ویژگی های دینامیکی مبدل ها (ترانسدیوسر)-(اصول و مبانی ابزار دقیق بخش ۳)

به پاسخ و رفتار مبدل به تغییرات ورودی ویژگی های دینامیکی مبدل یا ترانسدیوسر نامیده میشود به عبارتی دیگر هنگام استفاده از مبدل­ ها، هدف اين است كه تغييرات در ورودي حس شده و به سيستم كنترل كننده اعلام گردد. ویژگی ديناميكی مبدل ­ها را می­ توان با استفاده از ورودي پله و يا سينوسي محاسبه کرد به ندرت اتفاق مي‌افتد كه مبدلي در حالت ايستا مورد استفاده قرار بگيرد. تمامي ویژگی هایی كه در بخش ­های قبل مورد بررسی قرار گرفت، ویژگی‌هاي استاتيكي مبدل­ ها بودند و براي به دست آوردن آن مي‌بايستي اطلاعات خروجي مبدل ­ها بعد از عبور از حالت گذرا و رسيدن مرحله پايداري كامل، محاسبه شود. در غير اين صورت اطلاعات به دست آمده غلط و نتايج ویژگی های استاتيكي، کاربردی نخواهند بود.

در صورتی که میخواهید بدانید ترانسدیوسر چیست، با کاربرد و انواع آن بیشتر آشنا شوید اینجا را کلیک کنید.

تعیین ویژگی های دینامیکی مبدل با استفاده از ورودی پله

با استفاده از ورودي پله و بررسی پاسخ مبدل ویژگی ‌هاي زير به دست مي‌آيند.

•  سرعت پاسخ مبدل به تغييرات كمي (Rise Time)
• ثابت زماني (Time Constant)
• زمان مرده (Dead Time) 
• ضريب ميرايي (Damping Coefficient)
• فركانس رزونانس (Resonant Frequency)
• زمان نشست (Settling Time)
• درصد بالازدگي (Overshoot Percentage)

حال به بررسی و تاثیر هر یک از موارد بالا می پردازیم:

1. سرعت پاسخ مبدل به تغييرات كمي (Rise Time)

سرعت پاسخ مبدل، مدت زماني است كه خروجي آن از 10% به 90% مقدار نهايي برسد.

خدمات نیکسا: مشاوره، نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی نیکسا

2. ثابت زمانی (Time Constant)

ثابت زماني اساساً براي مبدل ­هاي مرتبه اول کاربرد دارد و آن مدت زماني است كه خروجي به 2/63% مقدار نهايي خود مي‌رسد.

بعد از گذشت 3 ثابت زماني تا حد 95% مقدار نهايي خواهد رسيد، بعد از گذشت 4 ثابت زماني تا حد 98% مقدار نهايي و بعد از گذشت 5 ثابت زماني تا حد 9/99% مقدار نهايي می رسد که در این حالت مي ­توان پاسخ را كامل شده فرض کرد، چون پس از اين مدت زمان، به مقدار نهايي خود مي‌رسد.

3. زمان مرده (Dead Time)

مدت زماني است كه بعد از اعمال ورودي پله، زمان لازم است تا خروجي شروع به تغيير ‌كند.

4. ضريب ميرايي (Damping Coefficient) و فركانس رزونانس (Resonant frequency)

براي مبدل ­هاي مرتبه دوم، ضريب ميرايي ξ و فركانس رزونانس ωn از پارامترهاي مهم ویژگی ديناميكي محسوب می شود. برای مقادیر مختلف ضریب میرایی بزرگ تر، مساوی یا کوچک تر از یک، خروجی مبدل، رفتارهای گوناگونی از خود نشان می­ دهد:

• فرا ميرايي (Over Damped) به ازای مقادیر 1<ξ
• ميرايي بحراني (Critically Damped) به ازای مقادیر 1=ξ
• فروميرايي (Under Damped) به ازای مقادیر 1<ξ

5. درصد بالازدگي (Overshoot Percentage)

بالازدگی (Overshoot) در مبدل­ های فروميرا (Under Damped) رخ می ­دهد. درصد بالازدگی، مقدار اولین ماکزیمم، نسبت به مقدار نهایی است.

6. زمان نشست (Settling Time)

این زمان مشخص مي‌كند كه بعد از چه مدت زمانی، تغییرات خروجی مبدل در محدوده باند 2% يا 5% مقدار نهایی مي­ رسد.

تعیین ویژگی های دینامیکی مبدل با استفاده از ورودی سینوسی

با استفاده از ورودي سينوسي مي­ توان پاسخ فركانس و رفتار مبدل را در فركانس ­هاي مختلف به دست آورده، هم چنین، فركانس قطع بالا را مشخص نمود. “منحني‌هاي پاسخ فركانسي” و “فركانس قطع بالا”، ویژگی‌هايي هستند كه پاسخ مبدل را به يك ورودي موج سينوسي تبدیل می کنند.

براي يك مبدل تقريباً خطي، خروجي نيز سينوسي است. وقتي كه فركانس ورودي افزایش می یابد، انتظار اين است كه مبدل نیز به همان سرعت به ورودي پاسخ دهد، اما به فركانسي خواهد رسيد كه ديگر نمي­ تواند با همان سرعت اولیه به ورودي پاسخ دهد. در نتيجه دامنه خروجي با افزايش فركانس، كوچك تر مي ­شود. منحنی پاسخ فرکانسی در واقع ترسیم بهره مبدل (نسبت خروجي به ورودي) نسبت به تغییر فرکانس می­ باشد. گرچه عموماً مقدار بهره به صورت دسیبل و به فرم زیر محاسبه می شود:

محور افقي نيز بايد لگاريتمي باشد و نه خطي. كه اجاز بدهد بازه فركانسي بيش تري رسم گردد. فركانس قطع بالا (fh) فركانسي است كه بهره مبدل به رقم 0.707 می رسد. اگر محور عمودي بر واحد دسيبل باشد، (fh) در 3dB- اتفاق مي‌افتد.

به عنوان مثال، فركانس قطع بالاي مبدلی كه پاسخ فركانسي آن در شكل زير رسم شده است 2 كيلو هرتز مي ­باشد:

لازم به ذکر است که گاهی اوقات نمي­ توان ورودي سينوسي بر يك سيستم يا مبدل اعمال نمود و بايد فركانس قطع بالا را با روش ديگری محاسبه کرد. فركانس قطع بالا و زمان صعود، توسط رابطه زير به يكديگر تبديل مي­ شوند (و بالعكس):

وقتي كه اندازه گيري مشخصه گذرای يك سنسور، دشوار باشد با استفاده از فركانس قطع بالا كه به طور معمول، توسط كارخانه سازنده اعلام می شود، مي­ توان سرعت پاسخ سنسور را نیز با استفاده از اين رابطه به دست آورد.

سخن پایانی

در این مقاله سعی کردیم ویژگی‌های دینامیکی مبدل ها نسبت به ورودی پله و ورودی سینوسی مانند ثابت زمانی، ضریب میرایی، فرکانس رزونانس و … را با ارائه تصاویری خدمتتان شرح دهیم در مقاله قبلی ویژگی های استاتیکی میدل و سنسورها تحت عنوان ویژگی تجهیزات اندازه گیری شرح داده شده است. این مقاله بر گرفته از کتاب Industrial Control Electronics نوشته مایکل جاکوب است با مراجعه به بخش اصول و مبانی ابزار دقیق در مقالات سایت می توانید مقالات بیشتری را با محوریت این کتاب مطالعه نمایید.