Разбиране на филтрирането на сигнала
Филтриране на сигнала е ключова техника за обработка на сигнали, използвана в анализ на вибрациите за да се премахнат нежеланите честотни компоненти от сигнала или за да се изолират конкретни честоти, представляващи интерес. Филтърът по същество е електронна верига или софтуерен алгоритъм, който позволява на определени честоти да „преминават“, докато блокира или отслабва други. Той е един от тихите „работни коне“ в тази област: филтрирането протича непрекъснато във всеки цифров анализатор на вибрации за да се гарантира, че анализираните данни са чисти, точни и релевантни за съответната диагностична задача.
1. Определение: Какво е филтриране на сигнали?
Всяко измерване на суровата вибрация представлява смесица от желаните и нежеланите сигнали — шум от сензорите, структурни резонанси, електрически бръмчащ шум и енергия от честотни диапазони, които просто не са от значение за текущата задача. Филтърът се определя от неговата гранична честота (точката, в която започва да отслабва) и нейната roll-off (колко бързо се затихва след тази точка). Изкуството на филтрирането се състои в това да се пропусне диагностичната информация на сигнала, като същевременно се потиска всичко, което би я затъмнило. Когато е направено добре, то остава незабележимо; когато е направено зле, може да скрие именно повредата, която търсите.
2. Често срещани видове филтри при вибрационен анализ
В обработката на сигнали се използват четири основни типа филтри, като всеки от тях има специфична роля във веригата на анализатора:
- Нискочестотен филтър: пропуска ниските честоти, но блокира високите. Честотата, при която сигналът започва да се отслабва, се нарича гранична честота.
- Високочестотен филтър: противоположността на нискочестотния филтър — той пропуска високите честоти и блокира ниските.
- Лентов филтър: позволява преминаването на определена честотна лента или диапазон, като блокира както по-ниските, така и по-високите честоти. На практика това е комбинация от високочестотен и нискочестотен филтър, работещи съвместно.
- Band-Stop (or Notch) Filter: противоположността на лентовия филтър — той блокира тесен честотен диапазон, като пропуска всички останали честоти. Нотч-филтърът е предпочитаният инструмент за отстраняване на отделен смущаващ сигнал, като например електромагнитни смущения с честотата на електрическата мрежа.
3. Ключови приложения на филтрирането
Филтрите се използват по няколко важни начина във вибрационния анализатор:
а) Филтри против алиасинг
Това е може би най-важното приложение на филтрирането. Филтърът за антиалиасинг представлява стръмен нискочестотен филтър, приложен към аналоговия сигнал преди преди да бъде цифровизиран. Целта му е да премахне цялото честотно съдържание над максималната честота (Fmax), която потребителят е избрал за измерването.
Това е от съществено значение, за да се предотврати псевдонимизиране, сериозна грешка при обработката на цифровия сигнал, при която високите честоти „се сгъват“ и се маскират като по-ниски, което води до напълно неточен спектър от иначе добри данни. Тъй като алиасинга не може да бъде отстранен след като данните са дискретизирани — фалшивите пикове са неразличими от истинските — антиалиасинг филтърът трябва да действа в аналоговата област, преди преобразувателя. Той е единственият компонент, който гарантира целостта на всички цифрови данни за вибрациите.
б) Интеграция и диференциация
Вибрациите се измерват като ускорение, скорост или преместване. Докато акселерометър Това е най-разпространеният сензор, а анализаторите често искат да разгледат данните от гледна точка на скоростта, което обикновено налага интегриране на сигнала за ускорението. Интегрирането значително усилва шума с много ниска честота — добре познатата „ски писта“, която се издига стръмно към нула херца. Високочестотният филтър премахва този шум преди интегрирането, за да се получи чист и използваем спектър на скоростта или преместването. Обратната операция — диференцирането — има противоположна тенденция и вместо това усилва шума с висока честота.
в) Анализ на обвивката (демодулация)
Анализ на обвивката, основният метод за откриване на дефекти на лагерите, разчита до голяма степен на филтриране. Процесът включва:
- Използване на лентов филтър за да се изолира честотната лента, в която се наблюдават сигналите от ударите на лагерите — както и всеки структурен резонанс, който те предизвикват.
- Обработка на този филтриран сигнал чрез демодулация с цел извличане на честотата на повторение (“обвивката”) на ударите.
- Анализ на спектъра на този сигнал на обвивката с цел идентифициране на честотите на дефектите в лагера.
Лентовият филтър е от решаващо значение тук за отстраняването на високоенергийните нискочестотни сигнали — като например дисбаланс при работна скорост — които иначе биха заглушили слабите, нискоенергийни сигнали от дефекти в лагерите много преди те да достигнат опасни размери.
г) Диагностично филтриране
Анализаторите могат също така да прилагат цифрови филтри към данните след събирането им, за да улеснят диагностиката. Например, лентов филтър може да изолира вибрациите около определена честота на зацепване на зъбното колело за да се види по-ясно странични ленти които показват развиващ се дефект в зъбното предаване. Филтърът за проследяване на порядъците изпълнява сродна задача при машините с променлива скорост, като се фиксира върху избрано кратно на работната скорост, докато тя се променя.
4. Филтриране при балансиране на полето
Филтрирането не е само диагностично средство — то е от основно значение за балансиране на място. За да се балансира ротор, уредът трябва да улавя вибрациите точно при 1× работна скорост и да отхвърля всичко останало. Преносим двуканален анализатор като Balanset-1A използва синхронен проследяващ филтър, синхронизиран с импулса, подаван веднъж на оборот от неговия тахометър, за да се измери амплитудата 1× и фаза ясно дори при висок широколентов шум. Без това филтриране малкият, повтарящ се 1× вектор, необходим за изчисляване на корекционната тежест, би се загубил в околния шум.
5. Капани и добри практики
- Филтриране на самите доказателства: Прекалено агресивна настройка на нискочестотния филтър може да премахне високочестотния сигнал, който съдържа най-ранните признаци на дефект в лагера. Изберете Fmax в съответствие с дефекта, който търсите.
- Изкривяване на фазата: филтрите променят фазата на сигнала в близост до границата на отрязване. Когато фазата е от значение — балансиране, орбита графики — филтърът с добре контролирана линейна фазова характеристика е от съществено значение.
- Пропускане на правилната лента: При анализа на обвивката изборът на център на лентов филтър, който не улавя резонанса, носещ енергията от лагера, води до плосък и безполезен спектър на обвивката.
