ISO 13373-2:2016
(Main)Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration condition monitoring — Part 2: Processing, analysis and presentation of vibration data
Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration condition monitoring — Part 2: Processing, analysis and presentation of vibration data
ISO 13373-2:2016 recommends procedures for processing and presenting vibration data and analyzing vibration signatures for the purpose of monitoring the vibration condition of rotating machinery, and performing diagnostics as appropriate. Different techniques are described for different applications. Signal enhancement techniques and analysis methods used for the investigation of particular machine dynamic phenomena are included. Many of these techniques can be applied to other machine types, including reciprocating machines. Example formats for the parameters that are commonly plotted for evaluation and diagnostic purposes are also given. ISO 13373-2:2016 is divided essentially into two basic approaches when analysing vibration signals: the time domain and the frequency domain. Some approaches to the refinement of diagnostic results, by changing the operational conditions, are also covered. ISO 13373-2:2016 includes only the most commonly used techniques for the vibration condition monitoring, analysis and diagnostics of machines. There are many other techniques used to determine the behaviour of machines that apply to more in‑depth vibration analysis and diagnostic investigations beyond the normal follow‑on to machinery condition monitoring. A detailed description of these techniques is beyond the scope of ISO 13373-2:2016, but some of these more advanced special purpose techniques are listed in Clause 5 for additional information. For specific machine types and sizes, the ISO 7919 and ISO 10816 series provide guidance for the application of broadband vibration magnitudes for condition monitoring, and other documents such as VDI 3839 provide additional information about machinery‑specific problems that can be detected when conducting vibration diagnostics.
Surveillance et diagnostic d'état des machines — Surveillance des vibrations — Partie 2: Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
ISO 13373-2:2016 spécifie des procédures recommandées pour le traitement et la présentation des données vibratoires et l'analyse des signatures vibratoires aux fins de surveillance des vibrations des machines tournantes et la réalisation de diagnostics, le cas échéant. Elle décrit différentes techniques en fonction des diverses applications. Elle présente par ailleurs des techniques d'amélioration des signaux et des méthodes d'analyse destinées à l'étude des phénomènes dynamiques de machines spécifiques. Plusieurs de ces techniques peuvent être appliquées à d'autres types de machines, y compris les machines alternatives. Elle donne en outre des exemples de formats pour des paramètres communément représentés aux fins d'évaluation et de diagnostic. ISO 13373-2:2016 est essentiellement fondée sur deux principes de base pour l'analyse des signaux de vibration: le domaine temporel et le domaine fréquentiel. Certaines méthodes d'affinement des résultats du diagnostic par variation des conditions de fonctionnement sont également couvertes. ISO 13373-2:2016 ne présente que les techniques les plus couramment utilisées pour la surveillance, l'analyse et le diagnostic des vibrations des machines. Plusieurs autres techniques sont mises en ?uvre pour la détermination du comportement des machines et sont appliquées dans des études fondées sur une analyse et un diagnostic plus approfondis des vibrations qui dépassent le cadre du simple suivi pour la surveillance des machines. Une description détaillée de ces techniques ne relève pas du domaine d'application de la présente partie de l'ISO 13373, mais l'Article 5 établit, à titre d'information complémentaire, une liste de certaines de ces techniques spécialisées et encore plus développées. Pour des machines de types et de dimensions spécifiques, les séries de normes ISO 7919 et ISO 10816 fournissent des principes directeurs pour l'application de grandeurs vibratoires à large bande destinée à la surveillance d'état des machines; d'autres documents tels que la norme VDI 3839 apportent des informations supplémentaires sur les problèmes spécifiques aux machines qui peuvent être identifiés par un diagnostic des vibrations.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
FINAL
INTERNATIONAL ISO/FDIS
DRAFT
STANDARD 13373-2
ISO/TC 108/SC 2
Condition monitoring and diagnostics
Secretariat: DIN
of machines — Vibration condition
Voting begins
on: 2015-09-29 monitoring —
Voting terminates
Part 2:
on: 2015-11-29
Processing, analysis and presentation
of vibration data
Surveillance et diagnostic d’état des machines — Surveillance des
vibrations —
Partie 2: Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO
SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION
OF ANY RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH
THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPOR TING
DOCUMENTATION.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
Reference number
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNO-
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES,
DRAFT INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON
OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE
LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STAN-
DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
©
NATIONAL REGULATIONS. ISO 2015
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
© ISO 2015, Published in Switzerland
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
the requester.
