Zrozumienie filtrowania sygnału
Filtrowanie sygnałów jest kluczową techniką przetwarzania sygnałów stosowaną w analiza drgań w celu usunięcia niepożądanych składowych częstotliwości z sygnału lub wyodrębnienia konkretnych częstotliwości, które nas interesują. Filtr to w zasadzie obwód elektroniczny lub algorytm programowy, który “przepuszcza” określone częstotliwości, blokując lub tłumiąc pozostałe. Jest to jeden z cichych filarów tej dziedziny: filtrowanie odbywa się nieustannie w każdym cyfrowym analizator drgań aby mieć pewność, że analizowane dane są czyste, dokładne i istotne dla danego zadania diagnostycznego.
1. Definicja: Czym jest filtrowanie sygnału?
Każdy pomiar surowych drgań stanowi mieszankę sygnałów pożądanych i niepożądanych — szumów czujników, rezonansów konstrukcyjnych, szumu elektrycznego oraz energii z zakresów częstotliwości, które po prostu nie mają znaczenia dla bieżącego zadania. Filtr definiuje się poprzez jego częstotliwość graniczna (punkt, w którym zaczyna słabnąć) oraz jego roll-off (jak gwałtownie zanika poza tym punktem). Sztuka filtrowania polega na przepuszczaniu informacji diagnostycznych zawartych w sygnale przy jednoczesnym tłumieniu wszystkiego, co mogłoby je zasłonić. Dobrze wykonane filtrowanie jest niewidoczne; źle wykonane może ukryć właśnie tę usterkę, której szukasz.
2. Typowe typy filtrów w analizie drgań
W przetwarzaniu sygnałów stosuje się cztery podstawowe typy filtrów, a każdy z nich pełni określoną rolę w łańcuchu sygnałowym analizatora:
- Filtr dolnoprzepustowy: przepuszcza niskie częstotliwości, ale blokuje wysokie. Częstotliwość, przy której sygnał zaczyna ulegać tłumieniu, to częstotliwość odcięcia.
- Filtr górnoprzepustowy: przeciwieństwo filtra dolnoprzepustowego — przepuszcza wysokie częstotliwości i blokuje niskie.
- Filtr pasmowo-przepustowy: przepuszcza określone pasmo lub zakres częstotliwości, blokując jednocześnie zarówno częstotliwości niższe, jak i wyższe. W praktyce jest to połączenie działania filtra górnoprzepustowego i dolnoprzepustowego.
- Band-Stop (lub Notch) Filtr: przeciwieństwo filtra pasmowego — blokuje wąskie pasmo częstotliwości, przepuszczając jednocześnie wszystkie pozostałe. Filtr wycinający jest najlepszym rozwiązaniem do eliminacji pojedynczego niepożądanego sygnału, takiego jak zakłócenia elektryczne o częstotliwości sieciowej.
3. Kluczowe zastosowania filtrowania
Filtry są wykorzystywane w kilku istotnych celach w analizatorach drgań:
a) Filtry antyaliasingowe
Można powiedzieć, że jest to najważniejsze zastosowanie filtrowania. Filtr antyaliasingowy to filtr dolnoprzepustowy o stromnej charakterystyce, stosowany do sygnału analogowego przed jest on poddawany digitalizacji. Ma to na celu usunięcie wszystkich składowych częstotliwości powyżej częstotliwości maksymalnej (Fmax), którą użytkownik wybrał do pomiaru.
Jest to niezbędne, aby zapobiec efekt aliasingu, poważny błąd w przetwarzaniu sygnału cyfrowego, w którym wysokie częstotliwości “zginają się” i udają niższe, co powoduje całkowicie błędny widmo z danych, które poza tym są dobrej jakości. Ponieważ zjawiska aliasingu nie da się cofnąć po próbkowaniu danych — fałszywe piki są nie do odróżnienia od prawdziwych — filtr przeciwaliasingowy musi działać w dziedzinie analogowej, przed przetwornikiem. Jest to jedyny element, który gwarantuje integralność wszystkich cyfrowych danych dotyczących drgań.
