آموزش ترانسمیترها و ترانسدیوسرها

ترانسمیترها و ترانسدیوسرها تجهیزات مرتبطی هستند که برای اندازه‌گیری کمیت‌های مانند دما، فشار و صدا و تبدیل آن‌ها به سیگنال‌های قابل استفاده در سیستم‌های مانیتورینگ و کنترل به‌کار می‌روند.

به‌طور ساده می‌توان گفت ترانسدیوسر بخش حس‌کردن و تبدیل انرژی است و ترانسمیتر بخش پردازش، استانداردسازی و ارسال سیگنال به فاصله دور محسوب می‌شود.

با ما همراه باشید تا به آموزش ترانسمیتر ها و ترانسدیوسرها در سایت تتا صنعت  بپردازیم.

ترانسدیوسر (Transducer)

وسیله‌ای است که یک شکل از انرژی را به شکل دیگری تبدیل می‌کند؛ معمولاً یک کمیت فیزیکی را به سیگنال الکتریکی (یا برعکس).

به عنوان مثال: میکروفن (صدا → ولتاژ)، بلندگو (ولتاژ → صدا)، استرین‌گیج (نیرو → مقاومت الکتریکی).

ترانسمیتر (Transmitter)

یک واحد الکترونیکی است که سیگنال خام، ضعیف و غیر‌استاندارد خروجی را از ترانسدیوسر یا سنسور دریافت کرده و آن را به یک سیگنال استاندارد صنعتی مانند 4–20 میلی آمپر یا 0–10 ولت تبدیل می‌کند؛ سیگنالی که برای ارسال در مسافت‌های طولانی و اتصال به PLC یا DCS (سیستم های کنترلی توزیع شده ) مناسب است.

در بسیاری از تجهیزات صنعتی، ترانسدیوسر و ترانسمیتر در یک بدنه قرار دارند؛ به همین دلیل در کاربرد روزمره، کل تجهیز گاهی ترانسمیتر یا ترانسدیوسر نامیده می‌شود که باعث سردرگمی می‌گردد.

ساختار یک ترانسدیوسر معمولی

ساختار ترانسدیوسر بسته به کمیتی که اندازه‌گیری می‌کند متفاوت است، اما اغلب آن‌ها از بلوک‌های منطقی زیر تشکیل می‌شوند:

المان حسگر یا تبدیل انرژی:

مستقیماً با کمیت فیزیکی (فشار، دما، نور، صدا، جابجایی) در تماس است.

نمونه‌ها: استرین‌گیج متصل به دیافراگم فلزی برای فشار یا نیرو، کریستال پیزوالکتریک برای ارتعاش، فوتودیود برای نور و

اتصال ترموکوپل برای دما

رابط مکانیکی

ترانسدیوسر را به فرایند متصل می‌کند (دیافراگم، پروب، میله، فنر یا غشاء) و محدوده اندازه‌گیری را تعیین می‌نماید.

المان الکتریکی اولیه

اثر مکانیکی، حرارتی یا نوری را به یک پارامتر الکتریکی تبدیل می‌کند، مانند: تغییر مقاومت، تغییر ظرفیت خازنی، تغییر اندوکتانس، تولید ولتاژ یا بار الکتریکی

شرطی ‌سازی اولیه (در صورت وجود)

شامل مدارهای ساده مانند پل وتستون، مقاومت بار یا بایاس اولیه است و معمولاً حداقلی است؛ چون بخش اصلی پردازش در ترانسمیتر انجام می‌شود.مثلاً یک ترانسدیوسر فشار معمولاً شامل یک دیافراگم فلزی یا سیلیکونی با استرین‌گیج‌های مجتمع است که در بدنه‌ای قابل نصب روی لوله قرار می‌گیرد.

 اصول عملکرد ترانسدیوسرهای رایج

ترانسدیوسرهای مقاومتی

اصل کار: کمیت فیزیکی باعث تغییر مقاومت می‌شود. معمولاً در مدار پل قرار می‌گیرند و تغییرات بسیار کوچک ولتاژ اندازه‌گیری می‌شود. مثل: استرین‌گیج‌ها، RTDها

ترانسدیوسرهای خازنی

اصل کار: تغییر فاصله، سطح یا دی‌الکتریک باعث تغییر ظرفیت خازنی می‌شود.کاربرد: فشار، سطح و جابجایی

ترانسدیوسرهای القایی

اصل کار: تغییر اندوکتانس بر اثر جابجایی هسته مغناطیسی . کاربرد: اندازه‌گیری دقیق موقعیت

نمونه شاخص: LVDT

ترانسدیوسرهای پیزوالکتریک

اصل کار: اعمال تنش مکانیکی باعث تولید بار الکتریکی می‌شود. برای ارتعاش و فشارهای دینامیکی مناسب هستند ولی

برای اندازه‌گیری‌های کاملاً استاتیک مناسب نیستند.

