Comprensione dei filtri passa-alto
Definizione: Che cos'è un filtro passa-alto?
Filtro passa-alto (HPF) è un elemento di elaborazione del segnale selettivo in frequenza che consente vibrazione componenti al di sopra di una frequenza di taglio specificata per passare attraverso attenuando (riducendo) i componenti al di sotto della frequenza di taglio. In analisi delle vibrazioni, i filtri passa-alto vengono utilizzati per rimuovere le vibrazioni a bassa frequenza (da sbilanciare, disallineamento) e concentrarsi sui contenuti ad alta frequenza (da difetti dei cuscinetti, accoppiamento degli ingranaggi, frequenze elettriche) o per eliminare gli effetti di risonanza del montaggio del sensore e gli offset CC.
I filtri passa-alto sono componenti fondamentali in analisi dell'involucro, sistemi anti-aliasing e condizionamento del segnale, che consentono l'estrazione di informazioni diagnostiche da intervalli di frequenza specifici, rifiutando al contempo componenti a bassa frequenza indesiderati che potrebbero mascherare o sovrastare i segnali di interesse.
Caratteristiche del filtro
Frequenza di taglio (fc)
- Definizione: Frequenza in cui la risposta del filtro scende a -3 dB (70,7% di ampiezza della banda passante)
- Sotto fc: Frequenze progressivamente attenuate
- Sopra fc: Le frequenze passano con attenuazione minima
- Selezione: Scegli fc in base all'applicazione e al contenuto di frequenza di interesse
Pendenza del filtro (tasso di roll-off)
- Tasso di attenuazione al di sotto della frequenza di taglio
- Espresso in dB per ottava o dB per decade
- 1° Ordine: 6 dB/ottava (20 dB/decade) – pendenza dolce
- 2° Ordine: 12 dB/ottava (40 dB/decade) – pendenza moderata
- 4° Ordine: 24 dB/ottava (80 dB/decade) – pendenza ripida
- Ordine superiore: Transizione più netta, rifiuto migliore, ma più complesso
Tipi di filtro
- Butterworth: Risposta passabanda massimamente piatta
- Chebyshev: Taglio più netto ma con ondulazione nella banda passante
- Bessel: Migliori caratteristiche nel dominio del tempo (distorsione di fase minima)
- Ellittica: Transizione più netta ma ondulazione sia nella banda passante che in quella di arresto
Applicazioni nell'analisi delle vibrazioni
1. Rilevamento dei difetti dei cuscinetti
Applicazione più comune:
- Tagliare: Tipicamente 500-2000 Hz
- Scopo: Eliminare lo squilibrio a bassa frequenza e le vibrazioni di disallineamento
- Risultato: Concentrarsi sui segnali di impatto dei cuscinetti ad alta frequenza
- Utilizzo: Prima fase di elaborazione dell'analisi dell'involucro
2. Integrazione per velocità/spostamento
- Quando si integra l'accelerazione alla velocità o allo spostamento
- HPF a 2-10 Hz rimuove l'offset DC e le frequenze molto basse
- Previene errori di integrazione e deriva
- Essenziale per un'integrazione accurata delle basse frequenze
3. Eliminazione della risonanza del montaggio del sensore
- Risonanza di montaggio dell'accelerometro (tipicamente 3-10 kHz per montaggio magnetico)
- HPF rimuove questo artefatto di risonanza
- Assicura che le misurazioni rappresentino le vibrazioni della macchina, non gli effetti del sensore
4. Rimozione offset DC
- HPF con taglio molto basso (0,5-2 Hz) rimuove la componente CC
- Necessario per una corretta elaborazione del segnale
- Previene gli errori FFT e la deriva dell'integrazione
Implementazione pratica
Filtri analogici vs. digitali
Filtri passa-alto analogici
- Circuiti hardware nel condizionamento del segnale
- Funzionamento in tempo reale
- Anti-aliasing e condizionamento del sensore
- Caratteristiche fisse una volta progettate
Filtri passa-alto digitali
- Post-elaborazione basata su software
- Ordine di taglio e filtro regolabile
- Può essere applicato/rimosso dopo la raccolta dei dati
- Gli analizzatori moderni offrono molteplici opzioni di filtro
Selezione della frequenza di taglio
Per l'analisi dei cuscinetti
- Impostare fc al di sotto della frequenza di guasto del cuscinetto più bassa
- Tipico: taglio 500-1000 Hz
- Rimuove 1×, 2×, ingranaggi ingranati, ecc.
- Passa attraverso le frequenze di guasto dei cuscinetti (tipicamente 50-500 Hz) e la loro modulazione ad alta frequenza
Per l'integrazione
- Imposta fc alla frequenza di interesse più bassa, pari a 2-5 volte
- Troppo basso: consente la deriva
- Troppo alto: attenua i componenti validi a bassa frequenza
- Tipico: 2-10 Hz per l'integrazione generale
Effetti sulle misurazioni
Effetti di ampiezza
- Frequenze al di sotto del taglio ridotte in ampiezza
- Frequenze molto basse sostanzialmente eliminate
- Frequenze ben al di sopra del limite non influenzate
- La regione di transizione mostra una riduzione graduale
Effetti di fase
- I filtri introducono fase spostare
- Sfasamento dipendente dalla frequenza
- Può influenzare la forma d'onda nel dominio del tempo
- I filtri Bessel riducono al minimo la distorsione di fase
Effetti di forma d'onda
- Rimuove le variazioni di base a bassa frequenza
- Centra la forma d'onda attorno allo zero
- Può cambiare il carattere apparente della forma d'onda
- È importante comprendere il filtraggio quando si interpretano le forme d'onda
Combinato con altri filtri
Passa-alto + Passa-basso = Passa-banda
- HPF blocca le basse frequenze
- LPF blocca le alte frequenze
- La combinazione passa solo la banda centrale
- Crea un filtro passa-banda per una gamma di frequenza specifica
High-Pass nell'elaborazione multifase
- Anti-aliasing (passa-basso) prima della digitalizzazione
- Passa-alto per la rimozione della corrente continua
- Passa-banda per l'analisi dell'inviluppo
- Filtraggio sequenziale per il condizionamento complesso del segnale
I filtri passa-alto sono strumenti essenziali per l'elaborazione del segnale nell'analisi delle vibrazioni, consentendo l'isolamento delle informazioni diagnostiche ad alta frequenza rimuovendo le componenti dominanti a bassa frequenza. La comprensione delle caratteristiche dei filtri passa-alto (frequenza di taglio, ordine di filtraggio ed effetti su ampiezza e fase) è fondamentale per una corretta applicazione nell'analisi dei cuscinetti, nell'integrazione del segnale e in qualsiasi analisi che richieda misurazioni selettive in frequenza.
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