Conditionneur de signal IPC707 244-707-000-012

L'IPC707 est un conditionneur de signal hautes performances et hautement configurable de la gamme de produits VM, spécialement conçu pour être utilisé avec des capteurs piézoélectriques. Sa fonction principale est de convertir la sortie de charge des capteurs piézoélectriques en signaux de courant ou de tension standard, ce qui le rend adapté aux systèmes de mesure de vibrations et de pression, en particulier dans les applications de surveillance de la sécurité industrielle et de surveillance de l'état. L'IPC707 offre non seulement d'excellentes capacités de traitement du signal, mais prend également en charge diverses fonctions de filtrage et de diagnostic, répondant ainsi aux exigences élevées de fiabilité dans les environnements industriels complexes. En remplacement du modèle IPC704, l'IPC707 démontre des améliorations significatives en termes de performances, de fonctionnalités et de sécurité.

Principales différences entre IPC707 et IPC704

¹ Remarque : la conversion dB/octave en dB/décennie est approximative à des fins de comparaison.

Principales caractéristiques et caractéristiques

1 Compatibilité étendue des capteurs

L'IPC707 est conçu pour être utilisé avec les accéléromètres piézoélectriques de la série CAxxx et les capteurs de pression dynamique de la série CPxxx, tout en étant également compatible avec d'autres capteurs piézoélectriques présentant des caractéristiques de sortie différentielles (symétriques). Il peut s'interfacer avec des capteurs isolés ou mis à la terre. Bien que similaire à l'IPC704 à cet égard, l'IPC707 a des exigences plus spécifiques et plus strictes en matière de caractéristiques électriques d'entrée, en particulier lors de l'utilisation de ses fonctions de diagnostic.

2 Configuration flexible de la fonction de transfert

• pC vers μA : convient à la transmission de signaux de courant longue distance (système à 2 fils)

• PC vers mV : convient à la transmission de signaux de tension à courte distance (système à 3 fils)

• Intégrateur en option : convertit les signaux d'accélération en signaux de vitesse, élargissant ainsi le champ d'application

L'IPC707 offre une plage de sensibilité de transfert plus large (sans intégrateur : 0,1 à 110 μA/pC ou mV/pC ; avec intégrateur : 981 à 98 100 μA/pC·s ou mV/pC·s) et offre davantage d'options de valeurs standard par rapport à l'IPC704 (matériau standard : 0,1 à 10 ; matériau GaPO₄ : 0,1 à 50).

3 filtres configurables

• Filtre passe-haut (HP) : filtre Butterworth de 3ème ordre avec fréquences de coupure sélectionnables de 0,5 Hz à 20 Hz (minimum 1 Hz lorsque les diagnostics sont activés), pente ~ 60 dB/décennie

• Filtre passe-bas (LP) : filtre Butterworth de 3ème ordre avec fréquences de coupure sélectionnables de 200 Hz à 20 kHz, pente ~60 dB/décennie

Les filtres peuvent être configurés indépendamment de la fonction de transfert, permettant aux utilisateurs de les personnaliser en fonction des besoins réels. Comparé à l'IPC704 (HP en 4ème ordre 24 dB/octave, LP en 2ème ordre 12 dB/octave), l'IPC707 est doté de filtres d'ordre supérieur avec des caractéristiques d'atténuation plus raides pour des performances de filtrage améliorées.

4 Fonction de diagnostic intégrée (BITE) - Nouvelle fonctionnalité principale de l'IPC707

• Surveille en permanence l'état des capteurs, des câbles et du conditionneur lui-même

• Indique l'état du système via les valeurs de polarisation CC des signaux de sortie :

• Sortie courant : Normal à 13 mA, défaut capteur/câble à 11 mA, défaut conditionneur à 10 mA

• Sortie tension : Normale à 8 V, défaut capteur/câble à 6 V, défaut conditionneur à 5 V

• Cette fonctionnalité rend l'IPC707 adapté aux systèmes de sécurité fonctionnelle, conforme aux normes CEI 61508 SIL 2 et ISO 13849 PL c Cat 1. Il s'agit d'une fonctionnalité clé absente de l'IPC704 et qui représente l'un des principaux avantages de l'IPC707.