ISO copyright office
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
ii © ISO 2015 – All rights reserved
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Signal conditioning . 1
3.1 General . 1
3.2 Analog and digital systems . 3
3.2.1 General. 3
3.2.2 Digitizing techniques . . 4
3.3 Signal conditioners . 4
3.3.1 General. 4
3.3.2 Integration and differentiation . 4
3.3.3 Root-mean-square vibration value . 5
3.3.4 Dynamic range . 6
3.3.5 Calibration . 6
3.4 Filtering . 7
4 Data processing and analysis . 7
4.1 General . 7
4.2 Time domain analysis . 8
4.2.1 Time wave forms. 8
4.2.2 Beating . 9
4.2.3 Modulation .10
4.2.4 Envelope analysis .11
4.2.5 Monitoring of of narrow‑band frequency spectrum envelope .11
4.2.6 Shaft orbit .12
4.2.7 D.c. shaft position .12
4.2.8 Transient vibration .12
4.2.9 Impulse .13
4.2.10 Damping .14
4.2.11 Time domain averaging .16
4.3 Frequency domain analysis .17
4.3.1 General.17
4.3.2 Fourier transform .17
4.3.3 Leakage and windowing .18
4.3.4 Frequency resolution .19
4.3.5 Record length .19
4.3.6 Amplitude modulation (sidebands) .19
4.3.7 Aliasing .21
4.3.8 Synchronous sampling . .22
4.3.9 Spectrum averaging . .23
4.3.10 Logarithmic plots (with dB references) .23
4.3.11 Zoom analysis .24
4.3.12 Differentiation and integration .24
4.4 Display of results during operational changes .25
4.4.1 Amplitude and phase (Bode plot) .25
4.4.2 Polar diagram (Nyquist diagram) .26
4.4.3 Cascade (waterfall) diagram .27
4.4.4 Campbell diagram .29
4.5 Real‑time analysis and real‑time bandwidth .30
4.6 Order tracking (analog and digital) .31
4.7 Octave and fractional‑octave analysis .31
4.8 Cepstrum analysis .31
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
5 Other techniques .32
Bibliography .34
iv © ISO 2015 – All rights reserved
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical
Barriers to Trade (TBT) see the following URL: Foreword ‑ Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and condition
monitoring, Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied
to machines, vehicles and structures.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 13373‑2:2005), which has been
technically revised.
ISO 13373 consists of the following parts, under the general title Condition monitoring and diagnostics of
machines — Vibration condition monitoring:
— Part 1: General procedures
— Part 2: Processing, analysis and presentation of vibration data
— Part 3: Guidelines for vibration diagnosis
— Part 9: Diagnostic techniques for electric motors
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
Introduction
The purpose of this part of ISO 13373, which covers the area of vibration condition monitoring of
machines, is to provide recommended methods and procedures for processing signals and analyzing
data obtained from vibration transducers attached to a machine at selected locations for the purpose of
monitoring the dynamic behaviour of a machine.
Broadband vibration measurements provide an overview of the severity of machine vibration that can
be observed and trended to alert machine users when an abnormal condition exists with a machine.
Processing and analyzing these vibration signals further in accordance with the procedures specified
in this part of ISO 13373 gives the user an insight into ways of diagnosing the possible cause or causes
of the machinery problems, which allows for more focused continued condition monitoring.
The advantages of such a monitoring programme are that machinery operators will not only be made
aware that a machine can fail at a certain time, and that maintenance has to be planned prior to the
failure, but it will provide valuable information regarding what maintenance has to be planned and
performed. The vibrations are manifestations or symptoms of problems such as misalignment,
unbalance, accelerated wear, flow and lubrication problems.
ISO 13373-1 contains guidelines for vibration condition monitoring of machines. This part of ISO 13373,
however, contains guidelines for the processing, analysis and presentation of the vibration data thus
obtained, and that can be used for diagnostics to determine the nature or root causes of problems.
The signal processing, analysis and diagnostic procedures applied to vibration condition monitoring
can vary depending on the processes to be monitored, degree of accuracy desired, resources available,
etc. A well-conceived and implemented condition monitoring programme will include consideration
of many factors, such as process priority, criticality and complexity of the system, cost‑effectiveness,
probability of various failure mechanisms and identification of incipient failure indicators.
An appropriate process analysis needs to dictate the types of data desired to monitor the machinery
condition suitably.
The vibration analyst needs to accumulate as much pertinent information as possible about the
machine to be monitored. For example, knowing the vibration resonance frequencies and the excitation
frequencies from design and analytical information will provide an insight regarding the vibration
frequencies anticipated and, consequently, the frequency range that is to be monitored. Also, knowing
the machine’s initial condition, the machine’s operational history, and its operating conditions provides
additional information for the analyst.
Other advantages to this pre‑test planning process are that it provides guidance as to what types of
transducers are needed, where they have to optimally be located, what kind of signal conditioning
equipment is required, what type of analysis would be most appropriate, and what are the relevant
criteria.
