Hochpassfilter verstehen
Definition: Was ist ein Hochpassfilter?
Hochpassfilter (HPF) ist ein frequenzselektives Signalverarbeitungselement, das Folgendes ermöglicht Vibration Komponenten oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz sollen durchgelassen werden, während Komponenten unterhalb der Grenzfrequenz gedämpft (reduziert) werden. Schwingungsanalyse, Hochpassfilter werden verwendet, um niederfrequente Schwingungen (von Unwucht, Fehlausrichtung) und konzentrieren sich auf hochfrequente Inhalte (von Lagerdefekte, Zahnradeingriff, elektrische Frequenzen), oder um Resonanzeffekte der Sensormontage und Gleichstrom-Offsets zu eliminieren.
Hochpassfilter sind grundlegende Bauteile in Hüllkurvenanalyse, Anti-Aliasing-Systeme und Signalaufbereitung ermöglichen die Gewinnung von Diagnoseinformationen aus bestimmten Frequenzbereichen bei gleichzeitiger Unterdrückung unerwünschter niederfrequenter Komponenten, die die interessierenden Signale verdecken oder überlagern könnten.
Filtereigenschaften
Grenzfrequenz (fc)
- Definition: Frequenz, bei der die Filterantwort auf -3 dB (70,7% der Durchlassbandamplitude) abfällt
- Unterhalb des FC: Frequenzen werden zunehmend gedämpft
- Über dem FC: Frequenzen werden mit minimaler Dämpfung durchgelassen
- Auswahl: Wählen Sie FC basierend auf Anwendung und Häufigkeit der relevanten Inhalte.
Filterflanke (Grenzabfallrate)
- Dämpfungsrate unterhalb der Grenzfrequenz
- Angegeben in dB pro Oktave oder dB pro Dekade
- 1. Bestellung: 6 dB/Oktave (20 dB/Dekade) – sanfter Abfall
- 2. Bestellung: 12 dB/Oktave (40 dB/Dekade) – moderate Flankensteilheit
- 4. Ordnung: 24 dB/Oktave (80 dB/Dekade) – steile Flanke
- Höhere Ordnung: Schärferer Übergang, bessere Abweisung, aber komplexer
Filtertypen
- Butterworth: Maximal flacher Durchlassbereichs-Frequenzgang
- Tschebyscheff: Schärfere Grenzfrequenz, aber mit Welligkeit im Durchlassbereich
- Bessel: Optimale Eigenschaften im Zeitbereich (minimale Phasenverzerrung)
- Elliptisch: Schärfster Übergang, aber Welligkeit sowohl im Durchlassbereich als auch im Sperrbereich.
Anwendungen in der Schwingungsanalyse
1. Erkennung von Lagerfehlern
Häufigste Anwendung:
- Grenzwert: Typischerweise 500-2000 Hz
- Zweck: Niederfrequente Unwucht- und Ausrichtungsschwingungen beseitigen
- Ergebnis: Fokus auf hochfrequente Lageraufprallsignale
- Verwenden: Erster Schritt der Hüllkurvenanalyse
2. Integration für Geschwindigkeit/Weg
- Bei der Integration der Beschleunigung in die Geschwindigkeit oder Verschiebung
- Der Hochpassfilter (HPF) im Bereich von 2-10 Hz entfernt Gleichstromanteile und sehr niedrige Frequenzen.
- Verhindert Integrationsfehler und Drift
- Unerlässlich für eine präzise Niederfrequenzintegration
3. Beseitigung von Sensorresonanzen bei der Montage
- Resonanzfrequenz der Beschleunigungsmesserhalterung (typischerweise 3-10 kHz bei magnetischer Halterung)
- HPF entfernt dieses Resonanzartefakt.
- Stellt sicher, dass die Messungen die Maschinenschwingungen und nicht die Sensoreffekte widerspiegeln.
4. Beseitigung des Gleichstrom-Offsets
- Hochpassfilter mit sehr niedriger Grenzfrequenz (0,5–2 Hz) entfernt Gleichstromanteile
- Notwendig für die ordnungsgemäße Signalverarbeitung
- Verhindert FFT-Fehler und Integrationsdrift
Praktische Umsetzung
Analoge vs. digitale Filter
Analoge Hochpassfilter
- Hardware-Schaltungen zur Signalaufbereitung
- Echtzeitbetrieb
- Anti-Aliasing und Sensorkonditionierung
- Feste Eigenschaften nach der Entwicklung
Digitale Hochpassfilter
- Softwarebasierte Nachbearbeitung
- Einstellbare Abschaltgrenze und Filterreihenfolge
- Kann nach der Datenerfassung angewendet/entfernt werden.
- Moderne Analysatoren bieten vielfältige Filteroptionen.
Auswählen der Grenzfrequenz
Für die Lageranalyse
- fc unterhalb der niedrigsten Lagerausfallfrequenz einstellen
- Typisch: 500-1000 Hz Grenzfrequenz
- Entfernt 1×, 2×, Zahnradeingriff usw.
- Passiert Lagerfehlerfrequenzen (typischerweise 50-500 Hz) und deren Hochfrequenzmodulation
Zur Integration
- Stellen Sie fc auf das 2- bis 5-fache der niedrigsten interessierenden Frequenz ein.
- Zu niedrig: ermöglicht Drift
- Zu hoch: dämpft gültige Niederfrequenzkomponenten
- Typisch: 2-10 Hz für allgemeine Integration
Auswirkungen auf Messungen
Amplitudeneffekte
- Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz reduzierten ihre Amplitude
- Sehr niedrige Frequenzen im Wesentlichen eliminiert
- Frequenzen deutlich oberhalb der Grenzfrequenz bleiben unbeeinflusst.
- Die Übergangsregion zeigt eine allmähliche Reduktion
Phaseneffekte
- Filter führen ein Phase Schicht
- Phasenverschiebung frequenzabhängig
- Kann die Wellenform im Zeitbereich beeinflussen
- Bessel-Filter minimieren Phasenverzerrungen
Wellenformeffekte
- Entfernt niederfrequente Basislinienvariationen
- Die Wellenform zentriert sich um Null
- Kann den scheinbaren Wellenformcharakter verändern
- Es ist wichtig, die Filterung beim Interpretieren von Wellenformen zu verstehen.
Kombiniert mit anderen Filtern
Hochpass + Tiefpass = Bandpass
- Hochpassfilter blockieren niedrige Frequenzen
- Tiefpassfilter blockieren hohe Frequenzen
- Die Kombination passiert nur das mittlere Band
- Erzeugt einen Bandpassfilter für einen bestimmten Frequenzbereich
Hochpassfilterung in mehrstufigen Verarbeitungsprozessen
- Anti-Aliasing (Tiefpass) vor der Digitalisierung
- Hochpassfilter zur Gleichstromunterdrückung
- Bandpass für die Hüllkurvenanalyse
- Sequenzielle Filterung zur Aufbereitung komplexer Signale
Hochpassfilter sind unverzichtbare Werkzeuge der Signalverarbeitung in der Schwingungsanalyse. Sie ermöglichen die Isolierung hochfrequenter Diagnoseinformationen durch die Entfernung dominanter niederfrequenter Komponenten. Das Verständnis der Eigenschaften von Hochpassfiltern – Grenzfrequenz, Filterordnung und Auswirkungen auf Amplitude und Phase – ist entscheidend für deren korrekte Anwendung in der Lageranalyse, der Signalintegration und allen Analysen, die frequenzselektive Messungen erfordern.
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