Разбиране на високочестотните филтри
A филтър за високи честоти (HPF) е честотно-селективен елемент за обработка на сигнали, който пропуска вибрация компоненти над зададена гранична честота, като едновременно заглушава компонентите под граничната честота. При анализ на вибрациите, високочестотните филтри премахват нискочестотните вибрации (от дисбаланс и несъосност) за да може анализаторът да се съсредоточи върху високочестотното съдържание (от дефекти на лагерите, зъбна мрежа, както и електрически източници), и те елиминират DC отместванията и дрейфа при ниски честоти. Това е огледалният образ на нискочестотен филтър.
Високочестотните филтри са основополагащи за анализ на обвивката and general филтриране на сигнала (за разлика от anti-aliasing, която е нискочестотна функция, приложена преди дигитализацията), позволявайки извличане на диагностична информация от избран честотен диапазон, като същевременно се отхвърлят нежелани нискочестотни компоненти, които иначе биха маскирали или доминирали над интересуващите сигнали.
1. Характеристики на филтъра
Три параметъра определят поведението на всеки високочестотен филтър: неговата честота на срязване, неговият наклон и основният му тип конструкция.
- Честота на срязване (fc): честотата, при която отговорът на филтъра спада до −3 dB (70,7% от амплитудата на пропусканата лента). Под fc честотите се затихват постепенно; над fc те преминават с минимални загуби. Честотата на срязване се избира в зависимост от приложението и честотното съдържание от интерес.
- Наклон на филтъра (скорост на затихване): скоростта на затихване под честотата на срязване, изразена в dB на октава или dB на декада. А 1st-order филтърът затихва с 6 dB/октава (20 dB/декада) — мек наклон; a 2nd-order при 12 dB/октава (40 dB/декада) — умерен; а 4th-order при 24 dB/октава (80 dB/декада) — стръмен. По-високите редове осигуряват по-рязък преход и по-добро отхвърляне, но са по-сложни за реализация.
The filter тип определя компромиса между острота и точност:
- Бътъруърт: максимално плоск отговор на лентата на пропускане.
- Чебишев: по-рязко срязване, но с пулсации в пропусканата лента.
- Бесел: най-доброто поведение във времевата област, с минимално фаза distortion.
- Елиптичен тренажор: най-рязкият преход от всички, но с пулсации както в пропусканата лента, така и в лентата на задържане.
2. Приложения в анализа на вибрациите
Откриване на дефекти в лагерите
Това е най-разпространеното приложение. Честота на срязване от обикновено 500–2000 Hz премахва нискочестотните вибрации от небаланс и несъосност, оставяйки високочестотните ударни сигнали, генерирани от повреда на лагера. Това е първият етап в обработката чрез анализ на обвиващата крива, която след това демодулира тези удари, за да разкрие честоти на дефектите в лагерите.
Интегриране до скорост или разместване
Когато integrating ускорение до скорост или изместване, HPF настроен на 2–10 Hz премахва DC отместването и много ниските честоти, които иначе биха се интегрирали в големи грешки от дрейф. Тази стъпка е от съществено значение за точно нискочестотно интегриране.
Резонанс при монтажа на сензора — задача за ограничаване на честотната лента
Един акселерометър резонансът при монтажа — обикновено 3–10 kHz при магнитен монтаж — може да изкриви показанията. Тъй като този артефакт е при висока честота, високочестотният филтър не го премахва: той се потиска чрез ограничаване на горния честотен диапазон с нискочестотен (band-limiting) филтър или чрез поддържане на анализирания диапазон под резонанса. При envelope анализа резонансна област дори може умишлено да се използва като носеща лента за демодулация. Звуковите монтаж на сензора практиката допълва филтриране.
Отстранване на DC офсета
Нискочестотен заградителен филтър с много ниска гранична честота (0,5–2 Hz) изрязва постояннотоковата компонента на сигнала. Това е необходимо за правилна обработка на сигнала, предотвратявайки FFT грешки и дрейф при интеграция.
