Vibratsioonianalüüsi aliasingu mõistmine
Aliasing on signaalitöötlusviga, mis võib rikkuda vibratsiooniandmete digitaalset analüüsi. See juhtub siis, kui signaali proovivõtusagedus on liiga madal, et tabada selle kõrgeima sagedusega komponendid, nii et need kõrgsagedused “klapivad” alla ja kehastavad madalamaid sagedusi tulemuseks saadud FFT spekter. Tulemuseks on võltspiigid, mida tegelikus masinas kunagi ei olnud - piigid, mis võivad viia tõsise valediagnoosini. Aliasingi ja selle vältimise kaitsemeetmete mõistmine on oluline, et usaldada mis tahes digitaalset seadet. vibratsioonispekter.
1. Määratlus: Mis on Aliasing?
Kui analüsaator digiteerib vibratsioonisignaali, ei salvesta ta pidevat kõverat; ta salvestab diskreetsete proovide jada - fikseeritud ajaintervalliga tehtud hetkepilte. Kui need vahekaadrid on liiga kaugel üksteisest võrreldes signaali muutumise kiirusega, ei suuda analüsaator sõna otseses mõttes eristada kiiret lainet aeglasest. Kõrgsagedusliku komponendi mõned punktid, mida ta jäädvustab, võib ühendada täiesti usutavaks madalsageduslikuks siinuslaineks. See fantoomne madal sagedus on alias, ja kui see ilmub spekter see on eristamatu tõelisest vibratsioonist sellel sagedusel.
2. Nyquisti teoreem ja proovivõtusagedus
Aliasingu mõistmiseks peate kõigepealt mõistma Nyquisti teoreem (Nyquist-Shannoni valimiteoreem). See digitaalse signaalitöötluse aluspõhimõte sätestab:
Analoogsignaali täpseks kujutamiseks digitaalsel kujul on proovivõtusagedus (Fs) peab olema vähemalt kaks korda suurem kui kõrgeima sagedusega komponent (Fmax), mis on signaalis olemas.
See minimaalne proovivõtusagedus (2 × Fmax) nimetatakse Nyquisti määr. Ümberpööratuna on kõrgeim sagedus, mida antud proovivõtusagedus saab usaldusväärselt mõõta, pool sellest: Fmax = Fs / 2. See lagi on Nyquisti sagedus. Mis tahes tegelikku sagedust, mis on üle Nyquisti sageduse, ei ole võimalik ausalt esitada ja selle asemel peegeldub see alla selle tagasi. Praktikas on valitud Fmax määrab ka analüüsi lahutusvõime koos FFT-ridade arvuga - seda seost saab uurida koos FFT resolutsiooni kalkulaator mõõtmise planeerimisel.
3. Kuidas toimub Aliasing?
Kujutage ette, et kõrgsageduslikku vibratsiooni mõõdab digitaalne analüsaator, mis võtab diskreetseid proove kindla kiirusega:
- Kui proovivõtusagedus on piisavalt kõrge - tunduvalt üle Nyquisti kiiruse -, võtab analüsaator piisavalt punkte tsükli kohta, et rekonstrueerida lainekuju täpselt.
- Kui proovivõtusagedus on liiga madal, jääb analüsaatoril proovide vahel toimuv tähelepanuta. Need käputäis punkte, mida ta tabab, ühenduvad täiesti teistsuguseks, madalama sagedusega siinuslaineks. See vale madal sagedus on alias.
Konkreetne näide: oletame, et signaal sisaldab reaalset 900 Hz komponenti, kuid analüsaatori Fmax on seatud 500 Hz, mis vastab proovivõtusagedusele 1000 Hz. 900 Hz sisu asub üle 500 Hz Nyquisti sageduse ja seda ei saa õigesti mõõta. See on aliaseeritud ja ilmneb uuesti Fs - 900 = 1000 - 900 = 100 Hz. Analüütik, kes skaneerib spektrit, võib seda 100 Hz piiki kergesti segi ajada. 1× jooksukiirus vibratsiooni või tegeliku vea puhul ja ajab taga viga, mida ei ole olemas. Veelgi hullem on see, et kõrgsageduslikud süüdlased - laagrilöögid, hammasrataste energia, elektriline müra - on sageli just need signaalid, mida analüütik kõige rohkem usaldada tahab.
4. Aliasingi vältimine: Anti-Aliasing-filter
Ei ole võimalik ette teada kogu kõrgsageduslikku sisu, mida signaal võib kanda - ultraheli, teravad löögid, raadiosageduslikud häired ja elektrilised vastuvõtud võivad kõik sekkuda. Seetõttu ei ole turvaline strateegia lihtsalt loota, et proovivõtusagedus on piisavalt kõrge.
Igas kaasaegses digitaalses vibratsioonianalüsaatoris kasutatav lahendus on silumisfilter: järsk madalpääsufilter paigutatud signaali teele enne analoog-digitaalmuundur (ADC). See töötab nii:
- Kasutaja määrab soovitud maksimaalse sageduse Fmax, analüüsiks.
- Selle Fmax, seab analüsaator automaatselt silumisvastase filtri piirsageduse veidi kõrgemale Fmax.
- Analoog andur signaal läbib filtri, mis eemaldab või nõrgestab tugevalt kõike, mis asub üle piirväärtuse.
- Ainult filtreeritud, puhas signaal jõuab proovivõtuks ADC-sse.
Kuna filter eemaldab kõrgsagedused, mida valitud proovivõtusagedus ei suuda käsitleda. enne proovivõtu toimub, muudab see aliasing füüsiliselt võimatuks. Reaalne filter ei saa lõpmatult järsult ära lõigata, mistõttu on cut-off seatud veidi alla Nyquisti sageduse, et jätta selle seelikusse kaitseriba. Aliasing-vastane filter on üks iga analüsaatori kõige kriitilisemaid elemente, mis tagab, et saadav FFT on tõene ja tõetruu pilt masina vibratsioonist valitud vahemikus. Pange tähele, et see filtreerimine peab olema analoogne ja peab eelnema digiteerimisele - kohaldades digitaalne filtreerimine pärast ADC-d ei saa aliase tühistada, sest selleks ajaks on vale sagedus juba andmetesse lukustatud.
5. Praktilised tagajärjed analüütiku jaoks
Inseneri jaoks on õppetunniks, et tuleb austada seadme sageduse seadistusi. Fmax liiga madal, et hoida head resolutsioon madalate tippude kohta võib varjata olulist kõrgsageduslikku teavet; silumisvastane filter kaitseb teid valede tippude eest, kuid ei saa näidata teile energiat, mille olete ära filtreerinud. Usaldusväärsed seadmed saavad sellega automaatselt hakkama - kaasaskantav analüsaator, nagu näiteks Balanset-1A rakendab enne ADC-d riistvaraliselt silumisvastast analüüsi, nii et diagnostikaks esitatavad spektrid ja tasakaalustamiseks kasutatavad 1× amplituudi ja faasi spektrid on kogu tööpiirkonnas ilma silumisartefaktideta. Praktilised järeldused: seadke Fmax piisavalt kõrge, et katta kõrgeim veasagedus, millest te hoolite, usaldage, et korralikult projekteeritud analüsaator ei tekita häireid, ja käsitlege kõiki seletamatuid madala sagedusega piike terve kahtlusega, kuni olete välistanud muud põhjused.
