בסביבה מונעת נתונים, בה מערכות אוטומציה ומערכות AI/ML (בינה מלאכותית/למידת מכונה) הן קדמיות ומרכזיות במערכות אוטומטיות, מתמרים ממלאים את התפקיד החשוב ביותר ובלתי נראה בלתי נראה.
הם מגשרים את המפרץ בין העולם הפיזי לפרשנויות הדיגיטליות הנדרשות שעל מערכות כאלה לעבוד איתן. הם מפרשים ומציגים מאפיינים ועובדות פיזיות וסביבתיות כנתונים ניתנים לפרשנות מערכתיים שניתן לנתח, לפקח ולהשתמש בהם באופן אמין בבקרת מערכת כוללת או מקומית. היעדר מתמרים, מערכות אוטומטיות - אוטומציה תעשייתית לניטור שירותי בריאות ואלקטרוניקה צרכנית - עיוורים לאירועים ואינם יכולים להפעיל שום שליטה.
צלילה עמוקה במדע של מתמרים בוחנים בהכרח כיצד הם ממירים את העולם הפיזי לנתונים שמישים, סוקר את הסוגים הנפוצים יותר, ממחיש את עקרונות העבודה שלהם ומדגים יישומים לצורך בהירות.
מהו מתמר?
בבסיסה, מתמר הוא מכשיר שממיר אנרגיה בין צורות שונות. לאיסוף ומדידת נתונים, מתמרים ממירים כמויות פיזיות כמו טמפרטורה, לחץ, אור, צליל ותנועה לאותות חשמליים. - מערכות דיגיטליות יכולות לעבד, להקליט ולנתח אותן. מערכות כאלה דורשות ידע וירטואלי מדויק וניתן לחזור על שינויים בעולם האמיתי.
תפקיד המתמר הוא להיות הממשק בין העולם האמיתי והמשנה למערכת הניתוח האוטומטי, המפקחת, מנתחת ומגיבה לשינויים שהתגלו על ידי מכשירים אלה. כדוגמה ידועה, מיקרופון הוא מתמר שממיר שינויים בלחץ האוויר (גלים אקוסטיים, אנרגיה מכנית) לאות חשמלי אנלוגי. זה ממיר את האנרגיה בלחץ אוויר מתנדנד במהירות לאות חשמלי שניתן לרשום ולנתח אותו ומוחל על תהליכים הבאים.
חיישניםנמצאים בלב רוב היישומים, החל מחישה סביבתית ובקרת תהליכים תעשייתיים ועד אבחון רפואי ואלקטרוניקה צרכנית, מבקרת טיסה ועד השירותים הסומקים. היכולת שלהם להמיר שינויים פיזיים לנתונים אמינים וכימותיים הפכה אותם לאבן יסוד לעליית הטכנולוגיה והאוטומציה.
כיצד מתמרים ממירים כניסות פיזיות לאותות חשמליים
הבנת עקרונות העבודה של מתמרים מחייבת הבנה מסוימת כיצד הם ממירים תופעות פיזיות לתפוקות חשמליות - הן דיגיטליות והן אנלוגיות:
מתמרים רבים מסתמכים על שינויים בהתנגדות להמרת כניסות פיזיות לאותות חשמליים. דוגמאות לכך כוללות מדדי מתח, המודדים שינויים בהתנגדות כתוצאה מעיוות מכני (מתיחה או כיווץ); תרמיסטורים, שעוברים שינויים בהתנגדות צפויה פרופורציונליים לטמפרטורה; ורצועות בימטליות שעוברות שינויים פיזיים פרופורציונליים לטמפרטורה.
מתמרים אינדוקטיביים פועלים על ידי איתור שינויים בצימוד אינדוקטיבי, כאשר מוליך נע בתוך שדה מגנטי. LVDTs משתמשים בעקרון זה כדי למדוד תזוזה, כאשר חיישנים אינדוקטיביים ארוכי טווח יכולים להשתמש בקלטת נחושת גל סינוס כמקור אינדוקציה, במדידת שינויים מחזוריים שניתן לפרש על ידי ספירת דופק בתוספת גילוי דופק חלקי.
מתמרים קיבוליים מודדים שינויים בקיבול, שיכולים להתרחש כאשר המרחק בין שתי צלחות מוליכות משתנה עם העקירה. עיקרון זה משמש לרוב בחיישני לחץ ועקירה, ומייצר מדידה אנלוגית שניתן להשתמש בה ישירות או להמיר באמצעות ממיר אנלוגי לדיגיטלי (ATOD).
מתמרים פיזואלקטריים מייצרים מטען חשמלי כאשר מיושמים לחץ מכני. זה אידיאלי ליישומים שבהם יש לאתר רטט, לחץ או גלי קול כאשר תדר האות גבוה יחסית והעקירות המעורבות הן קטנות. מתמרים של פיזו יכולים להיות רגישים ביותר ונפוצים במכשירים מדעיים ומדידות צליל/רטט של דיוק גבוה.
צמד תרמי מסתמך על האפקט התרמו -אלקטרי, בו נוצר מתח בגלל הפרשי טמפרטורה בין שני מוליכי חוט מתכת שונים, כאשר הצומת מספק נקודת גילוי ממוקמת במדויק.
עתיד המתמרים
עם התקדמות ההתפתחות הטכנולוגית, מתמרים גברו בהתמדה במורכבות, דיוק ועדינות. סביר לצפות שהם יהפכו מדויקים עוד יותר, קטנים יותר ויעילים באנרגיה, כמו גם יגדלו במגוון הגילויים.
האינטרנט של הדברים (IoT), מכשירים לבישים וייצור חכם מניעים את הביקוש לטכנולוגיות מתמר מתקדמות, קטנות יותר ואמינות יותר. התקדמות בטכנולוגיית MEMS (מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות) מובילות גם לפיתוח כיתות חדשות של מתמרים מיניאטוריים שניתן לשלב במכשירים ניידים יותר ויותר כוח.
השימוש במתמרים אלחוטיים, מבטל את הצורך בחיבורים פיזיים בין החיישן למערכת עיבוד הנתונים שימושי במיוחד בסביבות מרוחקות או מסוכנות בהן חיבורים קוויים עשויים להיות לא מעשיים. האפשרויות הזמינות באזור זה ממשיכות להתרחב.
מַסְקָנָה
מתמרים הם מרכז הבמה בתחומי טכנולוגיה רבים, וממיר את העולם הפיזי המורכב והדינמי לנתונים אמינים וניתנים לפעולה. המרת כמויות פיזיות כמו לחץ, טמפרטורה, אור, רטט, שדות מגנטיים, רמות מזהמים ותנועה לאותות חשמליים, מתמרים מאפשרים ניטור, שליטה ואוטומציה של תהליכים בכל המגזרים. הזדמנויות וטכנולוגיות מתמר לא צפויות לצמצם, ככל שהטכנולוגיות הופכות להיות מדויקות יותר ואינטגרליות יותר לפעילויות חברתיות ומסחריות.
הבנת העקרונות והמתודולוגיות העומדות בבסיס יישומים של מתמרים היא מיומנות מרכזית עבור כל מי המעורב בהנדסה, ייצור, בריאות ואלקטרוניקה. ההבנה והפרשנות של העולם האמיתי היא הדאגה העיקרית בכל יישומי האוטומציה ותחום הידע הזה ממשיך להתרחב ולהגדיל בתועלת.