IPC707 244-707-000-012 Signaalconditioner

De IPC707 is een krachtige, zeer configureerbare signaalconditioner uit de VM-productlijn, speciaal ontworpen voor gebruik met piëzo-elektrische sensoren. De primaire functie is het omzetten van de ladingsoutput van piëzo-elektrische sensoren in standaard stroom- of spanningssignalen, waardoor het geschikt is voor trillings- en drukmeetsystemen, met name in toepassingen voor industriële veiligheidsbewaking en conditiebewaking. De IPC707 biedt niet alleen uitstekende signaalverwerkingsmogelijkheden, maar ondersteunt ook verschillende filter- en diagnosefuncties, waardoor wordt voldaan aan hoge betrouwbaarheidseisen in complexe industriële omgevingen. Als verbeterde vervanging voor het IPC704-model vertoont de IPC707 aanzienlijke verbeteringen op het gebied van prestaties, functionaliteit en veiligheid.

Belangrijkste verschillen tussen IPC707 en IPC704

¹ Opmerking: de conversie van dB/octaaf naar dB/decade is ter vergelijking bij benadering.

Belangrijkste kenmerken en kenmerken

1 Uitgebreide sensorcompatibiliteit

De IPC707 is ontworpen voor gebruik met piëzo-elektrische versnellingsmeters uit de CAxxx-serie en dynamische druksensoren uit de CPxxx-serie, terwijl hij ook compatibel is met andere piëzo-elektrische sensoren met differentiële (symmetrische) uitgangskarakteristieken. Het kan communiceren met zowel geaarde als geïsoleerde sensoren. Hoewel de IPC707 in dit opzicht vergelijkbaar is met de IPC704, stelt hij specifiekere en strengere eisen aan de elektrische ingangskarakteristieken, vooral bij gebruik van de diagnostische functies.

2 Flexibele overdrachtsfunctieconfiguratie

• pC tot μA: geschikt voor stroomsignaaloverdracht over lange afstanden (2-draads systeem)

• pC naar mV: Geschikt voor spanningssignaaloverdracht over korte afstanden (3-draads systeem)

• Optionele integrator: zet versnellingssignalen om in snelheidssignalen, waardoor het toepassingsgebied wordt uitgebreid

De IPC707 biedt een breder bereik aan overdrachtsgevoeligheid (zonder integrator: 0,1 tot 110 μA/pC of mV/pC; met integrator: 981 tot 98.100 μA/pC·s of mV/pC·s) en biedt meer standaardwaardeopties vergeleken met de IPC704 (standaardmateriaal: 0,1 tot 10; GaPO₄-materiaal: 0,1 tot 50).

3 configureerbare filters

• Hoogdoorlaatfilter (HP): Butterworth-filter van de 3e orde met selecteerbare afsnijfrequenties van 0,5 Hz tot 20 Hz (minimaal 1 Hz wanneer diagnostiek is ingeschakeld), helling ~60 dB/decade

• Laagdoorlaatfilter (LP): Butterworth-filter van de 3e orde met selecteerbare afsnijfrequenties van 200 Hz tot 20 kHz, helling ~60 dB/decade

De filters kunnen onafhankelijk van de overdrachtsfunctie worden geconfigureerd, zodat gebruikers deze kunnen aanpassen aan de werkelijke behoeften. Vergeleken met de IPC704 (HP als 4e orde 24 dB/octaaf, LP als 2e orde 12 dB/octaaf), beschikt de IPC707 over filters van hogere orde met steilere roll-off-karakteristieken voor verbeterde filterprestaties.

4 Ingebouwde diagnostische functie (BITE) - Nieuwe kernfunctie van IPC707

• Bewaakt continu de status van sensoren, kabels en de conditioner zelf

• Geeft de systeemstatus aan via DC-biaswaarden van uitgangssignalen:

• Stroomuitgang: Normaal bij 13 mA, sensor-/kabelfout bij 11 mA, conditionerfout bij 10 mA

• Uitgangsspanning: normaal bij 8 V, sensor-/kabelfout bij 6 V, conditionerfout bij 5 V

• Deze functionaliteit maakt de IPC707 geschikt voor functionele veiligheidssystemen, die voldoen aan de normen IEC 61508 SIL 2 en ISO 13849 PL c Cat 1. Dit is een belangrijke functionaliteit die ontbreekt in de IPC704 en vertegenwoordigt een van de belangrijkste voordelen van de IPC707.

