IPC707 244-707-000-012 Signalaufbereiter

Der IPC707 ist ein leistungsstarker, hochkonfigurierbarer Signalaufbereiter aus der VM-Produktlinie, der speziell für den Einsatz mit piezoelektrischen Sensoren entwickelt wurde. Seine Hauptfunktion besteht darin, die von piezoelektrischen Sensoren ausgegebene Ladung in Standardstrom- oder Spannungssignale umzuwandeln, wodurch es sich für Vibrations- und Druckmesssysteme eignet, insbesondere bei industriellen Sicherheitsüberwachungs- und Zustandsüberwachungsanwendungen. Der IPC707 bietet nicht nur hervorragende Signalverarbeitungsfähigkeiten, sondern unterstützt auch verschiedene Filter- und Diagnosefunktionen und erfüllt so hohe Zuverlässigkeitsanforderungen in komplexen Industrieumgebungen. Als aktualisierter Ersatz für das IPC704-Modell weist der IPC707 erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Leistung, Funktionalität und Sicherheit auf.

Hauptunterschiede zwischen IPC707 und IPC704

¹ Hinweis: Die Umrechnung von dB/Oktave in dB/Dekade dient dem Vergleich.

Hauptmerkmale und Eigenschaften

1 Umfangreiche Sensorkompatibilität

Der IPC707 ist für den Einsatz mit piezoelektrischen Beschleunigungsmessern der CAxxx-Serie und dynamischen Drucksensoren der CPxxx-Serie konzipiert und gleichzeitig mit anderen piezoelektrischen Sensoren mit differenziellen (symmetrischen) Ausgangseigenschaften kompatibel. Es kann sowohl mit gehäusegeerdeten als auch mit isolierten Sensoren verbunden werden. Obwohl der IPC707 in dieser Hinsicht dem IPC704 ähnelt, stellt er spezifischere und strengere Anforderungen an die elektrischen Eingangseigenschaften, insbesondere bei der Nutzung seiner Diagnosefunktionen.

2 Flexible Übertragungsfunktionskonfiguration

• pC zu μA: Geeignet für Stromsignalübertragung über große Entfernungen (2-Leiter-System)

• pC zu mV: Geeignet für die Übertragung von Spannungssignalen über kurze Distanzen (3-Leiter-System)

• Optionaler Integrator: Wandelt Beschleunigungssignale in Geschwindigkeitssignale um und erweitert so den Anwendungsbereich

Der IPC707 bietet einen größeren Bereich der Übertragungsempfindlichkeit (ohne Integrator: 0,1 bis 110 μA/pC oder mV/pC; mit Integrator: 981 bis 98.100 μA/pC·s oder mV/pC·s) und bietet mehr Standardwertoptionen im Vergleich zum IPC704 (Standardmaterial: 0,1 bis 10; GaPO₄-Material: 0,1 bis 50).

3 konfigurierbare Filter

• Hochpassfilter (HP): Butterworth-Filter 3. Ordnung mit wählbaren Grenzfrequenzen von 0,5 Hz bis 20 Hz (mindestens 1 Hz bei aktivierter Diagnose), Steigung ~60 dB/Dekade

• Tiefpassfilter (LP): Butterworth-Filter 3. Ordnung mit wählbaren Grenzfrequenzen von 200 Hz bis 20 kHz, Flankensteilheit ~60 dB/Dekade

Die Filter können unabhängig von der Übertragungsfunktion konfiguriert werden, sodass Benutzer sie entsprechend den tatsächlichen Bedürfnissen anpassen können. Im Vergleich zum IPC704 (HP als 4. Ordnung 24 dB/Oktave, LP als 2. Ordnung 12 dB/Oktave) verfügt der IPC707 über Filter höherer Ordnung mit steilerem Roll-Off-Charakteristik für eine verbesserte Filterleistung.

4 Integrierte Diagnosefunktion (BITE) – Neue Kernfunktion des IPC707

• Überwacht kontinuierlich den Status von Sensoren, Kabeln und der Klimaanlage selbst

• Zeigt den Systemstatus durch DC-Vorspannungswerte der Ausgangssignale an:

• Stromausgang: Normal bei 13 mA, Sensor-/Kabelfehler bei 11 mA, Conditioner-Fehler bei 10 mA

• Spannungsausgang: Normal bei 8 V, Sensor-/Kabelfehler bei 6 V, Klimaanlagenfehler bei 5 V

• Durch diese Funktionalität eignet sich der IPC707 für funktionale Sicherheitssysteme und entspricht den Normen IEC 61508 SIL 2 und ISO 13849 PL c Cat 1. Dies ist eine Schlüsselfunktion, die beim IPC704 fehlt und einen der Hauptvorteile des IPC707 darstellt.

