Condicionador de sinal IPC707 244-707-000-012

O IPC707 é um condicionador de sinal de alto desempenho e altamente configurável da linha de produtos VM, projetado especificamente para uso com sensores piezoelétricos. Sua principal função é converter a saída de carga dos sensores piezoelétricos em sinais padrão de corrente ou tensão, tornando-o adequado para sistemas de medição de vibração e pressão, particularmente em aplicações de monitoramento de segurança industrial e monitoramento de condições. O IPC707 não só oferece excelentes capacidades de processamento de sinais, mas também suporta diversas funções de filtragem e diagnóstico, atendendo a requisitos de alta confiabilidade em ambientes industriais complexos. Como um substituto atualizado para o modelo IPC704, o IPC707 demonstra melhorias significativas em desempenho, funcionalidade e segurança.

Principais diferenças entre IPC707 e IPC704

¹ Nota: a conversão de dB/oitava para dB/década é aproximada para comparação.

Principais recursos e características

1 ampla compatibilidade de sensores

O IPC707 foi projetado para uso com acelerômetros piezoelétricos da série CAxxx e sensores de pressão dinâmica da série CPxxx, além de ser compatível com outros sensores piezoelétricos com características de saída diferenciais (simétricas). Ele pode fazer interface com sensores isolados e aterrados. Embora semelhante ao IPC704 neste aspecto, o IPC707 possui requisitos mais específicos e rigorosos para características elétricas de entrada, especialmente ao utilizar suas funções de diagnóstico.

2 Configuração flexível da função de transferência

• pC para μA: Adequado para transmissão de sinal de corrente de longa distância (sistema de 2 fios)

• pC para mV: Adequado para transmissão de sinal de tensão de curta distância (sistema de 3 fios)

• Integrador opcional: Converte sinais de aceleração em sinais de velocidade, expandindo o escopo da aplicação

O IPC707 oferece uma faixa mais ampla de sensibilidade de transferência (sem integrador: 0,1 a 110 μA/pC ou mV/pC; com integrador: 981 a 98.100 μA/pC·s ou mV/pC·s) e oferece mais opções de valores padrão em comparação com o IPC704 (material padrão: 0,1 a 10; material GaPO₄: 0,1 a 50).

3 filtros configuráveis

• Filtro passa-alta (HP): filtro Butterworth de 3ª ordem com frequências de corte selecionáveis ​​de 0,5 Hz a 20 Hz (mínimo 1 Hz quando o diagnóstico está ativado), inclinação ~60 dB/década

• Filtro passa-baixa (LP): filtro Butterworth de 3ª ordem com frequências de corte selecionáveis ​​de 200 Hz a 20 kHz, inclinação ~60 dB/década

Os filtros podem ser configurados independentemente da função de transferência, permitindo aos usuários personalizá-los de acordo com as necessidades reais. Comparado ao IPC704 (HP como 4ª ordem 24 dB/oitava, LP como 2ª ordem 12 dB/oitava), o IPC707 apresenta filtros de ordem superior com características de roll-off mais acentuadas para melhor desempenho de filtragem.

4 Função de diagnóstico integrada (BITE) - Novo recurso principal do IPC707

• Monitora continuamente o status dos sensores, cabos e do próprio condicionador

• Indica o status do sistema através dos valores de polarização CC dos sinais de saída:

• Saída de corrente: Normal a 13 mA, falha do sensor/cabo a 11 mA, falha do condicionador a 10 mA

• Saída de tensão: Normal em 8 V, falha no sensor/cabo em 6 V, falha no condicionador em 5 V

• Esta funcionalidade torna o IPC707 adequado para sistemas de segurança funcional, em conformidade com os padrões IEC 61508 SIL 2 e ISO 13849 PL c Cat 1. Esta é uma funcionalidade chave ausente no IPC704 e representa uma das principais vantagens do IPC707.