5 geschiktheid voor gevaarlijke omgevingen

• Verkrijgbaar in diverse explosieveilige gecertificeerde uitvoeringen waaronder:

• Ex ia: Intrinsiek veilig, geschikt voor Zone 0/1/2

• Ex ec/Ex nA: Verhoogde veiligheid/vonkvrij, geschikt voor Zone 2

• Certificeringen bestrijken meerdere regio's, waaronder Europa (ATEX), Internationaal (IECEx), Noord-Amerika (cCSAus), Zuid-Korea, VK, Rusland, Brazilië en China. Hoewel de IPC704 ook explosieveilige versies biedt (Ex ib, Ex nA), is het certificeringssysteem van de IPC707 uitgebreider en actueler en bestrijkt het meer regio's en de strengere Zone 0.

6 Mechanisch en installatieontwerp

• Behuizing van spuitgegoten aluminium met beschermingsgraad IP40 (voor gebruik binnenshuis). Het beschermingsniveau kan worden verbeterd met behulp van ABA17x industriële behuizingen.

• Ondersteunt schroefmontage of DIN-railmontage (optionele MA130-adapter, compatibel met IPC704).

• Verwijderbare schroefterminalconnectoren (elk 4 ingangs-/4 uitgangscontacten) vergemakkelijken installatie en onderhoud. De IPC704 heeft 3 vaste schroefklemmen.

7 Elektrische kenmerken

• Voedingsspanning: 18–30 VDC, doorgaans 24 VDC

• Stroomverbruik: Max. 20 mA (IPC704: 25 mA)

• Dynamisch ingangsbereik: tot 50.000 pC (<10 kHz), iets conservatiever dan de 100.000 pC van de IPC704, maar geoptimaliseerd voor hoge frequenties (10-20 kHz) bij 25.000 pC.

• Uitgangssignalen:

• Stroomuitgang: ±5 mA piek, impedantie >60 kΩ, ruststroom 12 of 13 mA (met diagnose)

• Spanningsuitgang: ±5 V piek, impedantie <500 Ω, rustspanning 7,0 of 8,0 V (met diagnose)

Gedetailleerd werkingsprincipe

De kernfunctie van de IPC707 is het omzetten van het door piëzo-elektrische sensoren gegenereerde laadsignaal met hoge impedantie in spannings- of stroomsignalen met lage impedantie, waardoor deze worden geconditioneerd voor transmissie over lange afstanden naar monitoringsystemen. De signaalverwerking volgt een precieze elektronische keten:

1. Ingangsbescherming en RFI-filtering:
Sensorsignalen worden via kabels naar de ingang van de IPC707 verzonden. Eerst gaat het signaal door een symmetrisch LC-netwerk RFI-filter. Dit filter onderdrukt effectief externe radiofrequentie-interferentie (RFI) en elektromagnetische interferentie (EMI), waardoor een hoge signaal-ruisverhouding voor volgende circuits wordt gegarandeerd en wordt voorkomen dat hoogfrequente ruis het zwakke ladingssignaal vervuilt. Dit is cruciaal voor betrouwbare metingen in industriële omgevingen.

2. Differentiële ladingsversterker:
Het gefilterde signaal wordt naar een differentiële (symmetrische) ladingsversterker gevoerd. Dit is de eerste sleutelconversiestap bij signaalconditionering. De kernfunctie van de ladingsversterker is het lineair omzetten van het door de piëzo-elektrische sensor geproduceerde ladingssignaal (in picocoulombs, pC) in een spanningssignaal met lage impedantie. Het differentiële ontwerp biedt een uitstekende common-mode-rejectieverhouding (CMRR), waardoor common-mode-ruis (bijvoorbeeld aardlusinterferentie) die tijdens de transmissie in de twee signaallijnen wordt geïntroduceerd, effectief wordt onderdrukt, waardoor de signaalkwaliteit aanzienlijk wordt verbeterd.

3. Signaalconditionering en filtering:
Het spanningssignaal van de ladingsversterker komt dan in de configureerbare filterfase terecht.

• Hoogdoorlaatfilter (HPF): Dit is een Butterworth hoogdoorlaatfilter van de 3e orde dat wordt gebruikt om laagfrequente ruis en ongewenste DC-offsetcomponenten uit het signaal te verwijderen. De afsnijfrequentie is configureerbaar van 0,5 Hz tot 110 Hz. Dit is zeer effectief voor het isoleren van langzame driften veroorzaakt door basistrillingen of temperatuurveranderingen, zodat het uitgangssignaal alleen geldige AC-meetcomponenten bevat.

• Optionele integrator: Als de toepassing snelheidsmeting in plaats van versnelling vereist, kan een integratorcircuit worden ingeschakeld. De integrator integreert wiskundig het versnellingssignaal (spanning evenredig met versnelling), waardoor een spanningssignaal wordt afgegeven dat evenredig is met de snelheid.

