Aliasinga izpratne vibrācijas analīzē
Aliasing ir signāla apstrādes kļūda, kas var sabojāt vibrācijas datu digitālo analīzi. Tā notiek, ja signāls tiek paraugu ņemts ar pārāk zemu frekvenci, lai fiksētu tā augstākās frekvences komponentes, tāpēc šīs augstās frekvences “salokās” un izliekas par zemākajām frekvencēm iegūtajā signālā. FFT spektrs. Rezultātā rodas viltus maksimumi, kas nekad nav bijuši reālajā iekārtā, un tie var novest pie nopietnas diagnozes kļūdas. Izpratne par aliasingu un aizsardzību pret to ir būtiska, lai uzticētos jebkuram digitālajam rādījumam. vibrācijas spektrs.
1. Definīcija: Kas ir Aliasing?
Kad analizators pārveido vibrācijas signālu ciparu formātā, tas nefiksē nepārtrauktu līkni; tas ieraksta diskrētu paraugu secību - momentuzņēmumus, kas uzņemti noteiktā laika intervālā. Ja starp šiem momentuzņēmumiem ir pārāk liels intervāls attiecībā pret signāla izmaiņu ātrumu, analizators burtiski nespēj atšķirt ātru vilni no lēna viļņa. Dažus punktus, ko tas fiksē no augstfrekvences komponentes, var savienot pilnīgi ticamā zemas frekvences sinusoidālā vilnī. Šī šķietamā zemā frekvence ir alias, un, tiklīdz tas parādās spektrs tā neatšķiras no īstas vibrācijas šajā frekvencē.
2. Nikvista teorēma un paraugu ņemšanas ātrums
Lai izprastu aliasingu, vispirms ir jāizprot Nikvista teorēma (Nyquist-Shannon izlases teorēma). Šis ciparu signālu apstrādes pamatprincips nosaka:
Lai precīzi atveidotu analogo signālu ciparu formātā, paraugu ņemšanas frekvence (Fs) jābūt vismaz divas reizes lielākam par augstāko frekvences komponentu (Fmax), kas atrodas signālā.
Šis minimālais paraugu ņemšanas ātrums (2 × Fmax) sauc par Nīkvista paraugošanas frekvence. Apgriežot to otrādi, augstākā frekvence, ko var precīzi izmērīt ar noteiktu paraugu ņemšanas ātrumu, ir puse no tās: Fmax = Fs / 2. Šī maksimālā robeža ir Nikvista frekvence. Jebkuru reālo frekvenci virs Nikvista frekvences nav iespējams godīgi attēlot, un tā vietā tā tiks atstarota atpakaļ zem tās. Praksē izvēlētā Fmax nosaka arī analīzes izšķirtspēju kopā ar FFT līniju skaitu - šo attiecību var izpētīt, izmantojot FFT izšķirtspējas kalkulators plānojot mērījumus.
3. Kā rodas aliasings?
Iedomājieties, ka augstfrekvences vibrāciju mēra ar digitālo analizatoru, kas ņem diskrētus paraugus ar fiksētu ātrumu:
- Ja paraugu ņemšanas ātrums ir pietiekami augsts - krietni virs Nikvista ātruma - analizators uztver pietiekami daudz punktu vienā ciklā, lai precīzi rekonstruētu viļņu formu.
- Ja paraugu ņemšanas ātrums ir pārāk zems, analizators neņem vērā to, kas notiek starp paraugiem. Daži punkti, kurus tas fiksē, savienojas pilnīgi citā, zemākas frekvences sinusoidālā vilnī. Šī viltus zemā frekvence ir alias.
