Bandpassfilter verstehen
A Bandpassfilter (BPF) ist ein frequenzselektives Signalverarbeitungselement, mit dem Vibration Die Komponenten innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes werden durchgelassen, während alles unterhalb und oberhalb dieses Bandes abgeschwächt wird. Es handelt sich um die Kombination aus einem Hochpassfilter (der niedrige Frequenzen blockiert) und ein Tiefpassfilter (der hohe Frequenzen blockiert) und bildet ein “Fenster”, das nur einen ausgewählten mittleren Bereich zulässt. Jeder Bandpassfilter wird durch drei Zahlen beschrieben: seine Mittenfrequenz, seine Bandbreite und seine Ordnung oder Steilheit. In der Schwingungstechnik ist der BPF unverzichtbar für Hüllkurvenanalyse, für eine gezielte Diagnose in einem bestimmten Bereich und zum Herausfiltern schwacher Signale aus dem Rauschen, indem alles außerhalb des interessierenden Bandes zurückgewiesen wird. Es ist eines der meistgenutzten Werkzeuge in der breiteren Toolbox von Signalfilterung.
1. Filter-Parameter
Mittenfrequenz (f₀)
- Die Mitte des Durchlassbereichs und der Punkt der maximalen Filterantwort.
- Ausgewählt, um dem interessierenden Frequenzinhalt zu entsprechen - in der Regel eine bekannte Resonanz- oder Fehlerfrequenz.
Bandbreite (BW)
- Definition: der Frequenzbereich zwischen den -3-dB-Punkten, fhoch - fniedrig.
- Schmalband: BW < 10% von f₀ - hoch selektiv.
- Breitband: BW > 50% von f₀ - weniger selektiv.
- Q-Faktor: Q = f₀ / BW; ein höheres Q bedeutet einen engeren, selektiveren Filter.
Filtereigenschaften
- Untere Grenzfrequenz (fniedrig): wobei die untere Filterflanke auf −3 dB abfällt.
- Obere Grenzfrequenz (fhoch): wo die obere Filterflanke auf −3 dB abfällt.
- Formfaktor: das Verhältnis zwischen der Breite des Sperrbereichs und des Durchlassbereichs - ein Maß dafür, wie scharf der Filter abschneidet.
2. Anwendungen in der Schwingungsanalyse
2.1 Hüllkurvenanalyse - die primäre Nutzung
Der Bandpassfilter ist der entscheidende erste Schritt zur Erkennung von Wälzlagerschäden:
- Bandauswahl: typischerweise 500 Hz-10 kHz oder 1 kHz-20 kHz.
- Zweck: die hochfrequenten strukturellen Resonanzen zu isolieren, die durch Lagerstöße hervorgerufen werden.
- Prozess: BPF → Hüllkurvenerkennung (Demodulation) → FFT der Hüllkurve.
- Ergebnis: die Lagerfehlerfrequenzen im Ergebnis deutlich hervorstechen Hüllkurvenspektrum.
2.2 Resonanzbandanalyse
Dichtes Filtern um eine Struktur oder ein Lager Resonanz isoliert die Energie in diesem Modus von allen anderen Frequenzen, so dass Sie die Anregung und die Reaktion bei einer bestimmten Resonanz bewerten können - eine leistungsstarke Hilfe bei der Fehlersuche in Bezug auf Resonanz.
2.3 Frequenzbereichstrennung
Ein BPF kann sich auf einen ausgewählten Diagnosebereich konzentrieren - z. B. 10-100 Hz für niederfrequente Arbeiten - und dabei niederfrequente Drift und hochfrequentes Rauschen entfernen, um die Komponenten zu klären, die Sie interessieren.
2.4 Isolierung des Zahneingriffs
Zentrierung des Bandes auf die Zahneingriffsfrequenz diese Spitze und ihre Seitenbänder durch, während andere Getriebestufen und Lagerfrequenzen zurückgewiesen werden, was eine gezielte Getriebeanalyse ermöglicht. Wenn das Ziel eher darin besteht, eine schwankende Geschwindigkeit als ein festes Band zu verfolgen, kann ein Trackingfilter führt die gleiche Isolierung durch, bezogen auf die Wellenordnung.
3. Entwurf eines Bandpassfilters
Kaskadierter Tiefpass und Hochpass
Die gängigste Implementierung ist die Verkettung der beiden einfacheren Filter:
- Ein Hochpassabschnitt blockiert alles unterhalb von fniedrig.
- Ein Tiefpassabschnitt blockiert alles oberhalb von fhoch.
- In Reihe geschaltet bilden sie den Bandpass, wobei jeder Abschnitt zur Gesamtselektivität beiträgt.
