно відповідно до змін вхідної величини. Приклади аналогових перетворювачів включають деформаційні датчики, Лінійні Змінні Перетворювачі Переміщення (LVDT), термоелементи та термістори. Ці пристрої широко використовуються в різних застосуваннях, де потрібне пропорційне та неперервне представлення вимірюваної фізичної величини, таких як системи прецизійного вимірювання та промислові системи керування процесами.

Цифрові Перетворювачі

Цифрові перетворювачі, навпаки, перетворюють вхідну величину на цифровий сигнал, зазвичай у формі імпульсів. Цифрові сигнали працюють на основі двійкових станів, представляючи інформацію як "високий" або "низький" рівень потужності. Цей цифровий формат виходу має кілька переваг, включаючи покращену стійкість до шумів, легшу інтеграцію з цифровою електронікою та обчислювальними системами, а також більш просту обробку та зберігання даних. Цифрові перетворювачі все більш поширюються в сучасних системах вимірювання та керування завдяки поширенню цифрових технологій.

5. Перетворювачі та Обернені Перетворювачі

Перетворювачі

Перетворювач визначається як пристрій, який перетворює неелектричні величини на електричні величини. Цей процес перетворення дозволяє вимірювання, моніторинг та керування різними фізичними явищами, такими як температура, тиск, переміщення та сила, за допомогою електричних методів вимірювання та обробки. Перетворювачі відіграють ключову роль у широкому спектрі застосувань, від промислової автоматизації до наукових досліджень та споживчої електроніки.

Обернені Перетворювачі

Обернені перетворювачі виконують протилежну функцію традиційних перетворювачів. Вони перетворюють електричні величини назад на фізичні величини. Ці перетворювачі зазвичай мають високий електричний вхід та відповідний низький неелектричний вихід. Обернені перетворювачі використовуються у застосуваннях, де електричні сигнали потрібно перекласти на фізичні дії або відповіді, такі як в певних типах актуаторів та систем керування. Концепція обернених перетворювачів забезпечує можливість замикання петлі між електричним керуванням та фізичною операцією, що сприяє більш складному та точному керуванню механічними та фізичними системами.