Pochopenie pásmových filtrov
Definícia: Čo je pásmový filter?
Pásmový filter (BPF) je frekvenčne selektívny prvok spracovania signálu, ktorý umožňuje vibrácie zložky v rámci určeného frekvenčného pásma, ktorými majú prechádzať, a zároveň zoslabovať zložky pod aj nad týmto pásmom. Kombinuje vlastnosti hornopriepustného filtra (blokovanie nízkych frekvencií) a dolnopriepustného filtra (blokovanie vysokých frekvencií) a vytvára “okno”, ktoré prepúšťa iba vybraný stredný frekvenčný rozsah. Pásmové filtre sú definované svojou strednou frekvenciou, šírkou pásma a poradím/strmosťou filtra.
Pri analýze vibrácií sú pásmové filtre nevyhnutné pre analýza obálky (izolácia frekvencií nárazov ložiska), cielená diagnostika (skúmanie špecifických frekvenčných rozsahov) a eliminácia nežiaducich vibrácií mimo sledovaného frekvenčného pásma s cieľom zlepšiť pomer signálu k šumu a jasnosť merania.
Parametre filtra
Stredná frekvencia (f0)
- Stred priepustného pásma
- Frekvencia maximálnej odozvy filtra
- Vybrané na základe frekvenčného obsahu záujmu
- Zvyčajne sa volí tak, aby zodpovedala rezonančnej alebo poruchovej frekvencii
Šírka pásma (BW)
- Definícia: Frekvenčný rozsah medzi bodmi -3 dB (f_high – f_low)
- Úzkopásmové: ČB < 10% strednej frekvencie (vysoko selektívne)
- Širokopásmový: BW > 50% strednej frekvencie (menej selektívne)
- Faktor Q: Q = f0 / BW (vyššie Q = užšie, selektívnejšie)
Charakteristiky filtra
- Dolná medzná hodnota (f_low): Frekvencia, kde dolná krivka dosahuje -3 dB
- Horná medzná hodnota (f_high): Frekvencia, kde horná hranica dosahuje -3 dB
- Tvarový faktor: Pomer šírky zadržiavacieho pásma k šírke priepustného pásma (miera selektivity)
Aplikácie vo vibračnej analýze
1. Analýza obálky (primárna aplikácia)
Prvý kritický krok pri detekcii chýb ložiska:
- Výber kapely: typicky 500 Hz – 10 kHz alebo 1 kHz – 20 kHz
- Účel: Izolujte vysokofrekvenčné rezonancie ložísk budené nárazmi
- Proces: BPF → detekcia obálky → Rýchla premena funkcie (FFT) obálky
- Výsledok: Vylepšené frekvencie porúch ložísk jasne viditeľné
2. Analýza rezonančného pásma
- Filter okolo štrukturálnej alebo ložiskovej rezonančnej frekvencie
- Izolujte energiu v rezonancii od iných frekvencií
- Posúďte budenie a odozvu v špecifickom režime
- Užitočné pri riešení problémov s rezonanciou
3. Izolácia frekvenčného rozsahu
- Zameranie na špecifický diagnostický frekvenčný rozsah
- Príklad: 10 – 100 Hz pre nízkofrekvenčnú analýzu
- Odstraňuje nízkofrekvenčný drift a vysokofrekvenčný šum
- Zlepšuje prehľadnosť sledovaných frekvencií
4. Izolácia ozubeného pletiva
- BPF so stredom na frekvencii záberu ozubeného kolesa
- Prepúšťa sieťovú frekvenciu a bočné pásma
- Blokuje iné prevodové stupne a frekvencie ložísk
- Umožňuje cielenú analýzu prevodov
Návrh pásmového filtra
Kaskádovaný dolnopriepustný a hornopriepustný kanál
Najbežnejšia implementácia:
- Hornopriepustný filter blokuje frekvencie pod f_low
- Dolnopriepustný filter blokuje frekvencie nad f_high
- Sériová kombinácia vytvára pásmovú priepust
