Kerbfilter verstehen
Definition: Was ist ein Notch-Filter?
Kerbfilter (auch Bandsperrfilter, Bandsperrfilter oder Frequenzfalle genannt) ist ein frequenzselektives Signalverarbeitungselement, das stark dämpft Vibration Komponenten innerhalb eines schmalen Frequenzbandes, während alle Frequenzen außerhalb dieses Bandes im Wesentlichen unverändert durchgelassen werden. Ein Kerbfilter ist das Gegenteil eines Bandpassfilters: Anstatt ein Band durchzulassen und alles andere zu blockieren, blockiert er ein bestimmtes Band und lässt alles andere durch.
Notchfilter werden verwendet in Schwingungsanalyse um dominante Störungen (elektrisches Rauschen bei 60 Hz) zu entfernen, überwältigende Vibrationskomponenten (sehr hohe 1-fache Unwucht, die andere Signale maskiert) zu eliminieren oder Resonanzen zu unterdrücken, die diagnostische Informationen verschleiern. Sie ermöglichen das “Umgehen” dominanter Frequenzen, um schwächere, aber diagnostisch wichtige Komponenten aufzudecken.
Filtereigenschaften
Mittenfrequenz (Kerbfrequenz)
- Frequenz der maximalen Dämpfung
- Die Frequenz wird “ausgeklinkt”
- Auf bestimmte Störungen oder unerwünschte Frequenzen abgestimmt
- Dämpfung typischerweise 40-60 dB in der Mitte
Notch-Bandbreite
- Schmale Kerbe: Lehnt einen sehr selektiven Frequenzbereich ab (hoher Q-Faktor)
- Breite Kerbe: Lehnt breitere Frequenzbänder ab (niedriger Q)
- Q-Faktor: Mittenfrequenz/Bandbreite
- Typisch: Q = 10-50 für Vibrationsanwendungen
Dämpfungstiefe
- Um wie viel die Kerbfrequenz reduziert wird
- Typischerweise 40–60 dB (100–1000-fache Reduzierung)
- Filter höherer Ordnung bieten tiefere Kerben
- Benachbarte Frequenzen werden nur minimal beeinträchtigt
Häufige Anwendungen
1. Beseitigung elektrischer Störungen
Beseitigung von Stromleitungsrauschen:
- 60 Hz Kerbe: Entfernt die elektrische 60-Hz-Aufnahme in Nordamerika
- 50 Hz Kerbe: Entfernt 50-Hz-Störungen in Europa/Asien
- Obertöne: Zusätzliche Kerben bei 120/180/240 Hz oder 100/150/200 Hz
- Nutzen: Saubereres Spektrum, das mechanische Schwingungen aufzeigt
- Vorsicht: Nicht verwenden, wenn 2× Netzfrequenz (120/100 Hz) einen diagnostischen Wert hat
2. Unterdrückung dominanter Komponenten
- Schweres Ungleichgewicht: Um weitere Komponenten zu sehen, streichen Sie 1x über das gesamte Bild
- Hohes Zahnradgeflecht: Entfernen Sie den dominanten Zahneingriff, um die Lagerfrequenzen freizulegen
- Starke Resonanz: Unterdrücken Sie die strukturelle Resonanz, um die Anregung zu sehen
- Zweck: Offenbaren maskierter Diagnoseinformationen
3. Beseitigung der Sensorresonanz
- Entfernen von Resonanzartefakten bei der Sensormontage
- Kerbe bei der Montageresonanzfrequenz (variiert je nach Montagemethode)
- Stellt sicher, dass die Messungen die Maschine und nicht den Sensor darstellen
4. Vermeidung von Aliasing-Artefakten
- Vor dem Downsampling bestimmte hohe Frequenzen ausblenden
- Verhindert Aliasing bekannter starker Komponenten
- Ergänzt den Anti-Aliasing-Tiefpassfilter
Designüberlegungen
Auswahl der Kerbenbreite
Schmale Kerbe (hoher Q-Faktor)