b) Integracja i różnicowanie
Drgania mierzy się jako przyspieszenie, prędkość lub przemieszczenie. Chociaż akcelerometr jest to najczęściej stosowany czujnik, analityk często chce obejrzeć dane pod kątem prędkości, co zazwyczaj wymaga od analizatora zintegrowania sygnału przyspieszenia. Integracja znacznie wzmacnia szumy o bardzo niskiej częstotliwości — znaną “krzywą narciarską”, która gwałtownie rośnie w kierunku zera Hz. Filtr górnoprzepustowy usuwa ten szum przed integracją, dając czyste, użyteczne widmo prędkości lub przemieszczenia. Odwrotna operacja, czyli różniczkowanie, ma tendencję przeciwną i zamiast tego wzmacnia szumy o wysokiej częstotliwości.
c) Analiza obwiedni (demodulacja)
Analiza obwiedni, podstawowa metoda wykrywania wady łożysk, w dużej mierze opiera się na filtrowaniu. Proces obejmuje:
- Korzystanie z filtr pasmowo-przepustowy w celu wyodrębnienia pasma wysokich częstotliwości, w którym występują sygnały uderzeń łożysk — oraz wszelkie rezonanse konstrukcyjne przez nie wywoływane.
- Przetworzenie tego przefiltrowanego sygnału poprzez demodulację w celu wyodrębnienia częstotliwości powtarzania (tzw. “obwiedni”) uderzeń.
- Analiza widma tego sygnału obwiedniowego w celu zidentyfikowania częstotliwości uszkodzeń łożysk.
Filtr pasmowy odgrywa tu kluczową rolę w usuwaniu sygnałów o dużej energii i niskiej częstotliwości — takich jak niewyważenie przy prędkości roboczej — które w przeciwnym razie zagłuszyłyby słabe sygnały wskazujące na uszkodzenia łożysk, zanim osiągnęłyby niebezpieczny poziom.
d) Filtrowanie diagnostyczne
Analitycy mogą również stosować filtry cyfrowe do danych po ich zebraniu, aby ułatwić diagnozę. Na przykład filtr pasmowy może wyodrębnić drgania w okolicy określonej częstotliwość zazębienia aby lepiej przyjrzeć się wstęgi boczne które sygnalizują narastającą usterkę przekładni. Filtr śledzący prędkość wykonuje podobną funkcję w maszynach o zmiennej prędkości obrotowej, ustalając wybraną wielokrotność prędkości roboczej w miarę jej zmian.
4. Filtrowanie w równoważeniu na miejscu
Filtrowanie to nie tylko narzędzie diagnostyczne — ma ono zasadnicze znaczenie dla wyważanie w terenie. Aby wyważyć wirnik, urządzenie musi wyodrębnić drgania występujące dokładnie przy 1× prędkości obrotowej i odrzucić wszystkie pozostałe. Przenośny analizator dwukanałowy, taki jak Balanset-1A wykorzystuje synchroniczny filtr śledzący, którego odniesieniem jest impuls generowany raz na obrót przez tachometr, aby zmierzyć amplitudę 1× oraz faza wyraźnie nawet przy wysokim poziomie szumu pasmowego. Bez tego filtrowania niewielki, powtarzalny wektor 1×, niezbędny do obliczenia wagi korekcyjnej, zaginąłby w otaczającym szumie.
5. Pułapki i dobre praktyki
- Odfiltrowywanie dowodów: Zbyt agresywne ustawienie filtra dolnoprzepustowego może spowodować usunięcie składowych o wysokiej częstotliwości, które zawierają najwcześniejsze oznaki uszkodzenia łożyska. Należy dobrać częstotliwość graniczną Fmax odpowiednio do wykrywanego uszkodzenia.
- Zniekształcenie fazowe: filtry zmieniają fazę sygnału w pobliżu częstotliwości granicznej. Tam, gdzie faza ma znaczenie — np. przy wyważaniu, orbit wykresy — niezbędny jest filtr o liniowej charakterystyce fazowej.
- Zapomnienie o paśmie: W analizie obwiedniowym wybór środka pasma przepustowego, który nie pokrywa się z rezonansem przenoszącym energię związaną z uszkodzeniem łożyska, daje płaskie, bezużyteczne widmo obwiedniowe.