ترانسدیوسرهای نوری

اصل کار: تبدیل نور به سیگنال الکتریکی یا برعکس .

کاربرد: انکودرها، سنسورهای نوری، فیبر نوری

ترانسدیوسرهای حرارتی

ترموکوپل: اختلاف دما باعث ایجاد ولتاژ می‌شود.

ترمیستور: مقاومت نیمه‌هادی با دما تغییر می‌کند.

خروجی آن‌ها معمولاً کوچک است و به ترانسمیتر نیاز دارد.

ساختار یک ترانسمیتر معمولی

یک ترانسمیتر معمولاً شامل بخش‌های زیر است:

مرحله ورودی: دریافت سیگنال خام از ترانسدیوسر (mV، مقاومت، ظرفیت و …) و تأمین تغذیه سنسور.

بخش شرطی‌سازی سیگنال: تقویت، فیلتر نویز و خطی‌سازی سیگنال سنسور.

تبدیل به خروجی استاندارد:

4–20mA (رایج‌ترین در صنعت) ، 0–10V یا 1–5V و پروتکل‌های دیجیتال مانند HART و Modbus

تغذیه و مدار لوپ

ترانسمیترهای دو سیمه: تغذیه و سیگنال روی یک زوج سیم

ترانسمیترهای چهار سیمه: تغذیه و سیگنال جداگانه

عیب‌یابی و ارتباطات (در ترانسمیترهای هوشمند)

شامل میکروکنترلر برای تنظیمات، گزارش خطا و ارتباط دیجیتال.

اصل عملکرد ترانسمیترها

به‌طور خلاصه، ترانسمیتر چهار وظیفه اصلی دارد:

1) دریافت سیگنال خام از ترانسدیوسر

2) تقویت، فیلتر و خطی‌سازی سیگنال

3) مقیاس‌کردن سیگنال به بازه اندازه‌گیری (مثلاً 0–10bar → 4–20mA)

4) ارسال یک خروجی استاندارد پایدار و قابل اطمینان

به‌دلیل استاندارد بودن سیگنال خروجی، هر PLC یا سیستم کنترلی سازگار می‌تواند آن را تفسیر کند.

 انواع اصلی ترانسدیوسرها

بر اساس کمیت اندازه‌گیری‌شده : فشار، دما، نیرو و وزن، موقعیت و جابجایی، نور و صدا

بر اساس اصل فیزیکی : مقاومتی، خازنی، القایی، پیزوالکتریک، نوری، ترموالکتریک

بر اساس متغیر فرایندی : ترانسمیتر فشار، ترانسمیتر دما، ترانسمیتر جریان، ترانسمیتر سطح ، ترانسمیترهای آنالیتیکال (pH، هدایت الکتریکی و …)

بر اساس نوع خروجی : جریان (4–20میلی آمپر) ، ولتاژ، دیجیتال و فیلدباس

بر اساس نوع تغذیه : دو سیمه، سه سیمه یا چهار سیمه

 تفاوت کلیدی ترانسمیتر و ترانسدیوسر

به‌طور خلاصه: ترانسدیوسر «احساس و تبدیل» می‌کند، ترانسمیتر «پردازش و ارسال».

مثال عملی:

یک ترانسدیوسر فشار مبتنی بر استرین‌گیج فقط چند میلی‌ولت خروجی تولید می‌کند، اما ترانسمیتر متصل به آن، همان فشار را به سیگنال استاندارد 4–20میلی آمپر تبدیل می‌کند که می‌توان آن را صدها متر دورتر، در اتاق کنترل، با دقت بالا خواند.

جمع بندی

در این مقاله توضیح دادیم ترانسمیترها و ترانسدیوسرها چه نقشی در سیستم‌های اندازه‌گیری و کنترل صنعتی دارند.
ابتدا تفاوت مفهومی این دو تجهیز بررسی شد و مشخص گردید ترانسدیوسر وظیفه حس‌کردن و تبدیل انرژی را بر عهده دارد، در حالی‌که ترانسمیتر پردازش و ارسال سیگنال استاندارد را انجام می‌دهد.ساختار داخلی و اصول عملکرد ترانسدیوسرها و ترانسمیترها به‌صورت مرحله‌به‌مرحله توضیح داده شد.همچنین انواع مختلف آن‌ها بر اساس کمیت اندازه‌گیری‌شده و نوع خروجی معرفی گردید.در نهایت روشن شد که استفاده از ترانسمیتر برای انتقال دقیق و پایدار داده‌ها در سیستم‌های کنترلی صنعتی ضروری است.