Pochopenie hornopriepustných filtrov
Definícia: Čo je to hornopriepustný filter?
Hornopriepustný filter (HPF) je frekvenčne selektívny prvok spracovania signálu, ktorý umožňuje vibrácie prepúšťanie zložiek nad špecifikovanou medznou frekvenciou a zároveň zoslabovanie (redukovanie) zložiek pod medznou frekvenciou. V analýza vibrácií, hornopriepustné filtre sa používajú na odstránenie nízkofrekvenčných vibrácií (z nevyváženosť, nesprávne zarovnanie) a zamerať sa na obsah s vysokou frekvenciou (od chyby ložísk, záber ozubených kolies, elektrické frekvencie) alebo na elimináciu rezonančných efektov montáže snímača a jednosmerných ofsetov.
Hornopriepustné filtre sú základnými komponentmi v analýza obálky, systémy proti aliasingu a úprava signálu, ktoré umožňujú extrakciu diagnostických informácií zo špecifických frekvenčných rozsahov a zároveň odmietajú nežiaduce nízkofrekvenčné zložky, ktoré by mohli maskovať alebo prehlbovať sledované signály.
Charakteristiky filtra
Medzná frekvencia (fc)
- Definícia: Frekvencia, pri ktorej odozva filtra klesne na -3 dB (70,7% amplitúdy priepustného pásma)
- Pod fc: Frekvencie postupne zoslabované
- Nad fc: Frekvencie prechádzajú s minimálnym útlmom
- Výber: Vyberte fc na základe aplikácie a frekvenčného obsahu, ktorý vás zaujíma
Sklon filtra (miera poklesu)
- Miera útlmu pod medznou frekvenciou
- Vyjadrené v dB na oktávu alebo dB na dekádu
- 1. objednávka: 6 dB/oktáva (20 dB/dekáda) – mierny sklon
- 2. objednávka: 12 dB/oktáva (40 dB/dekáda) – mierny sklon
- 4. poriadok: 24 dB/oktáva (80 dB/dekáda) – strmý sklon
- Vyšší rád: Ostrejší prechod, lepšie odmietnutie, ale zložitejšie
Typy filtrov
- Butterworth: Maximálne plochá odozva priepustného pásma
- Čebyšev: Ostrejšie odrezanie, ale so zvlnením v priepustnom pásme
- Bessel: Najlepšie charakteristiky v časovej doméne (minimálne fázové skreslenie)
- Eliptický trenažér: Najostrejší prechod, ale zvlnenie v priepustnom aj zadržiavacom pásme
Aplikácie vo vibračnej analýze
1. Detekcia defektov ložiska
Najbežnejšia aplikácia:
- Hraničný limit: Typicky 500 – 2 000 Hz
- Účel: Odstráňte nízkofrekvenčnú nevyváženosť a vibrácie spôsobené nesúososťou
- Výsledok: Zameranie na vysokofrekvenčné signály nárazu ložísk
- Použitie: Prvá fáza spracovania analýzy obálok
2. Integrácia pre rýchlosť/posun
- Pri integrácii zrýchlenia do rýchlosti alebo posunutia
- HPF pri 2 – 10 Hz odstraňuje jednosmerný posun a veľmi nízke frekvencie
- Zabraňuje chybám integrácie a posunu
- Nevyhnutné pre presnú integráciu nízkych frekvencií
3. Eliminácia rezonancie pri montáži snímača
- Rezonancia montáže akcelerometra (typicky 3 – 10 kHz pre magnetickú montáž)
- HPF odstraňuje tento rezonančný artefakt
- Zaisťuje, že merania predstavujú vibrácie stroja, nie vplyvy senzorov
4. Odstránenie jednosmerného ofsetu
- HPF s veľmi nízkou medznou hodnotou (0,5 – 2 Hz) odstraňuje jednosmernú zložku
- Nevyhnutné pre správne spracovanie signálu
- Zabraňuje chybám FFT a integračnému posunu
Praktická implementácia
Analógové vs. digitálne filtre
Analógové hornopriepustné filtre
- Hardvérové obvody v úprave signálu
- Prevádzka v reálnom čase
- Anti-aliasing a úprava senzorov
- Pevné charakteristiky po návrhu
Digitálne hornopriepustné filtre
- Softvérové následné spracovanie
- Nastaviteľné hraničné hodnoty a poradie filtrov
- Možno použiť/odstrániť po zhromaždení údajov
- Moderné analyzátory ponúkajú viacero možností filtrovania
Výber medznej frekvencie
Pre analýzu ložísk
- Nastavte fc pod najnižšiu frekvenciu porúch ložiska
- Typické: medzná frekvencia 500 – 1 000 Hz
- Odstraňuje 1×, 2×, ozubené koleso atď.
- Prepúšťa frekvencie porúch ložísk (typicky 50 – 500 Hz) a ich vysokofrekvenčnú moduláciu
Pre integráciu
- Nastavte fc na 2-5 × najnižšiu sledovanú frekvenciu
- Príliš nízko: umožňuje drift
- Príliš vysoká: tlmí platné nízkofrekvenčné zložky
- Typické: 2 – 10 Hz pre všeobecnú integráciu
Vplyvy na merania
Amplitúdové efekty
- Frekvencie pod medznou hodnotou so zníženou amplitúdou
- Veľmi nízke frekvencie sú v podstate eliminované
- Frekvencie výrazne nad hranicou nie sú ovplyvnené
- Prechodný región vykazuje postupný pokles
Fázové efekty
- Predstavujeme filtre fáza posun
- Fázový posun závislý od frekvencie
- Môže ovplyvniť tvar vlny v časovej doméne
- Besselove filtre minimalizujú fázové skreslenie
Efekty vlnových tvarov
- Odstraňuje nízkofrekvenčné odchýlky základnej línie
- Centruje priebeh okolo nuly
- Môže zmeniť zdanlivý charakter vlny
- Dôležité pochopenie filtrovania pri interpretácii priebehov
V kombinácii s inými filtrami
Hornopriepust + nízkopriepust = pásmová priepust
- HPF blokuje nízke frekvencie
- LPF blokuje vysoké frekvencie
- Kombinácia prechádza iba stredným pásmom
- Vytvára pásmový filter pre špecifický frekvenčný rozsah
Hornopriepustné striedanie vo viacstupňovom spracovaní
- Anti-aliasing (nízkopriepustný signál) pred digitalizáciou
- Hornopriepustný kanál pre odstránenie jednosmerného prúdu
- Pásmová priepustnosť pre analýzu obálok
- Sekvenčné filtrovanie pre komplexné úpravy signálu
Hornopriepustné filtre sú základnými nástrojmi na spracovanie signálu pri analýze vibrácií, ktoré umožňujú izoláciu vysokofrekvenčných diagnostických informácií odstránením dominantných nízkofrekvenčných zložiek. Pochopenie charakteristík hornopriepustných filtrov – medznej frekvencie, poradia filtrov a vplyvu na amplitúdu a fázu – je kľúčové pre ich správne použitie pri analýze ložísk, integrácii signálov a akejkoľvek analýze vyžadujúcej frekvenčne selektívne meranie.
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 