3. Практическо приложение
Аналогни спрямо цифрови филтри
Аналогни високочестотни филтри са хардуерни схеми вътре във веригата за кондициониране на сигнала. Те работят в реално време като част от кондиционирането на сигнала от сензора (anti-aliasing етапът, който ги придружава, е нискочестотен филтър) и имат фиксирани характеристики, след като бъдат проектирани. Цифрови високочестотни филтри са базирани на софтуер и се прилагат при последваща обработка; тяхната гранична честота и ред са регулируеми и могат да се прилагат или премахват след събиране на данните. Съвременните анализатори предлагат множество опции за цифрово филтриране, така че един и същи запис може да се изследва по различни начини.
Избор на граничната честота
За анализ на лагери, set fc много над компонентите, свързани с ротора — обикновено срез 500–1000 Hz. Това премахва 1×, 2× и други нискочестотни машинни компоненти и пропуска високочестотната област на структурен резонанс, възбудена от удари в лагера. Обърнете внимание, че самите честоти на повторение на лагерна повреда (обикновено 50–500 Hz) са под такъв срез: те се възстановяват след това в спектъра на обвивката чрез демодулация на високочестотния сигнал, а не преминават директно през филтъра. За интеграция, set fc при 2–5× най-ниската честота от интерес: твърде ниската стойност допуска дрейф, твърде високата ослабва валидни нискочестотни компоненти, като типичните стойности за общо интегриране са 2–10 Hz.
4. Влияние върху измерванията
Нискочестотният заградителен филтър изменя сигнала по три начина, които анализаторът трябва да има предвид:
- Ефекти на амплитудата: честотите под граничната стойност се намаляват, много ниските честоти практически се елиминират, а честотите значително над граничната стойност остават незасегнати; преходната зона показва постепенно намаляване, а не рязка граница.
- Phase effects: всички филтри въвеждат честотно-зависим фаза изместване, което може да промени формата на вълновата форма в областта на времето. Филтрите на Бесел свеждат до минимум това фазово изкривяване, което е от значение при интерпретиране на времевото синхронизиране на вълновата форма.
- Ефекти на вълновата форма: филтърът премахва нискочестотните базови вариации и центрира времева форма на сигнала около нула, което може да промени видимия му характер. Поради това е важно да се знае какво филтриране е приложено при интерпретиране на вълновата форма.
5. Комбиниране на нискочестотни заградителни филтри с други филтри
Нискочестотните заградителни филтри рядко действат самостоятелно. Комбинирането на нискочестотен заградителен с нискочестотен пропускателен филтър произвежда лентов филтър: НЗФ блокира ниските честоти, НПФ блокира високите честоти, а комбинацията пропуска само средна лента — точно тази избирателност, необходима за изолиране на конкретен честотен диапазон. В пълна обработка в няколко етапа верига антиалайзинговият (нискочестотен пропускателен) филтър се прилага преди дигитализацията, нискочестотен заградителен премахва постоянната компонента, а лентов филтър кондиционира сигнала за обвиваща анализ; това последователно филтриране изгражда сложно кондициониране на сигнала от прости етапи. Когато вместо това трябва да бъде отхвърлена единична тясна компонента, се използва Филтър с нарязани ленти е допълващият инструмент.
6. Нискочестотно заградително филтриране при полеви измервания
При ежедневна полева работа правилната настройка на нискочестотния заградителен филтър е това, което прави слабо изразен дефект на лагера видим на фона на доминиращата вибрация на ротора. Преносим двуканален анализатор като Balanset-1A измерва широколентовия сигнал, необходим както за балансиране, така и за диагностика, и прилагането на нискочестотен заградителен етап преди обвиващия анализ позволява на инженера да разграничи ранни дефекти на лагерите от голямото откликване на 1× небаланс на същата машина. Разбирането на характеристиките на високочестотния филтър — честотата на отрязване, реда на филтъра и влиянието им върху амплитудата и фазата — е от съществено значение за надеждния анализ на лагери, коректното интегриране на сигнала и всяка задача, която изисква честотно-селективно измерване.
