Comprensione del filtraggio del segnale
Filtraggio del segnale è una tecnica fondamentale di elaborazione del segnale utilizzata in analisi delle vibrazioni per rimuovere componenti di frequenza indesiderate da un segnale o per isolare specifiche frequenze di interesse. Un filtro è essenzialmente un circuito elettronico o un algoritmo software che consente a determinate frequenze di “passare” mentre ne blocca o attenua altre. È uno dei veri e propri pilastri della disciplina: il filtraggio avviene continuamente all’interno di ogni dispositivo digitale analizzatore di vibrazioni per garantire che i dati analizzati siano puliti, accurati e pertinenti all'attività diagnostica in questione.
1. Definizione: cos'è il filtraggio del segnale?
Ogni misurazione grezza delle vibrazioni è un insieme di segnali desiderati e non desiderati: rumore dei sensori, risonanze strutturali, ronzio elettrico ed energia proveniente da gamme di frequenza che semplicemente non riguardano il lavoro in corso. Un filtro è definito dalla sua frequenza di taglio (il punto in cui inizia ad attenuarsi) e il suo pendenza di attenuazione (con quale rapidità si attenua oltre quel punto). L'arte del filtraggio consiste nel far passare le informazioni diagnostiche di un segnale, sopprimendo al contempo tutto ciò che potrebbe oscurarle. Se eseguito correttamente, il filtraggio risulta impercettibile; se eseguito male, può nascondere proprio il guasto che si sta cercando di individuare.
2. Tipi comuni di filtri nell'analisi delle vibrazioni
Esistono quattro tipi fondamentali di filtri utilizzati nell'elaborazione del segnale, e ciascuno svolge un ruolo specifico nella catena del segnale dell'analizzatore:
- Filtro passa-basso: permette il passaggio delle basse frequenze ma blocca quelle alte. La frequenza alla quale il segnale inizia ad attenuarsi è la frequenza di taglio.
- Filtro passa-alto: l'opposto di un filtro passa-basso: lascia passare le alte frequenze e blocca quelle basse.
- Filtro passa-banda: consente il passaggio di una banda o di un intervallo specifico di frequenze, bloccando al contempo sia le frequenze più basse che quelle più alte. Si tratta, in effetti, di un filtro passa-alto e di un filtro passa-basso che operano in sinergia.
- Band-Stop (o Tacca) Filtro: è l'opposto di un filtro passa-banda: blocca una banda ristretta di frequenze lasciando passare tutte le altre. Il filtro notch è lo strumento ideale per eliminare una singola frequenza fastidiosa, come le interferenze elettriche alla frequenza di rete.
3. Applicazioni chiave del filtraggio
I filtri vengono utilizzati in diversi modi critici all'interno di un analizzatore di vibrazioni:
a) Filtri anti-aliasing
Si tratta probabilmente dell'applicazione più importante del filtraggio. Il filtro anti-aliasing è un filtro passa-basso a ripida pendenza applicato al segnale analogico prima viene digitalizzato. Il suo scopo è quello di eliminare tutte le componenti di frequenza superiori alla frequenza massima (Fmax) selezionata dall'utente per la misurazione.
Questo è essenziale per prevenire aliasing, un grave errore nell'elaborazione del segnale digitale in cui le alte frequenze si "ripiegano" e si mascherano da frequenze più basse, producendo un risultato completamente errato spettro da dati altrimenti validi. Poiché l'aliasing non può essere eliminato una volta che i dati sono stati campionati — i picchi falsi sono indistinguibili da quelli reali — il filtro anti-aliasing deve agire nel dominio analogico, a monte del convertitore. È l'unico componente che garantisce l'integrità di tutti i dati digitali relativi alle vibrazioni.
b) Integrazione e differenziazione
Le vibrazioni vengono misurate in termini di accelerazione, velocità o spostamento. Mentre un accelerometro Sebbene si tratti del sensore più comune, spesso l'analista desidera visualizzare i dati in termini di velocità, il che di solito richiede l'integrazione del segnale di accelerazione. L'integrazione amplifica notevolmente il rumore a bassissima frequenza — il tipico andamento a "pista da sci" che sale ripidamente verso lo zero Hz. Un filtro passa-alto rimuove questo rumore prima dell'integrazione, producendo uno spettro di velocità o di spostamento pulito e utilizzabile. L'operazione inversa, la derivazione, ha invece l'effetto opposto e amplifica il rumore ad alta frequenza.
c) Analisi dell'inviluppo (demodulazione)
Analisi dell'inviluppo, la tecnica principale per rilevare difetti dei cuscinetti, si basa fortemente sul filtraggio. Il processo prevede:
- Utilizzando un filtro passa-banda per isolare una banda ad alta frequenza in cui sono presenti i segnali d'impatto dei cuscinetti — e le eventuali risonanze strutturali da essi provocate.
- Elaborazione di questo segnale filtrato tramite demodulazione per ricavarne la frequenza di ripetizione (l'«inviluppo») degli impatti.
- Analizzare lo spettro di questo segnale di inviluppo per individuare le frequenze di guasto.
Il filtro passa-banda è fondamentale in questo caso per eliminare i segnali ad alta energia e bassa frequenza — come lo squilibrio alla velocità di funzionamento — che altrimenti coprirebbero i segnali deboli e a bassa energia relativi ai difetti dei cuscinetti ben prima che raggiungano livelli pericolosi.
d) Filtraggio diagnostico
Gli analisti possono inoltre applicare filtri digitali ai dati dopo la loro raccolta, per facilitare la diagnosi. Ad esempio, un filtro passa-banda può isolare la vibrazione intorno a una specifica frequenza di ingranamento per avere una visione più chiara del bande laterali che segnalano un guasto in fase di sviluppo al sistema di trasmissione. Un filtro di tracciamento della velocità svolge una funzione analoga sulle macchine a velocità variabile, agganciandosi a un multiplo prestabilito della velocità di funzionamento man mano che questa varia.
4. Filtraggio nel bilanciamento sul campo
Il filtraggio non è solo uno strumento diagnostico: è fondamentale per bilanciamento in situ. Per bilanciare un rotore, lo strumento deve rilevare la vibrazione esattamente a 1× la velocità di rotazione e ignorare tutto il resto. Un analizzatore portatile a due canali come il Balanset-1A utilizza un filtro di tracciamento sincrono, sincronizzato con l'impulso emesso una volta per giro dal suo tachimetro, per misurare l'ampiezza 1× e fase in modo nitido anche in presenza di un elevato rumore di banda larga. Senza tale filtraggio, il piccolo vettore 1× necessario per calcolare un peso di correzione andrebbe perso nel rumore circostante.
5. Insidie e buone pratiche
- Eliminare le prove: Un'impostazione troppo aggressiva del filtro passa-basso può eliminare le frequenze alte che contengono i primi sintomi di un difetto al cuscinetto. Scegliete una frequenza Fmax adeguata al tipo di difetto che state cercando.
- Distorsione di fase: i filtri modificano la fase del segnale in prossimità della loro frequenza di taglio. Laddove la fase è importante — bilanciamento, orbita grafici — è fondamentale disporre di un filtro con una risposta in fase lineare e ben definita.
- Dimenticare la banda: nell'analisi dell'inviluppo, la scelta di un centro di banda passante che non coincide con la risonanza che trasporta l'energia portante produce uno spettro dell'inviluppo piatto e inutile.