5 Eignung für gefährliche Umgebungen

• Erhältlich in verschiedenen explosionsgeschützten zertifizierten Versionen, darunter:

• Ex ia: Eigensicher, geeignet für Zone 0/1/2

• Ex ec/Ex nA: Erhöhte Sicherheit/nicht funkend, geeignet für Zone 2

• Die Zertifizierungen decken mehrere Regionen ab, darunter Europa (ATEX), International (IECEx), Nordamerika (cCSAus), Südkorea, Großbritannien, Russland, Brasilien und China. Während der IPC704 auch explosionsgeschützte Versionen (Ex ib, Ex nA) bietet, ist das Zertifizierungssystem des IPC707 umfassender und aktueller und deckt mehr Regionen und die strengere Zone 0 ab.

6 Mechanisches und Installationsdesign

• Gehäuse aus spritzgegossenem Aluminium mit Schutzart IP40 (für den Innenbereich). Mit ABA17x-Industriegehäusen kann der Schutzgrad erhöht werden.

• Unterstützt Schraubmontage oder DIN-Schienenmontage (optionaler MA130-Adapter, kompatibel mit IPC704).

• Abnehmbare Schraubklemmenanschlüsse (jeweils 4 Eingangs-/4 Ausgangskontakte) erleichtern die Installation und Wartung. Der IPC704 verfügt über 3 feste Schraubklemmen.

7 Elektrische Eigenschaften

• Versorgungsspannung: 18–30 VDC, typischerweise 24 VDC

• Stromverbrauch: max. 20 mA (IPC704: 25 mA)

• Eingangsdynamikbereich: Bis zu 50.000 pC (<10 kHz), etwas konservativer als die 100.000 pC des IPC704, aber optimiert für hohe Frequenzen (10–20 kHz) bei 25.000 pC.

• Ausgangssignale:

• Stromausgang: ±5 mA Spitze, Impedanz >60 kΩ, Ruhestrom 12 oder 13 mA (mit Diagnose)

• Spannungsausgang: ±5 V Spitze, Impedanz <500 Ω, Ruhespannung 7,0 oder 8,0 V (mit Diagnose)

Detailliertes Funktionsprinzip

Die Kernfunktion des IPC707 besteht darin, das von piezoelektrischen Sensoren erzeugte hochohmige Ladungssignal in niederohmige Spannungs- oder Stromsignale umzuwandeln und diese für die Übertragung über große Entfernungen an Überwachungssysteme aufzubereiten. Seine Signalverarbeitung folgt einer präzisen elektronischen Kette:

1. Eingangsschutz und RFI-Filterung:
Sensorsignale werden über Kabel an den Eingang des IPC707 übertragen. Zunächst durchläuft das Signal einen symmetrischen LC-Netzwerk-RFI-Filter. Dieser Filter unterdrückt wirksam externe Hochfrequenzstörungen (RFI) und elektromagnetische Störungen (EMI), sorgt für ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis für nachfolgende Schaltkreise und verhindert, dass hochfrequentes Rauschen das schwache Ladesignal verunreinigt. Dies ist entscheidend für zuverlässige Messungen im industriellen Umfeld.

2. Differenzladungsverstärker:
Das gefilterte Signal wird in einen differenziellen (symmetrischen) Ladungsverstärker eingespeist. Dies ist der erste wichtige Umwandlungsschritt bei der Signalkonditionierung. Die Kernfunktion des Ladungsverstärkers besteht darin, das vom piezoelektrischen Sensor erzeugte Ladungssignal (in Picocoulomb, pC) linear in ein niederohmiges Spannungssignal umzuwandeln. Das differenzielle Design bietet ein hervorragendes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR), wodurch Gleichtaktrauschen (z. B. Erdschleifenstörungen), das während der Übertragung in die beiden Signalleitungen eindringt, wirksam unterdrückt wird, wodurch die Signalqualität erheblich verbessert wird.

3. Signalkonditionierung und Filterung:
Das Spannungssignal vom Ladungsverstärker gelangt dann in die konfigurierbare Filterstufe.

• Hochpassfilter (HPF): Dies ist ein Butterworth-Hochpassfilter 3. Ordnung, der verwendet wird, um niederfrequentes Rauschen und unerwünschte DC-Offset-Komponenten aus dem Signal zu entfernen. Seine Grenzfrequenz ist von 0,5 Hz bis 110 Hz konfigurierbar. Dies ist sehr effektiv, um langsame Drifts zu isolieren, die durch Bodenvibrationen oder Temperaturänderungen verursacht werden, und stellt sicher, dass das Ausgangssignal nur gültige AC-Messkomponenten enthält.

• Optionaler Integrator: Wenn die Anwendung die Messung der Geschwindigkeit anstelle der Beschleunigung erfordert, kann eine Integratorschaltung aktiviert werden. Der Integrator integriert mathematisch das Beschleunigungssignal (Spannung proportional zur Beschleunigung) und gibt ein Spannungssignal proportional zur Geschwindigkeit aus.