Konkrēts piemērs: pieņemsim, ka signāls satur reālu 900 Hz komponenti, bet analizatora Fmax ir iestatīts uz 500 Hz, kas atbilst 1000 Hz paraugu ņemšanas frekvencei. 900 Hz saturs atrodas virs 500 Hz Nyquist frekvences, un to nevar pareizi izmērīt. Tas tiek aliasēts un atkal parādās pie Fs - 900 = 1000 - 900 = 100 Hz. Analītiķis, kas skenē spektru, varētu viegli sajaukt šo 100 Hz pīķi ar 100 Hz pīķi. 1× skriešanas ātrums vibrāciju vai reālu defektu un vajā defektu, kas nepastāv. Vēl ļaunāk, augstas frekvences vaininieki - gultņu triecieni, zobratu sietu enerģija, elektriskais troksnis - bieži vien ir tieši tie signāli, kuriem analītiķis visvairāk vēlas uzticēties.
4. Aliasinga novēršana: pretaliasinga filtrs
Nav iespējams iepriekš uzzināt visu augstfrekvences signāla saturu, ko tas var saturēt - ultraskaņas troksnis, spēcīgi triecieni, radiofrekvences traucējumi un elektriskais uztveršana var iejaukties. Tāpēc vienkārša cerība, ka paraugu ņemšanas ātrums ir pietiekami augsts, nav droša stratēģija.
Risinājums, ko izmanto visos modernajos digitālajos vibrāciju analizatoros, ir pretaliasinga filtrs: stāvs zemfrekvences filtrs novietots signāla ceļā pirms analogo ciparu pārveidotājs (ADC). Tas darbojas šādi:
- Lietotājs nosaka vēlamo maksimālo frekvenci Fmax, lai veiktu analīzi.
- Pamatojoties uz šo Fmax, analizators automātiski iestata pretaliasinga filtra nogriešanas frekvenci tieši virs Fmax.
- Analogs sensors Signāls iet caur filtru, kas noņem vai spēcīgi vājina visu, kas atrodas virs robežvērtības.
- Tikai filtrēts, tīrs signāls nonāk līdz ADC, lai veiktu paraugu ņemšanu.
Tā kā filtrs atņem augstās frekvences, kuras nevar apstrādāt ar izvēlēto paraugu ņemšanas ātrumu. pirms notiek paraugu ņemšana, tā padara aliasingu fiziski neiespējamu. Īsts filtrs nevar bezgalīgi strauji nogriezt, tāpēc nogriešanas robeža ir iestatīta nedaudz zem Nikvista frekvences, lai uz filtra pārejas joslas paliktu aizsargjosla. Pretaliasinga filtrs ir viens no svarīgākajiem jebkura analizatora elementiem, kas nodrošina, ka iegūtais FFT ir patiess un precīzs mašīnas vibrāciju attēls izvēlētajā diapazonā. Ņemiet vērā, ka šai filtrēšanai jābūt analogai un tai jānotiek pirms digitalizācijas - piemērojot digitālā filtrēšana pēc ADC vairs nevar atcelt aliasētu frekvenci, jo līdz tam brīdim viltus frekvence jau ir iestrādāta datos.
5. Praktiskā ietekme uz analītiķi
Lauka inženieriem ir jāmācās ievērot instrumenta frekvences iestatījumus. Izvēloties Fmax pārāk zems, lai saglabātu labu rezolūcija pie zemas kārtas maksimumiem var noslēpt svarīgu augstfrekvences informāciju; pretaliasinga filtrs pasargās jūs no viltus maksimumiem, bet tas nevar parādīt enerģiju, kuru esat atfiltrējuši. Uzticami instrumenti to dara automātiski - pārnēsājams analizators, piem. Balanset-1A izmanto aparatūras pretaliasingu pirms ADC, tāpēc spektros, ko tas rāda diagnostikai, un 1× amplitūdas un fāzes datos, ko tas izmanto balansēšanai, visā darba diapazonā nav aliasinga artefaktu. Praktiskās atziņas: iestatiet Fmax pietiekami augstu, lai aptvertu visaugstāko bojājuma frekvenci, par kuru jums rūp, paļaujieties, ka pareizi konstruēts analizators nealiasēs, un izturieties pret jebkuru neizskaidrojamu zemas frekvences maksimumu ar pamatotu skepsi, kamēr neesat izslēguši citus cēloņus.
