Compreendendo a filtragem de sinais
Filtragem de sinais é uma técnica crucial de processamento de sinais utilizada em análise de vibração para remover componentes de frequência indesejados de um sinal ou para isolar frequências específicas de interesse. Um filtro é, essencialmente, um circuito eletrónico ou um algoritmo de software que permite que determinadas frequências «passem», ao mesmo tempo que bloqueia ou atenua outras. É um dos elementos fundamentais e discretos da disciplina: a filtragem ocorre continuamente no interior de todos os dispositivos digitais analisador de vibração para garantir que os dados analisados sejam limpos, precisos e relevantes para a tarefa de diagnóstico em questão.
1. Definição: O que é filtragem de sinal?
Cada medição de vibração em bruto é uma mistura dos sinais desejados e dos sinais indesejados — ruído do sensor, ressonâncias estruturais, zumbido elétrico e energia proveniente de gamas de frequências que simplesmente não são relevantes para a tarefa em questão. Um filtro é definido pela sua frequência de corte (o ponto em que começa a atenuar-se) e a sua roll-off (a rapidez com que se atenua a partir desse ponto). A arte da filtragem reside em deixar passar a informação relevante de um sinal, suprimindo tudo o que possa obscurecê-la. Quando bem feita, é impercetível; quando mal feita, pode ocultar precisamente a falha que se procura.
2. Tipos comuns de filtros em análise de vibração
Existem quatro tipos básicos de filtro utilizados no processamento de sinais, e cada um desempenha uma função específica na cadeia de sinal do analisador:
- Filtro passa-baixa: permite a passagem das baixas frequências, mas bloqueia as altas frequências. A frequência a partir da qual o sinal começa a ser atenuado é a frequência de corte.
- Filtro passa-alta: o oposto de um filtro passa-altas — permite a passagem das frequências altas e bloqueia as frequências baixas.
- Filtro passa-banda: permite a passagem de uma banda ou gama específica de frequências, bloqueando simultaneamente as frequências mais baixas e as mais altas. Trata-se, na prática, de um filtro passa-alto e de um filtro passa-baixo a funcionar em conjunto.
- Band-Stop (or Notch) Filter: o oposto de um filtro passa-banda — bloqueia uma banda estreita de frequências, permitindo a passagem de todas as outras. Um filtro notch é a ferramenta ideal para rejeitar um único tom indesejado, como a interferência elétrica à frequência da rede.
3. Principais aplicações da filtragem
Os filtros são usados de diversas maneiras críticas dentro de um analisador de vibração:
a) Filtros anti-aliasing
Esta é, sem dúvida, a aplicação mais importante da filtragem. O filtro anti-aliasing é um filtro passa-baixa de resposta acentuada aplicado ao sinal analógico antes de é digitalizado. O seu objetivo é eliminar todo o conteúdo de frequência acima da frequência máxima (Fmax) que o utilizador selecionou para a medição.
Isto é essencial para evitar aliasing, um grave erro de processamento de sinais digitais em que as altas frequências se «dobram» e se disfarçam de frequências mais baixas, produzindo um resultado completamente incorreto espectro a partir de dados que, de resto, seriam bons. Uma vez que o aliasing não pode ser revertido após a amostragem dos dados — os picos falsos são indistinguíveis dos reais —, o filtro anti-aliasing deve atuar no domínio analógico, antes do conversor. É o único componente que garante a integridade de todos os dados digitais de vibração.
b) Integração e Diferenciação
A vibração é medida em termos de aceleração, velocidade ou deslocamento. Embora um acelerômetro Embora seja o sensor mais comum, um analista pretende frequentemente visualizar os dados em termos de velocidade, o que normalmente exige que o analisador integre o sinal de aceleração. A integração amplifica significativamente o ruído de frequência muito baixa — a conhecida «curva em forma de pista de esqui» que sobe abruptamente em direção a zero Hz. Um filtro passa-alto remove esse ruído antes da integração, produzindo um espetro de velocidade ou deslocamento limpo e utilizável. A operação inversa, a derivação, tem a tendência oposta e amplifica, em vez disso, o ruído de alta frequência.
c) Análise de envelope (demodulação)
Análise de envelope, a principal técnica para a deteção de defeitos de rolamento, depende fortemente da filtragem. O processo envolve:
- Usando um filtro passa-banda para isolar uma banda de alta frequência onde se encontram os sinais de impacto dos rolamentos — e qualquer ressonância estrutural por eles provocada.
- Processar este sinal filtrado através da demodulação para extrair a frequência de repetição (o «envelope») dos impactos.
- Analisar o espetro deste sinal de envelope para identificar as frequências de falha dos rolamentos.
O filtro passa-banda é fundamental neste caso para eliminar os sinais de alta energia e baixa frequência — tais como o desequilíbrio à velocidade de funcionamento — que, de outra forma, sobrepor-se-iam aos sinais minúsculos e de baixa energia indicativos de defeitos nos rolamentos, muito antes de estes atingirem uma magnitude perigosa.
d) Filtragem de Diagnóstico
Os analistas também podem aplicar filtros digitais aos dados após a sua recolha, para facilitar o diagnóstico. Por exemplo, um filtro passa-banda pode isolar a vibração em torno de uma frequência específica frequência de engrenamento para ter uma visão mais clara do faixas laterais que revelam uma avaria em desenvolvimento na engrenagem. Um filtro de acompanhamento de ordens desempenha uma função semelhante em máquinas de velocidade variável, fixando-se num múltiplo selecionado da velocidade de funcionamento à medida que esta varia.
4. Filtragem no equilíbrio em campo
A filtragem não é apenas um auxílio ao diagnóstico — é fundamental para equilibragem no local. Para equilibrar um rotor, o instrumento deve captar a vibração exatamente a 1× a velocidade de funcionamento e ignorar tudo o resto. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A utiliza um filtro de rastreamento síncrono, referenciado ao impulso de uma vez por volta proveniente do seu tacômetro, para medir a amplitude de 1× e fase com clareza, mesmo quando o ruído de banda larga é elevado. Sem essa filtragem, o pequeno vetor 1× repetível necessário para calcular um peso de correção perder-se-ia no ruído circundante.
5. Armadilhas e boas práticas
- Ignorar as provas: Uma configuração de filtro passa-baixa demasiado agressiva pode eliminar o conteúdo de alta frequência que contém os primeiros sintomas de defeitos nos rolamentos. Escolha o Fmax adequado à avaria que pretende detetar.
- Distorção de fase: Os filtros alteram a fase do sinal perto da sua frequência de corte. Nos casos em que a fase é importante — equilíbrio, órbita gráficos — é essencial um filtro com uma resposta em fase linear e estável.
- Esquecendo a banda: Na análise de envelopes, a escolha de um centro de passa-banda que não coincida com a ressonância que transporta a energia dos rolamentos resulta num espetro de envelope plano e inútil.