- Vorteil: Chirurgische Entfernung einer einzelnen Frequenz, minimale Auswirkung auf benachbarte
- Nachteil: Die Frequenz muss genau bekannt und stabil sein
- Beispiel: 60,0 Hz ± 0,5 Hz Kerbe für elektrische Störungen
Breite Kerbe (niedriger Q)
- Vorteil: Erfasst Frequenzschwankungen, weniger kritische Abstimmung
- Nachteil: Kann Frequenzen beeinflussen, die Sie behalten möchten
- Beispiel: 1× ± 5 Hz zum Ausgleich von Unwuchten, die bei Drehzahlschwankungen variieren
Kompromiss zwischen Tiefe und Breite
- Tiefere Kerben (> 60 dB) erfordern oft eine größere Bandbreite
- Sehr schmale Kerben erzielen möglicherweise keine tiefe Dämpfung
- Optimieren Sie basierend auf den Anwendungsanforderungen
Vorteile und Einschränkungen
Vorteile
- Entfernt dominante Störfrequenzen
- Enthüllt maskierte Diagnosekomponenten
- Verbessert die Nutzung des Dynamikbereichs
- Ermöglicht die Konzentration auf schwächere, aber wichtige Signale
Einschränkungen und Vorsichtsmaßnahmen
- Entfernt Informationen: Kerbfrequenzinhalt dauerhaft verloren
- Kann Probleme verbergen: Wenn die Kerbfrequenz einen diagnostischen Wert hat, wurde das Problem übersehen
- Phasenverzerrung: Kerbfilter können die Phase in der Nähe der Kerbfrequenz erheblich beeinflussen
- Klingeln: Scharfe Kerben können Zeitbereichsartefakte erzeugen
- Vorsichtig verwenden: Sollte die ungefilterte Analyse ergänzen, nicht ersetzen
Bewährte Methoden
Wann werden Notchfilter verwendet?
- Bekannte Störungen (elektrisches Rauschen), die die Messungen beeinträchtigen
- Dominante Komponente (starkes Ungleichgewicht) verhindert die Nutzung des Dynamikbereichs
- Nach ungefilterter Analyse bestätigt sich, dass die Kerbfrequenz nicht diagnostisch ist
- Um schwache Signale für eine detaillierte Untersuchung aufzudecken
Wann NICHT zu verwenden
- Routinemäßige Screeningmessungen (ungefiltert zur allgemeinen Diagnostik verwenden)
- Wenn die Kerbfrequenz einen diagnostischen Wert hat
- Ohne das volle ungefilterte Spektrum zu verstehen
- Als Ersatz für die Behebung der eigentlichen Störquelle
Dokumentation
- Immer dokumentieren, wann ein Notchfilter verwendet wird
- Notchfrequenz und Bandbreite aufzeichnen
- Bewahren Sie ungefilterte Daten als Referenz auf
- Grund für die Kerbfilterung beachten
Durchführung
Hardware-Kerbfilter
- Feste Frequenz (typischerweise 50 oder 60 Hz)
- Ein-/Ausschalten nach Bedarf
- Analogschaltung im Instrument
- Echtzeitbetrieb
Software-Notchfilter
- Angewandt auf digitalisierte Daten
- Einstellbare Mittenfrequenz und Bandbreite
- Kann verschiedene Kerbparameter testen
- Zerstörungsfrei (Originaldaten bleiben erhalten)
Notchfilter sind spezielle Signalverarbeitungswerkzeuge, die selektiv schmale Frequenzbänder aus Vibrationssignalen entfernen. Notchfilter sind zwar leistungsstark bei der Beseitigung von Störungen und der Aufdeckung maskierter Komponenten, müssen jedoch umsichtig eingesetzt werden. Dabei ist genau zu verstehen, welche Informationen verworfen werden, um sicherzustellen, dass die Notch-Frequenzen keine wichtigen Diagnoseinhalte enthalten.
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