Pochopení horních propustných filtrů
Definice: Co je to horní propust?
Hornopropustný filtr (HPF) je frekvenčně selektivní prvek pro zpracování signálu, který umožňuje vibrace složky nad specifikovanou mezní frekvencí propouštět, zatímco složky pod mezní frekvencí se zeslabují (snižují). V analýza vibrací, vysokofrekvenční filtry se používají k odstranění nízkofrekvenčních vibrací (z nevyváženost, nesouosost) a zaměřit se na obsah s vysokou frekvencí (od vady ložisek, záběr ozubených kol, elektrické frekvence) nebo k eliminaci rezonančních efektů montáže senzoru a stejnosměrných ofsetů.
Hornoprůchodové filtry jsou základními součástmi analýza obálky, systémy proti aliasingu a úprava signálu, které umožňují extrakci diagnostických informací ze specifických frekvenčních rozsahů a zároveň potlačují nežádoucí nízkofrekvenční složky, jež by mohly maskovat nebo přehlušit sledované signály.
Charakteristiky filtru
Mezní frekvence (fc)
- Definice: Frekvence, kde odezva filtru klesne na -3 dB (70,7% amplitudy propustného pásma)
- Pod FC: Frekvence postupně utlumované
- Nad fc: Frekvence procházejí s minimálním útlumem
- Výběr: Vyberte fc na základě aplikace a frekvenčního obsahu, který vás zajímá
Sklon filtru (rychlost poklesu)
- Míra útlumu pod mezní frekvencí
- Vyjádřeno v dB na oktávu nebo dB na dekádu
- 1. objednávka: 6 dB/oktáva (20 dB/dekáda) – mírný sklon
- 2. řád: 12 dB/oktáva (40 dB/dekáda) – mírný sklon
- 4. řád: 24 dB/oktáva (80 dB/dekáda) – strmý sklon
- Vyšší řád: Ostřejší přechod, lepší odmítnutí, ale složitější
Typy filtrů
- Butterworth: Maximálně plochá odezva propustného pásma
- Čebyšev: Ostřejší ořez, ale se zvlněním v propustném pásmu
- Bessel: Nejlepší charakteristiky v časové doméně (minimální fázové zkreslení)
- Eliptický: Nejostřejší přechod, ale zvlnění v propustném i zadržovacím pásmu
Aplikace ve vibrační analýze
1. Detekce vad ložisek
Nejběžnější aplikace:
- Omezení: Typicky 500–2000 Hz
- Účel: Odstranění nízkofrekvenční nevyváženosti a vibrací způsobených nesouosostí
- Výsledek: Zaměření na vysokofrekvenční signály nárazu ložisek
- Použití: První fáze zpracování analýzy obálek
2. Integrace pro rychlost/posun
- Při integraci zrychlení do rychlosti nebo posunutí
- HPF při 2–10 Hz odstraňuje stejnosměrný ofset a velmi nízké frekvence
- Zabraňuje integračním chybám a driftu
- Nezbytné pro přesnou integraci nízkých frekvencí
3. Eliminace rezonance při montáži senzoru
- Rezonance při montáži akcelerometru (obvykle 3–10 kHz pro magnetickou montáž)
- HPF odstraňuje tento rezonanční artefakt
- Zajišťuje, aby měření reprezentovala vibrace stroje, nikoli vliv senzorů
4. Odstranění stejnosměrného ofsetu
- HPF s velmi nízkým omezením (0,5–2 Hz) odstraňuje stejnosměrnou složku
- Nezbytné pro správné zpracování signálu
- Zabraňuje chybám FFT a integračnímu driftu
Praktická implementace
Analogové vs. digitální filtry
Analogové horní propustné filtry
- Hardwarové obvody v úpravě signálu
- Provoz v reálném čase
- Anti-aliasing a úprava senzorů
- Pevné vlastnosti po návrhu
Digitální horní propust
- Softwarové postprocessing
- Nastavitelné omezení a pořadí filtrů
- Lze použít/odebrat po shromáždění dat
- Moderní analyzátory nabízejí více možností filtrování
Výběr mezní frekvence
Pro analýzu ložisek
- Nastavte fc pod nejnižší frekvenci poruch ložiska
- Typické: mezní frekvence 500–1000 Hz
- Odstraňuje 1×, 2×, ozubené kolo atd.
- Propouští frekvence poruch ložisek (obvykle 50–500 Hz) a jejich vysokofrekvenční modulaci
Pro integraci
- Nastavte fc na 2–5× nejnižší sledovanou frekvenci
- Příliš nízko: umožňuje drift
- Příliš vysoká: zeslabuje platné nízkofrekvenční složky
- Typické: 2–10 Hz pro obecnou integraci
Vlivy na měření
Amplitudové efekty
- Frekvence pod mezní hodnotou se sníženou amplitudou
- Velmi nízké frekvence v podstatě eliminovány
- Frekvence výrazně nad mezní hodnotou nejsou ovlivněny
- Přechodový region vykazuje postupný pokles
Fázové efekty
- Úvod do filtrů fáze posun
- Fázový posun závislý na frekvenci
- Může ovlivnit tvar vlny v časové doméně
- Besselovy filtry minimalizují fázové zkreslení
Efekty vlnových tvarů
- Odstraňuje nízkofrekvenční odchylky základní linie
- Vycentruje vlnovou křivku kolem nuly
- Může změnit zdánlivý charakter vlny
- Důležité je porozumět filtrování při interpretaci průběhů
V kombinaci s dalšími filtry
Horní propust + Nízká propust = Pásmová propust
- HPF blokuje nízké frekvence
- LPF blokuje vysoké frekvence
- Kombinace prochází pouze středním pásmem
- Vytvoří pásmový filtr pro specifický frekvenční rozsah
Horní propust ve vícestupňovém zpracování
- Anti-aliasing (dolní propust) před digitalizací
- Horní propust pro odstranění stejnosměrného proudu
- Pásmová propust pro analýzu obálek
- Sekvenční filtrování pro komplexní úpravu signálu
Hornopropustné filtry jsou nezbytnými nástroji pro zpracování signálu v analýze vibrací, které umožňují izolaci vysokofrekvenčních diagnostických informací odstraněním dominantních nízkofrekvenčních složek. Pochopení charakteristik hornopropustných filtrů – mezní frekvence, pořadí filtru a vlivu na amplitudu a fázi – je klíčové pro správné použití v analýze ložisek, integraci signálů a jakékoli analýze vyžadující frekvenčně selektivní měření.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 