V prostředí založeném na údajích, kde jsou automatizace a systémy AI/ML (umělé inteligence/strojové učení) vpředu a středové v automatizovaných systémech, hrají převodníky nejdůležitější a obvykle neviditelnou roli.
Přemojují záliv mezi fyzickým světem a požadovanými digitálními interpretacemi, se kterými musí takové systémy pracovat. Interpretují a prezentují fyzické a environmentální charakteristiky a fakta jako systémově interpretovatelná data, která lze spolehlivě analyzovat, monitorovat a používat při celkové nebo místní kontrole systému. Nedostatek převodníků, automatizované systémy - průmyslová automatizace do monitorování zdravotní péče a spotřební elektronika - jsou slepí vůči událostem a nemohou provozovat žádnou formu kontroly.
Hluboký ponor do vědy převodníků nutně zkoumá, jak přeměňují fyzický svět na použitelné údaje, přezkoumává běžnější typy, ilustruje jejich pracovní principy a příkladem aplikací pro jasnost.
Co je to převodník?
V jádru je převodník zařízení, které převádí energii mezi různými formami. Pro sběr a měření dat přeměňují převodníky fyzické množství, jako je teplota, tlak, světlo, zvuk a pohyb na elektrické signály. - Digitální systémy je mohou zpracovávat, zaznamenávat a analyzovat. Takové systémy vyžadují přesné a opakovatelné virtuální znalosti o změnách v reálném světě.
Úlohou převodníku je být rozhraním mezi reálným a měnícím se světem a automatizovaným analytickým systémem, který monitoruje, analyzuje a reaguje na změny zjištěné těmito zařízeními. Jako široce známý příklad je mikrofon převodníkem, který přeměňuje změny tlaku vzduchu (akustické vlny, mechanická energie) na analogový elektrický signál. Převádí energii v rychle oscilačním tlaku vzduchu na elektrický signál, který lze zaznamenat a analyzovat a aplikovat na následující procesy.
Senzoryjsou jádrem většiny aplikací, od snímání životního prostředí a kontroly průmyslového procesu po lékařskou diagnostiku a spotřební elektroniku, od kontroly letu po spláchnutí toalet. Jejich schopnost přeměnit fyzické změny na spolehlivé, kvantifikovatelné údaje z nich učinila základní kámen vzestupu technologie a automatizace.
Jak převodníky přeměňují fyzické vstupy na elektrické signály
Pochopení pracovních principů převodníků vyžaduje určité pochopení toho, jak přeměňují fyzikální jevy na elektrické výstupy - digitální i analogové:
Mnoho převodníků se spoléhá na změny odporu k přeměně fyzických vstupů na elektrické signály. Příklady zahrnují měřiče deformace, které měří změny odporu v důsledku mechanické deformace (protahování nebo kontrakce); termistory, které podléhají předvídatelným změnám odporu, které jsou úměrné teplotě; a bimetalické proužky, které podléhají fyzickým změnám úměrným teplotě.
Induktivní převodníky pracují detekcí změn indukční vazby, protože vodič se pohybuje v magnetickém poli. LVDT používají tento princip k měření posunu, kde indukční senzory s dlouhými formami mohou používat měděnou pásku sinusové vlny jako indukční zdroj a měří cyklické změny, které lze interpretovat pomocí počítání pulsů plus částečné detekci pulsů.
Kapacitní převodníky měří změny v kapacitu, ke které může dojít, když se vzdálenost mezi dvěma vodivými destičkami mění s posunem. Tento princip se často používá při senzorů tlaku a posunu a vytváří analogové měření, které lze použít přímo nebo převedeno pomocí analogového na digitální (ATOD) převodník.
Piezoelektrické převodníky generují elektrický náboj, když je aplikován mechanické napětí. To je ideální pro aplikace, kde je třeba detekovat vibrace, tlak nebo zvukové vlny, když je frekvence signálu relativně vysoká a zapojené posuny jsou malé. Piezo převodníky mohou být velmi citlivé a jsou běžné pro vědecké nástroje a měření zvukových/vibrací s vysokou přesností.
Termočlíky se spoléhají na termoelektrický účinek, kde je generováno napětí v důsledku teplotních rozdílů mezi dvěma odlišnými kovovými vodiči drátu, kde spojení poskytuje přesně umístěný bod detekce.
Budoucnost převodníků
Jak technologický vývoj postupuje, převodníky se neustále zvyšují složitostí, přesností a pochoutkou. Je rozumné očekávat, že se stanou ještě přesnějšími, menšími a energeticky účinnějšími a zvyšují rozmanitost detekcí.
Internet of Things (IoT), nositelná zařízení a inteligentní výroba řídí poptávku po pokročilejších, menších a spolehlivějších technologiích převodníků. Pokroky v technologii MEMS (Microelectro-Mechanical Systems) také vede k vývoji nových tříd miniaturizovaných převodníků, které lze integrovat do stále menších a nižších přenosných zařízení.
Použití bezdrátových převodníků, které eliminuje potřebu fyzického spojení mezi senzorem a systémem zpracování dat, je zvláště užitečné ve vzdáleném nebo nebezpečném prostředí, kde může být kabelové připojení nepraktické. Dostupné možnosti v této oblasti se nadále rozšiřují.
Závěr
Převodníky jsou v mnoha oblastech technologií v mnoha oblastech technologií a přeměňují komplexní a dynamický fyzický svět na spolehlivá a činitelná data. Přeměňování fyzických množství, jako je tlak, teplota, světlo, vibrace, magnetická pole, hladiny znečišťujících látek a pohyb do elektrických signálů, umožňují převodníky monitorování, kontroly a automatizaci procesů ve všech odvětvích. Možnosti a technologie převodníku se pravděpodobně nesnižují, protože technologie se stávají přesnějšími a nedílnou součástí sociálních a komerčních aktivit.
Pochopení základních principů a metodik v aplikacích převodníků je klíčovou dovedností pro kohokoli zapojeného do inženýrství, výroby, zdravotní péče a elektroniky. Pochopení a interpretace skutečného světa je hlavním problémem ve všech automatizačních aplikacích a tato oblast znalostí se stále rozšiřuje a zvyšuje užitečnost.