Direktes Bandpass-Design
Alternativ kann der Filter auch als Einzelstufe statt als Kaskade optimiert werden. Dies ist zwar komplexer in der Auslegung, kann aber bessere Eigenschaften erzielen und ist speziellen Anwendungen vorbehalten. Ein enger Verwandter ist der Kerbfilter, der den umgekehrten Effekt hat – ein schmales Band wird gesperrt, während alles andere durchgelassen wird.
4. Praktische Erwägungen
Bandbreite-Abwägungen
Schmale Bandbreite bietet eine bessere Selektivität und eine stärkere Unterdrückung von benachbarten Frequenzen, kann aber Frequenzdrift übersehen und erfordert eine präzise Abstimmung - am besten, wenn die gewünschte Frequenz bekannt und stabil ist. Große Bandbreite erfasst Frequenzschwankungen und ist weit weniger aufwändig abzustimmen, allerdings auf Kosten einer schwächeren Unterdrückung von unerwünschten Inhalten in der Nähe - am besten, wenn die Frequenz wandert oder ein ganzer Bereich von Bedeutung ist.
Auswahl des Bandes für die Hüllkurvenanalyse
- Typische Bänder: 500-2.000 Hz, 1.000-5.000 Hz und 5.000-20.000 Hz.
- Auswahl: Wählen Sie das Band mit der stärksten Lager-Resonanz-Anregung.
- Verifizieren: Überprüfung der Rohbeschleunigung Spektrum um diese Resonanz zuerst zu finden.
- Optimieren: das Band so einstellen, dass das Signal für den Lagerschaden maximiert wird.
5. Filtereffekte auf das Signal
Zeit-Wellenform-Effekte
Ein Bandpass-gefiltertes Zeitwellenform zeigt nur den Inhalt des Durchlassbereichs. Bei einem schmalen Band erscheint es als modulierter Träger; tieffrequente Schwankungen und hochfrequentes Rauschen fallen weg, was die Interpretation erheblich vereinfachen kann.
Spektrumeffekte
Im Spektrum bleiben die Amplituden des Durchlassbereichs erhalten, während die Amplituden des Sperrbereichs um typischerweise 40-80 dB verringert werden. Das Ergebnis ist eine sauberere Anzeige, die sich auf das interessierende Band konzentriert, mit einem niedrigeren Rauschboden, wo immer das Rauschen außerhalb des Durchlassbereichs liegt.
6. Digital vs. Analog, und Bänder nach Frequenzbereich
Digitale gegenüber analogen Filtern
Analog Bandpassfilter werden in Hardware in den Signalpfad implementiert, arbeiten in Echtzeit, haben nach dem Bau feste Eigenschaften und werden verwendet in Anti-Aliasing und Signalaufbereitung. Digital Filter verarbeiten das Signal nach der Digitalisierung in der Software, bieten einstellbare Parameter und können auch nach der Datenerfassung angewandt oder entfernt werden - deshalb bieten moderne Analysatoren umfangreiche digitale BPF-Optionen.
Gängige Bänder nach Frequenzbereich
- Niederfrequenz (10–200 Hz): Unwucht- und Fehlausrichtungsanalysen, langsam laufende Maschinen und Fundament- oder Strukturschwingungen.
- Mittelfrequenz (200–2.000 Hz): Zahneingriffsfrequenzen, Schaufel- und Flügeldurchgangsfrequenzen und die unteren Lagerfehlerfrequenzen.
- Hochfrequenz (2–40 kHz): Analyse der Umhüllenden von Lagerfehlern, Hochfrequenzstöße und Lagerresonanzanregung.
7. Bandpassfilterung in der Praxis
In der Praxis wird der Bandpassfilter nur selten allein verwendet - er ist eine Stufe innerhalb einer Messkette, die auch das Signal abtastet, fenstert und transformiert, so dass das gewählte Band innerhalb der Abtastbandbreite des Instruments liegen muss. Ein tragbarer Zweikanal-Analysator wie der Balanset-1A misst Schwingungen im Bereich von etwa 5 Hz bis 1 kHz und löst die 1× Amplitude und Phase die für die Vor-Ort-Auswuchtung benötigt werden; Bandpass- und Hüllkurventechniken ergänzen diesen Arbeitsablauf, wenn ein Ingenieur bestätigen muss, ob ein hochfrequenter Lagerdefekt und nicht eine einfache Unwucht die wahre Ursache des Problems ist. Bei der Einrichtung einer solchen Analyse muss der FFT-Auflösungsrechner hilft, die Anzahl der Linien und die Bandbreite auf das zu untersuchende Band abzustimmen, so dass eng beieinander liegende Fehlerlinien und Seitenbänder nicht miteinander verschmiert werden. Die Beherrschung der Bandpassselektion - vor allem für die Hüllkurvenanalyse und die Isolierung des Frequenzbereichs - ist entscheidend für die Gewinnung eindeutiger Diagnoseinformationen aus einer komplexen Schwingungssignatur.