5 adequação para ambientes perigosos

• Disponível em várias versões certificadas à prova de explosão, incluindo:

• Ex ia: Intrinsecamente seguro, adequado para Zona 0/1/2

• Ex ec/Ex nA: Maior segurança/anti-faísca, adequado para Zona 2

• As certificações abrangem diversas regiões, incluindo Europa (ATEX), Internacional (IECEx), América do Norte (cCSAus), Coreia do Sul, Reino Unido, Rússia, Brasil e China. Embora o IPC704 também ofereça versões à prova de explosão (Ex ib, Ex nA), o sistema de certificação do IPC707 é mais abrangente e atualizado, cobrindo mais regiões e a Zona 0 mais rigorosa.

6 Projeto Mecânico e de Instalação

• Carcaça em alumínio moldado por injeção com grau de proteção IP40 (para uso interno). O nível de proteção pode ser melhorado usando carcaças industriais ABA17x.

• Suporta montagem com parafuso ou montagem em trilho DIN (adaptador MA130 opcional, compatível com IPC704).

• Conectores de terminal de parafuso removíveis (4 contatos de entrada/4 saídas cada) facilitam a instalação e a manutenção. O IPC704 possui 3 terminais de parafuso fixos.

7 características elétricas

• Tensão de alimentação: 18–30 VCC, normalmente 24 VCC

• Consumo de energia: Máx. 20 mA (IPC704: 25 mA)

• Faixa dinâmica de entrada: Até 50.000 pC (<10 kHz), um pouco mais conservador que os 100.000 pC do IPC704, mas otimizado para altas frequências (10-20kHz) a 25.000 pC.

• Sinais de saída:

• Saída de corrente: pico de ±5 mA, impedância >60 kΩ, corrente quiescente 12 ou 13 mA (com diagnóstico)

• Saída de tensão: pico de ±5 V, impedância <500 Ω, tensão quiescente 7,0 ou 8,0 V (com diagnóstico)

Princípio de funcionamento detalhado

A principal função do IPC707 é converter o sinal de carga de alta impedância gerado por sensores piezoelétricos em sinais de tensão ou corrente de baixa impedância, condicionando-os para transmissão de longa distância para sistemas de monitoramento. Seu processamento de sinal segue uma cadeia eletrônica precisa:

1. Proteção de entrada e filtragem RFI:
Os sinais do sensor são transmitidos através de cabos para a entrada do IPC707. Primeiro, o sinal passa por um filtro RFI de rede LC simétrico. Este filtro suprime efetivamente a interferência externa de radiofrequência (RFI) e a interferência eletromagnética (EMI), garantindo uma alta relação sinal-ruído para circuitos subsequentes e evitando que ruídos de alta frequência contaminem o sinal de carga fraco. Isto é crucial para medições confiáveis ​​em ambientes industriais.

2. Amplificador de carga diferencial:
O sinal filtrado é alimentado em um amplificador de carga diferencial (simétrico). Esta é a primeira etapa de conversão de chave no condicionamento de sinal. A função principal do amplificador de carga é converter linearmente o sinal de carga (em picocoulombs, pC) produzido pelo sensor piezoelétrico em um sinal de tensão de baixa impedância. O design diferencial fornece excelente taxa de rejeição de modo comum (CMRR), suprimindo efetivamente o ruído de modo comum (por exemplo, interferência de loop de terra) introduzido nas duas linhas de sinal durante a transmissão, melhorando significativamente a qualidade do sinal.

3. Condicionamento e Filtragem de Sinais:
O sinal de tensão do amplificador de carga entra então no estágio de filtragem configurável.

• Filtro passa-alta (HPF): Este é um filtro passa-alta Butterworth de 3ª ordem usado para remover ruído de baixa frequência e componentes indesejados de deslocamento DC do sinal. Sua frequência de corte é configurável de 0,5 Hz a 110 Hz. Isto é muito eficaz para isolar desvios lentos causados ​​pela vibração da base ou mudanças de temperatura, garantindo que o sinal de saída contenha apenas componentes de medição CA válidos.

• Integrador Opcional: Se a aplicação exigir medição de velocidade em vez de aceleração, um circuito integrador poderá ser habilitado. O integrador integra matematicamente o sinal de aceleração (tensão proporcional à aceleração), emitindo um sinal de tensão proporcional à velocidade.