5 aptitude aux environnements dangereux

• Disponible en différentes versions certifiées antidéflagrantes, notamment :

• Ex ia : sécurité intrinsèque, adapté à la zone 0/1/2

• Ex ec/Ex nA : Sécurité accrue/anti-étincelles, adapté à la Zone 2

• Les certifications couvrent plusieurs régions, notamment l'Europe (ATEX), l'international (IECEx), l'Amérique du Nord (cCSAus), la Corée du Sud, le Royaume-Uni, la Russie, le Brésil et la Chine. Alors que l'IPC704 propose également des versions antidéflagrantes (Ex ib, Ex nA), le système de certification de l'IPC707 est plus complet et à jour, couvrant davantage de régions et la Zone 0, plus stricte.

6 Conception mécanique et d'installation

• Boîtier en aluminium moulé par injection avec indice de protection IP40 (pour usage intérieur). Le niveau de protection peut être amélioré à l'aide des boîtiers industriels ABA17x.

• Prend en charge le montage par vis ou le montage sur rail DIN (adaptateur MA130 en option, compatible avec IPC704).

• Les connecteurs à bornes à vis amovibles (4 contacts d'entrée/4 contacts de sortie chacun) facilitent l'installation et la maintenance. L'IPC704 dispose de 3 bornes à vis fixes.

7 Caractéristiques électriques

• Tension d'alimentation : 18 à 30 VCC, généralement 24 VCC

• Consommation d'énergie : Max. 20 mA (IPC704 : 25 mA)

• Plage dynamique d'entrée : jusqu'à 50 000 pC (<10 kHz), légèrement plus conservatrice que les 100 000 pC de l'IPC704, mais optimisée pour les hautes fréquences (10-20 kHz) à 25 000 pC.

• Signaux de sortie :

• Sortie courant : ±5 mA crête, impédance >60 kΩ, courant de repos 12 ou 13 mA (avec diagnostic)

• Sortie de tension : ±5 V crête, impédance <500 Ω, tension de repos 7,0 ou 8,0 V (avec diagnostics)

Principe de fonctionnement détaillé

La fonction principale de l'IPC707 est de convertir le signal de charge à haute impédance généré par les capteurs piézoélectriques en signaux de tension ou de courant à faible impédance, les conditionnant pour une transmission longue distance vers des systèmes de surveillance. Son traitement du signal suit une chaîne électronique précise :

1. Protection d'entrée et filtrage RFI :
les signaux du capteur sont transmis via des câbles à l'entrée de l'IPC707. Tout d’abord, le signal passe à travers un filtre RFI symétrique du réseau LC. Ce filtre supprime efficacement les interférences radio externes (RFI) et les interférences électromagnétiques (EMI), garantissant un rapport signal/bruit élevé pour les circuits suivants et empêchant le bruit haute fréquence de contaminer le faible signal de charge. Ceci est crucial pour une mesure fiable dans les environnements industriels.

2. Amplificateur de charge différentiel :
le signal filtré est introduit dans un amplificateur de charge différentiel (symétrique). Il s’agit de la première étape clé de conversion dans le conditionnement du signal. La fonction principale de l'amplificateur de charge est de convertir linéairement le signal de charge (en picocoulombs, pC) produit par le capteur piézoélectrique en un signal de tension à faible impédance. La conception différentielle offre un excellent taux de réjection en mode commun (CMRR), supprimant efficacement le bruit en mode commun (par exemple, interférence de boucle de masse) introduit dans les deux lignes de signal pendant la transmission, améliorant ainsi considérablement la qualité du signal.

3. Conditionnement et filtrage du signal :
Le signal de tension provenant de l'amplificateur de charge entre ensuite dans l'étage de filtrage configurable.

• Filtre passe-haut (HPF) : Il s'agit d'un filtre passe-haut Butterworth de 3ème ordre utilisé pour supprimer le bruit basse fréquence et les composants de décalage CC indésirables du signal. Sa fréquence de coupure est configurable de 0,5 Hz à 110 Hz. Ceci est très efficace pour isoler les dérives lentes causées par les vibrations de la base ou les changements de température, garantissant que le signal de sortie contient uniquement des composants de mesure CA valides.

• Intégrateur en option : si l'application nécessite de mesurer la vitesse au lieu de l'accélération, un circuit intégrateur peut être activé. L'intégrateur intègre mathématiquement le signal d'accélération (tension proportionnelle à l'accélération), produisant un signal de tension proportionnel à la vitesse.