• Tiefpassfilter (LPF): Darauf folgt ein Butterworth-Tiefpassfilter 3. Ordnung, der hochfrequentes Rauschen im Signal herausfiltert und für Anti-Aliasing sorgt. Seine Grenzfrequenz ist von 200 Hz bis 20.000 Hz konfigurierbar. Dadurch wird sichergestellt, dass die Bandbreite des Ausgangssignals auf den interessierenden Frequenzbereich begrenzt ist, das Nyquist-Abtasttheorem eingehalten wird und das Signal für die anschließende digitale Verarbeitung vorbereitet wird.

4. Verstärkung und Konfiguration der Ausgangsstufe:
Das gefilterte Signal wird an eine konfigurierbare Verstärkungsstufe gesendet, wo seine Verstärkung entsprechend der vom Benutzer ausgewählten Übertragungsempfindlichkeit eingestellt wird. Schließlich gelangt das Signal in die konfigurierbare Ausgangsstufe:

• Stromausgangsmodus (2-Draht): Die Ausgangsstufe wandelt das Spannungssignal in ein dynamisch variierendes (AC) Stromsignal um, dem eine statische Gleichstromvorspannung (DC) überlagert ist. Der dynamische Strombereich beträgt ±5 mA Spitze und die statische Vorspannung beträgt typischerweise 12 mA. Wenn die Diagnose aktiviert ist, wird diese statische Vorspannung auf 13 mA (normal), 11 mA (Sensor-/Kabelfehler) oder 10 mA (Konditionierungsfehler) moduliert. Diese Stromübertragungsmethode ist ideal für die Übertragung über große Entfernungen (bis zu 1 km), da sie unempfindlich gegenüber Kabelwiderständen ist und über starke Entstörungsfähigkeiten verfügt.

• Spannungsausgangsmodus (3-Draht): Die Ausgangsstufe liefert direkt ein dynamisch variierendes (AC) Spannungssignal, das einer statischen Gleichstrom(DC)-Vorspannung überlagert ist. Der dynamische Spannungsbereich beträgt ±5 V Spitze und die statische Vorspannung beträgt typischerweise 7,0 V. Bei aktivierter Diagnose wird diese statische Vorspannung auf 8,0 V (normal), 6,0 V (Sensor-/Kabelfehler) oder 5,0 V (Konditionierungsfehler) moduliert. Für Anwendungen über kürzere Distanzen eignet sich die Spannungsübertragung.

5. Ausgangsschutz und Filterung:
Bevor das Signal endgültig ausgegeben wird, durchläuft es einen weiteren symmetrischen LC-Netzwerk-RFI-Filter, der das Ausgangssignal endgültig schützt und verhindert, dass externe Störungen die Signalintegrität über das Ausgangskabel beeinträchtigen.

6. Prinzip der Diagnosefunktion (BITE):
Ein besonderes Highlight ist die Diagnosefunktion des IPC707. Seine Diagnoseschaltung überwacht kontinuierlich die elektrischen Eigenschaften der gesamten Messkette:

• Sensor- und Kabelüberwachung: Sie überwacht den Isolationswiderstand am Eingang (muss >20 kΩ sein), die Kabelkapazität (muss <15 nF sein), den Kabelserienwiderstand (unterschiedliche Grenzwerte je nach Kapazitätswert) und den Schirmverbindungswiderstand (muss <100 mΩ sein).

• Fehleranzeige: Wenn ein Parameter den voreingestellten Bereich überschreitet, unterbricht die Diagnoseschaltung das Messsignal nicht, sondern zeigt den Fehlertyp an, indem sie die DC-Vorspannungskomponente des Ausgangssignals ändert. Das vorgeschaltete Überwachungssystem (z. B. VM600) kann den Gesundheitszustand der Messkette aus der Ferne und automatisch ermitteln, indem es diese DC-Komponente kontinuierlich überwacht, rechtzeitig Alarme ausgibt und so eine vorausschauende Wartung ermöglicht und funktionale Sicherheitsanforderungen erfüllt.

7. Energieverwaltung:
Der gesamte Schaltkreis wird von einem externen 18-30-V-Gleichstromnetzteil mit Strom versorgt und durch interne Schaltkreise auf die erforderliche Betriebsspannung stabilisiert. In sicherheitsrelevanten Anwendungen ist eine sichere Trennung der Stromversorgung und eine Spannungsbegrenzung von 40 VDC erforderlich.

Anwendungsbereiche

• Schwingungsüberwachungssysteme: Zur Schwingungsmessung und zum Schutz rotierender Maschinen (z. B. Turbinen, Kompressoren, Pumpen).

• Drucküberwachungssysteme: Geeignet zur dynamischen Druckmessung, z. B. Verbrennungsdruck, hydraulische Impulse.

• Funktionale Sicherheitssysteme: Dank seiner Diagnosefunktionen kann der IPC707 in sicherheitsrelevanten Regelkreisen gemäß den Standards SIL 2 und PL c eingesetzt werden. Dies ist eine Anwendung, die der IPC704 nicht direkt erfüllen kann.

• Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung: Verbessert die Systemzuverlässigkeit und Wartungseffizienz durch Echtzeitdiagnose.