• Filtro passa-baixa (LPF): Em seguida, vem um filtro passa-baixa Butterworth de 3ª ordem usado para filtrar ruído de alta frequência no sinal e fornecer anti-aliasing. Sua frequência de corte é configurável de 200 Hz a 20.000 Hz. Isso garante que a largura de banda do sinal de saída seja limitada à faixa de frequência de interesse, esteja em conformidade com o teorema de amostragem de Nyquist e prepare o sinal para processamento digital subsequente.

4. Amplificação e Configuração do Estágio de Saída:
O sinal filtrado é enviado para um estágio de amplificação configurável, onde seu ganho é ajustado de acordo com a sensibilidade de transferência selecionada pelo usuário. Finalmente, o sinal entra no estágio de saída configurável:

• Modo de saída de corrente (2 fios): O estágio de saída converte o sinal de tensão em um sinal de corrente variável dinamicamente (CA) sobreposto a uma polarização estática de corrente contínua (CC). A faixa de corrente dinâmica é de pico de ±5 mA e a polarização estática é normalmente de 12 mA. Quando os diagnósticos estão habilitados, esta polarização estática é modulada para 13 mA (normal), 11 mA (falha no sensor/cabo) ou 10 mA (falha no condicionador). Este método de transmissão atual é ideal para transmissão de longa distância (até 1 km), pois é insensível à resistência do cabo e possui fortes capacidades anti-interferência.

• Modo de saída de tensão (3 fios): O estágio de saída fornece diretamente um sinal de tensão variável dinamicamente (CA) sobreposto a uma tensão de polarização estática de corrente contínua (CC). A faixa de tensão dinâmica é de pico de ±5 V e a polarização estática é normalmente de 7,0 V. Com o diagnóstico ativado, essa polarização estática é modulada para 8,0 V (normal), 6,0 V (falha no sensor/cabo) ou 5,0 V (falha no condicionador). A transmissão de tensão é adequada para aplicações de distâncias mais curtas.

5. Proteção e filtragem de saída:
Antes de o sinal ser finalmente emitido, ele passa por outro filtro RFI de rede LC simétrico, fornecendo proteção final para o sinal de saída e evitando que interferências externas afetem a integridade do sinal através do cabo de saída.

6. Princípio da Função de Diagnóstico (BITE):
A função de diagnóstico do IPC707 é um grande destaque. Seu circuito de diagnóstico monitora continuamente as características elétricas de toda a cadeia de medição:

• Monitoramento de sensores e cabos: Monitora a resistência de isolamento na entrada (deve ser >20 kΩ), a capacitância do cabo (deve ser <15 nF), a resistência em série do cabo (diferentes limites com base no valor da capacitância) e a resistência da conexão da blindagem (deve ser <100 mΩ).

• Indicação de falha: Quando qualquer parâmetro excede a faixa predefinida, o circuito de diagnóstico não interrompe o sinal de medição, mas indica o tipo de falha alterando o componente de polarização CC do sinal de saída. O sistema de monitoramento upstream (por exemplo, VM600) pode determinar remota e automaticamente o status de integridade da cadeia de medição monitorando continuamente esse componente CC, emitindo alarmes oportunos, permitindo assim a manutenção preditiva e atendendo aos requisitos de segurança funcional.

7. Gerenciamento de energia:
Todo o circuito é alimentado por uma fonte de alimentação externa de 18 a 30 VCC, com circuitos internos estabilizando-o para a tensão operacional necessária. Em aplicações relacionadas à segurança, a fonte de alimentação deve ter isolamento seguro e limite de tensão de 40 VCC.

Áreas de aplicação

• Sistemas de monitoramento de vibração: Para medição de vibração e proteção de máquinas rotativas (por exemplo, turbinas, compressores, bombas).

• Sistemas de monitoramento de pressão: Adequados para medição de pressão dinâmica, como pressão de combustão, pulsos hidráulicos.

• Sistemas de Segurança Funcional: Graças às suas funções de diagnóstico, o IPC707 pode ser utilizado em malhas de controle relacionadas à segurança, atendendo aos padrões SIL 2 e PL c. Esta é uma aplicação que o IPC704 não pode atender diretamente.

• Monitoramento de condições e manutenção preditiva: aumenta a confiabilidade do sistema e a eficiência da manutenção por meio de diagnósticos em tempo real.