• Laagdoorlaatfilter (LPF): Hierna volgt een Butterworth laagdoorlaatfilter van de 3e orde dat wordt gebruikt om hoogfrequente ruis in het signaal weg te filteren en anti-aliasing te bieden. De afsnijfrequentie is configureerbaar van 200 Hz tot 20.000 Hz. Dit zorgt ervoor dat de bandbreedte van het uitgangssignaal beperkt is tot het frequentiebereik van interesse, voldoet aan de bemonsteringsstelling van Nyquist en bereidt het signaal voor op daaropvolgende digitale verwerking.

4. Versterking en configuratie van de uitgangstrap:
Het gefilterde signaal wordt naar een configureerbare versterkingstrap gestuurd, waar de versterking wordt ingesteld op basis van de door de gebruiker geselecteerde overdrachtsgevoeligheid. Ten slotte komt het signaal de configureerbare eindtrap binnen:

• Stroomuitgangsmodus (2-draads): De uitgangstrap zet het spanningssignaal om in een dynamisch variërend (AC) stroomsignaal, gesuperponeerd op een statische gelijkstroom (DC) bias. Het dynamische stroombereik is ±5 mA piek, en de statische bias is doorgaans 12 mA. Wanneer diagnostiek is ingeschakeld, wordt deze statische bias gemoduleerd naar 13 mA (normaal), 11 mA (sensor-/kabelfout) of 10 mA (conditionerfout). Deze huidige transmissiemethode is ideaal voor transmissie over lange afstanden (tot 1 km), omdat deze ongevoelig is voor kabelweerstand en sterke anti-interferentiemogelijkheden heeft.

• Spanningsuitgangsmodus (3-draads): De uitgangstrap levert direct een dynamisch variërend (AC) spanningssignaal, gesuperponeerd op een statische gelijkstroom (DC) voorspanning. Het dynamische spanningsbereik is ±5 V piek, en de statische bias is doorgaans 7,0 V. Als de diagnose is ingeschakeld, wordt deze statische bias gemoduleerd naar 8,0 V (normaal), 6,0 V (sensor-/kabelfout) of 5,0 V (conditionerfout). Spanningsoverdracht is geschikt voor toepassingen over kortere afstanden.

5. Uitgangsbescherming en -filtering:
Voordat het signaal uiteindelijk wordt uitgevoerd, gaat het door een ander symmetrisch LC-netwerk RFI-filter, waardoor het uitgangssignaal definitief wordt beschermd en wordt voorkomen dat externe interferentie de signaalintegriteit via de uitgangskabel beïnvloedt.

6. Diagnostische functie (BITE) Principe:
De diagnostische functie van de IPC707 is een belangrijk hoogtepunt. Het diagnosecircuit bewaakt voortdurend de elektrische kenmerken van de gehele meetketen:

• Sensor- en kabelbewaking: bewaakt de isolatieweerstand aan de ingang (moet >20 kΩ zijn), de kabelcapaciteit (moet <15 nF zijn), de kabelserieweerstand (verschillende limieten op basis van de capaciteitswaarde) en de weerstand van de afschermingsverbinding (moet <100 mΩ zijn).

• Foutindicatie: Wanneer een parameter het vooraf ingestelde bereik overschrijdt, onderbreekt het diagnosecircuit het meetsignaal niet, maar geeft het het fouttype aan door de DC-voorspanningscomponent van het uitgangssignaal te veranderen. Het stroomopwaartse monitoringsysteem (bijv. VM600) kan op afstand en automatisch de gezondheidsstatus van de meetketen bepalen door deze DC-component continu te monitoren en tijdig alarm te geven, waardoor voorspellend onderhoud mogelijk wordt en aan de functionele veiligheidseisen wordt voldaan.

7. Energiebeheer:
Het gehele circuit wordt gevoed door een externe 18-30 VDC-voeding, waarbij interne circuits het stabiliseren op de vereiste bedrijfsspanning. Bij veiligheidsgerelateerde toepassingen moet de voeding een veilige isolatie hebben en een spanningslimiet van 40 VDC hebben.

Toepassingsgebieden

• Trillingsbewakingssystemen: voor trillingsmeting en bescherming van roterende machines (bijv. turbines, compressoren, pompen).

• Drukbewakingssystemen: geschikt voor dynamische drukmeting, zoals verbrandingsdruk, hydraulische pulsen.

• Functionele veiligheidssystemen: Dankzij de diagnostische functies kan de IPC707 worden gebruikt in veiligheidsgerelateerde regelcircuits, die voldoen aan de SIL 2- en PL c-normen. Dit is een toepassing waar de IPC704 niet direct aan kan voldoen.

• Conditiebewaking en voorspellend onderhoud: Verbetert de systeembetrouwbaarheid en onderhoudsefficiëntie door middel van realtime diagnostiek.