Entendendo os Filtros Passa-Alta
Definição: O que é um filtro passa-alta?
Filtro passa-alta (HPF) é um elemento de processamento de sinal seletivo em frequência que permite vibração Os componentes acima de uma frequência de corte especificada passam, enquanto os componentes abaixo da frequência de corte são atenuados (reduzidos). análise de vibração, Os filtros passa-alta são usados para remover vibrações de baixa frequência (de desequilíbrio, desalinhamento) e foco em conteúdo de alta frequência (de defeitos de rolamento, engrenamento, frequências elétricas), ou para eliminar os efeitos de ressonância da montagem do sensor e os offsets CC.
Os filtros passa-alta são componentes fundamentais em análise de envelope, sistemas anti-aliasing e condicionamento de sinal, permitindo a extração de informações de diagnóstico de faixas de frequência específicas, rejeitando componentes indesejados de baixa frequência que possam mascarar ou sobrepor-se aos sinais de interesse.
Características do filtro
Frequência de corte (fc)
- Definição: Frequência em que a resposta do filtro cai para -3 dB (70,7% de amplitude da banda de passagem)
- Abaixo fc: Frequências progressivamente atenuadas
- Acima de fc: As frequências passam com atenuação mínima.
- Seleção: Escolha a frequência (fc) com base na aplicação e no conteúdo de frequência de interesse.
Inclinação do filtro (taxa de atenuação)
- Taxa de atenuação abaixo da frequência de corte
- Expressa em dB por oitava ou dB por década.
- 1ª Ordem: 6 dB/oitava (20 dB/década) – inclinação suave
- 2ª Ordem: 12 dB/oitava (40 dB/década) – inclinação moderada
- 4ª Ordem: 24 dB/oitava (80 dB/década) – inclinação acentuada
- Ordem superior: Transição mais nítida, melhor rejeição, porém mais complexo.
Tipos de filtro
- Butterworth: Resposta de banda passante extremamente plana
- Chebyshev: Corte mais preciso, mas com ondulação na banda de passagem.
- Bessel: Melhores características no domínio do tempo (distorção de fase mínima)
- Elíptico: Transição mais acentuada, mas com ondulação tanto na banda de passagem quanto na banda de rejeição.
Aplicações na Análise de Vibração
1. Detecção de defeitos em rolamentos
Aplicação mais comum:
- Cortar: Normalmente entre 500 e 2000 Hz
- Propósito: Eliminar vibrações de desbalanceamento e desalinhamento de baixa frequência
- Resultado: Foco nos sinais de impacto de rolamentos de alta frequência
- Usar: Primeira etapa no processamento de análise de envelope
2. Integração para Velocidade/Deslocamento
- Ao integrar a aceleração à velocidade ou ao deslocamento
- O filtro passa-alta (HPF) de 2 a 10 Hz remove o offset DC e frequências muito baixas.
- Previne erros de integração e desvios.
- Essencial para uma integração precisa de baixa frequência.
3. Eliminação da ressonância na montagem do sensor
- Ressonância de montagem do acelerômetro (tipicamente de 3 a 10 kHz para montagem magnética)
- O filtro passa-alta (HPF) remove esse artefato de ressonância.
- Garante que as medições representem a vibração da máquina e não os efeitos do sensor.
4. Remoção do Offset CC
- Um filtro passa-alta (HPF) com frequência de corte muito baixa (0,5-2 Hz) remove a componente CC.
- Necessário para o processamento adequado do sinal.
- Previne erros de FFT e deriva de integração
Implementação prática
Filtros analógicos versus filtros digitais
Filtros passa-alta analógicos
- Circuitos de hardware no condicionamento de sinais
- Operação em tempo real
- Anti-aliasing e condicionamento do sensor
- Características fixas uma vez projetadas
Filtros digitais passa-alta
- Pós-processamento baseado em software
- Ajuste de corte e ordem de filtro
- Pode ser aplicado/removido após a coleta de dados.
- Os analisadores modernos oferecem diversas opções de filtro.
Selecionando a frequência de corte
Para análise de rolamentos
- Defina fc abaixo da frequência mínima de falha do rolamento.
- Típico: corte de 500-1000 Hz
- Remove engrenagens 1×, 2×, engrenamento, etc.
- Passagens com frequências de falha (tipicamente 50-500 Hz) e sua modulação de alta frequência.
Para integração
- Defina fc em 2 a 5 vezes a frequência mais baixa de interesse.
- Muito baixo: permite a deriva.
- Nível muito alto: atenua componentes válidos de baixa frequência.
- Típico: 2-10 Hz para integração geral
Efeitos nas medições
Efeitos de amplitude
- Frequências abaixo do limite de corte têm amplitude reduzida.
- Frequências muito baixas foram praticamente eliminadas.
- Frequências bem acima do limite de corte não são afetadas.
- A região de transição mostra redução gradual.
Efeitos de fase
- Os filtros introduzem fase mudança
- Deslocamento de fase dependente da frequência
- Pode afetar o formato da onda no domínio do tempo.
- Os filtros de Bessel minimizam a distorção de fase.
Efeitos de forma de onda
- Remove variações de linha de base de baixa frequência
- Centraliza a forma de onda em torno de zero.
- Pode alterar o caráter aparente da forma de onda.
- É importante compreender a filtragem ao interpretar formas de onda.
Combinado com outros filtros
Filtro passa-alta + Filtro passa-baixa = Filtro passa-banda
- HPF bloqueia frequências baixas
- O filtro passa-baixa bloqueia altas frequências.
- A combinação passa apenas pela faixa intermediária.
- Cria um filtro passa-banda para uma faixa de frequência específica.
Filtro passa-alta no processamento multiestágios
- Antisserrilhamento (filtro passa-baixa) antes da digitalização
- Filtro passa-alta para remoção de corrente contínua
- Filtro passa-banda para análise de envelope
- Filtragem sequencial para condicionamento de sinais complexos
Os filtros passa-alta são ferramentas essenciais de processamento de sinais na análise de vibrações, permitindo o isolamento de informações diagnósticas de alta frequência através da remoção de componentes dominantes de baixa frequência. Compreender as características dos filtros passa-alta — frequência de corte, ordem do filtro e efeitos na amplitude e fase — é crucial para a sua correta aplicação em análises de rolamentos, integração de sinais e qualquer análise que exija medições com seletividade de frequência.
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