- Každý filter prispieva k celkovej selektivite
Priamy dizajn s pásmovou priepustnosťou
- Optimalizované ako jeden filter namiesto kaskády
- Zložitejšie, ale s lepšími vlastnosťami
- Používa sa v špecializovaných aplikáciách
Praktické úvahy
Kompromisy pri výbere šírky pásma
Úzka šírka pásma
- Výhody: Lepšia selektivita, silnejšie potlačenie susedných frekvencií
- Nevýhody: Môže prehliadať frekvenčné zmeny, vyžaduje presné ladenie
- Použitie: Keď je presná frekvencia známa a stabilná
Široká šírka pásma
- Výhody: Zachytáva frekvenčné zmeny, menej kritické ladenie
- Nevýhody: Menšie potlačenie blízkych nežiaducich frekvencií
- Použitie: Keď sa frekvencia mení alebo je potrebný rozsah frekvencií
Pre analýzu obálok
- Typické pásma: 500-2000 Hz, 1000-5000 Hz, 5000-20000 Hz
- Výber: Vyberte pásmo s dobrým budením rezonancie ložiska
- Overiť: Skontrolujte spektrum surového zrýchlenia na identifikáciu rezonancie
- Optimalizovať: Upravte pre maximalizáciu signálu o poruche ložiska
Vplyv filtrov na signály
Efekty časových vĺn
- Filtrovaný priebeh zobrazuje iba frekvencie v priepustnom pásme
- Zobrazuje sa ako modulovaný nosič (ak je úzkopásmový)
- Odstraňuje nízkofrekvenčné variácie a vysokofrekvenčný šum
- Môže zjednodušiť interpretáciu priebehu signálu
Spektrálne efekty
- Zachované amplitúdy priepustného pásma
- Znížené amplitúdy v pásme zadržania (typicky 40 – 80 dB)
- Čistejšie spektrum so zameraním na pásmo záujmu
- Ak je šum mimo priepustného pásma, je znížená jeho spodná hranica.
Digitálne vs. analógové pásmové filtre
Analógové filtre
- Hardvérová implementácia v signálovej ceste
- Prevádzka v reálnom čase
- Pevné charakteristiky po návrhu
- Používa sa v anti-aliasingu a úprave signálu
Digitálne filtre
- Spracovanie softvéru po digitalizácii
- Nastaviteľné parametre
- Možno použiť/odstrániť po odbere
- Moderné analyzátory ponúkajú rozsiahle možnosti digitálneho BPF
Bežné aplikácie podľa frekvenčného rozsahu
Nízkofrekvenčný pásmový priepust (10 – 200 Hz)
- Analýza nevyváženosti a nesúososti
- Monitorovanie nízkorýchlostných strojov
- Vibrácie základov a konštrukcií
Stredofrekvenčný pásmový priepust (200 – 2000 Hz)
- Frekvencie záberu ozubených kolies
- Frekvencie prechodu lopatiek/lopatiek
- Nižšie frekvencie porúch ložísk
Vysokofrekvenčná pásmová priepust (2 – 40 kHz)
- Analýza obálky defektov ložiska
- Vysokofrekvenčné vplyvy
- Ultrazvukové frekvencie
- Rezonančné budenie ložiska
Pásmové priepustné filtre sú všestranné nástroje na spracovanie signálu, ktoré umožňujú cielenú analýzu špecifických frekvenčných rozsahov a zároveň potlačujú nežiaduce nízkofrekvenčné a vysokofrekvenčné zložky. Zvládnutie výberu a aplikácie pásmových priepustných filtrov – najmä pre analýzu obálok a izoláciu frekvenčného rozsahu – je nevyhnutné pre pokročilú vibračnú diagnostiku a efektívnu extrakciu diagnostických informácií zo zložitých vibračných podpisov.
EN 
AR 
AZ 
BG 
ZH 
HR 
CS 
DA 
NL 
ET 
FI 
FR 
DE 
KA 
EL 
HE 
HI 
HU 
ID 
IT 
JA 
KO 
LV 
LT 
MS 
NB 
FA 
PL 
PT_BR 
PT 
RO 
SR 
SK 
SL 
ES 
SV 
TH 
TR 
UR 
UK 
VI 