• Filtre passe-bas (LPF) : Vient ensuite un filtre passe-bas Butterworth de 3ème ordre utilisé pour filtrer le bruit haute fréquence dans le signal et fournir un anti-aliasing. Sa fréquence de coupure est configurable de 200 Hz à 20 000 Hz. Cela garantit que la bande passante du signal de sortie est limitée à la plage de fréquences d'intérêt, est conforme au théorème d'échantillonnage de Nyquist et prépare le signal pour un traitement numérique ultérieur.

4. Amplification et configuration de l'étage de sortie :
le signal filtré est envoyé à un étage d'amplification configurable, où son gain est réglé en fonction de la sensibilité de transfert sélectionnée par l'utilisateur. Enfin, le signal entre dans l'étage de sortie configurable :

• Mode de sortie de courant (2 fils) : l'étage de sortie convertit le signal de tension en un signal de courant à variation dynamique (AC) superposé à une polarisation statique en courant continu (DC). La plage de courant dynamique est de ±5 mA en crête et la polarisation statique est généralement de 12 mA. Lorsque les diagnostics sont activés, cette polarisation statique est modulée à 13 mA (normal), 11 mA (défaut capteur/câble) ou 10 mA (défaut conditionneur). Cette méthode de transmission actuelle est idéale pour les transmissions longue distance (jusqu'à 1 km) car elle est insensible à la résistance du câble et possède de fortes capacités anti-interférences.

• Mode de sortie de tension (3 fils) : l'étage de sortie fournit directement un signal de tension à variation dynamique (AC) superposé à une tension de polarisation statique en courant continu (DC). La plage de tension dynamique est de ±5 V en crête et la polarisation statique est généralement de 7,0 V. Lorsque les diagnostics sont activés, cette polarisation statique est modulée à 8,0 V (normal), 6,0 V (défaut de capteur/câble) ou 5,0 V (défaut de conditionneur). La transmission de tension convient aux applications sur de courtes distances.

5. Protection et filtrage de sortie :
avant que le signal ne soit finalement émis, il passe à travers un autre filtre RFI symétrique du réseau LC, offrant une protection finale au signal de sortie et empêchant les interférences externes d'affecter l'intégrité du signal via le câble de sortie.

6. Principe de la fonction de diagnostic (BITE) :
La fonction de diagnostic de l'IPC707 est un point fort majeur. Son circuit de diagnostic surveille en permanence les caractéristiques électriques de toute la chaîne de mesure :

• Surveillance des capteurs et des câbles : elle surveille la résistance d'isolement à l'entrée (doit être >20 kΩ), la capacité du câble (doit être <15 nF), la résistance en série du câble (différentes limites basées sur la valeur de capacité) et la résistance de connexion du blindage (doit être <100 mΩ).

• Indication de défaut : lorsqu'un paramètre dépasse la plage prédéfinie, le circuit de diagnostic n'interrompt pas le signal de mesure mais indique le type de défaut en modifiant la composante de polarisation CC du signal de sortie. Le système de surveillance en amont (par exemple, VM600) peut déterminer à distance et automatiquement l'état de santé de la chaîne de mesure en surveillant en permanence ce composant CC, en émettant des alarmes en temps opportun, permettant ainsi une maintenance prédictive et répondant aux exigences de sécurité fonctionnelle.

7. Gestion de l'alimentation :
L'ensemble du circuit est alimenté par une alimentation externe de 18 à 30 V CC, avec des circuits internes le stabilisant à la tension de fonctionnement requise. Dans les applications liées à la sécurité, l'alimentation doit avoir une isolation sûre et une limite de tension de 40 V CC.

Domaines d'application

• Systèmes de surveillance des vibrations : pour la mesure des vibrations et la protection des machines tournantes (par exemple, turbines, compresseurs, pompes).

• Systèmes de surveillance de la pression : adaptés à la mesure de la pression dynamique, telle que la pression de combustion et les impulsions hydrauliques.

• Systèmes de sécurité fonctionnelle : Grâce à ses fonctions de diagnostic, l'IPC707 peut être utilisé dans des boucles de contrôle liées à la sécurité, conformes aux normes SIL 2 et PL c. Il s’agit d’une application que l’IPC704 ne peut pas remplir directement.

• Surveillance de l'état et maintenance prédictive : améliore la fiabilité du système et l'efficacité de la maintenance grâce à des diagnostics en temps réel.