Further standards on the subject of machinery condition monitoring and diagnostics are in preparation.
These are intended to provide guidance on the overall monitoring of the “health” of machines, including
factors such as vibration, oil purity, thermography and performance. Basic techniques for diagnosis are
described in ISO 13373-3.
vi © ISO 2015 – All rights reserved
FINAL DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
Condition monitoring and diagnostics of machines —
Vibration condition monitoring —
Part 2:
Processing, analysis and presentation of vibration data
1 Scope
This part of ISO 13373 recommends procedures for processing and presenting vibration data and
analyzing vibration signatures for the purpose of monitoring the vibration condition of rotating
machinery, and performing diagnostics as appropriate. Different techniques are described for different
applications. Signal enhancement techniques and analysis methods used for the investigation of
particular machine dynamic phenomena are included. Many of these techniques can be applied to
other machine types, including reciprocating machines. Example formats for the parameters that are
commonly plotted for evaluation and diagnostic purposes are also given.
This part of ISO 13373 is divided essentially into two basic approaches when analysing vibration
signals: the time domain and the frequency domain. Some approaches to the refinement of diagnostic
results, by changing the operational conditions, are also covered.
This part of ISO 13373 includes only the most commonly used techniques for the vibration condition
monitoring, analysis and diagnostics of machines. There are many other techniques used to determine
the behaviour of machines that apply to more in‑depth vibration analysis and diagnostic investigations
beyond the normal follow‑on to machinery condition monitoring. A detailed description of these
techniques is beyond the scope of this part of ISO 13373, but some of these more advanced special
purpose techniques are listed in Clause 5 for additional information.
For specific machine types and sizes, the ISO 7919 and ISO 10816 series provide guidance for the
application of broadband vibration magnitudes for condition monitoring, and other documents such as
VDI 3839 provide additional information about machinery‑specific problems that can be detected when
conducting vibration diagnostics.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 1683, Acoustics — Preferred reference values for acoustical and vibratory levels
3 Signal conditioning
3.1 General
Virtually, all vibration measurements are obtained using a transducer that produces an analog
electrical signal that is proportional to the instantaneous value of the vibratory acceleration, velocity
or displacement. This signal can be recorded on a dynamic system analyzer, investigated for later
analysis or displayed, for example, on an oscilloscope. To obtain the actual vibration magnitudes, the
output voltage is multiplied by a calibration factor that accounts for the transducer sensitivity and the
amplifier and recorder gains. Most vibration analysis is carried out in the frequency domain, but there
are also useful tools involving the time history of the vibration.
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
Figure 1 shows the relationship between the vibration signal in the time and frequency domains. In this
display, it can be noted that there are four overlapping signals that combine to make up the composite
trace as it would be seen on the analyzer screen (grey trace in the XY plane). Through the Fourier
process, the analyzer converts this composite signal into the four distinct frequency components
shown.
Y
X Z
Key
X time 1 time domain oscillogram
Y amplitude/magnitude 2 frequency domain spectrum
Z frequency
Figure 1 — Time and frequency domains
Figure 2 is a simpler example of a composite trace from a single transducer as seen on the analyzer
screen. In this case, there are only three overlapping signals, as shown in Figure 3, and their distinct
frequencies are included in Figure 4.
Y
X
Key
X time
Y amplitude
Figure 2 — Basic spectra composite signal
2 © ISO 2015 – All rights reserved
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
Y
X
Key
X time
Y amplitude
Figure 3 — Overlapping signals
Y
X
Key
X frequency
Y amplitude
Figure 4 — Distinct frequencies
For many investigations, the relationship between vibration on different structure points, or different
vibration directions, is as important as the individual vibration data themselves. For this reason,
multi‑channel signal analyzers are available with built‑in dual‑channel analysis features. When
examining signals with this technique, both the amplitude and phase relationships of the vibration
signals are important.
3.2 Analog and digital systems
3.2.1 General
The analog signal from a transducer can be processed using analog or digital systems. Traditionally,
analog systems were used that involved filters, amplifiers, recorders, integrators and other components
which modify the signal, but do not change its analog character. More recently, the advantages of
digitizing the signals have become more and more apparent. An analog-to-digital converter (ADC)
repeatedly samples the analog signal and converts it to a series of numerical values. Mathematical
routines on computers can then be used to filter, integrate, find spectra (see 4.3.2), develop histograms
or do whatever is required. Of course, the digitized signal may also be plotted as a function of time.
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
The analog signal, as well as the digitized one, contains the same information on the premises of an
appropriate choice of the sampling frequency.
When using either an analog method or a digital method, it is important to know the sensitivity of the
signal to be measured. The sensitivity is the ratio of the actual output voltage value of the signal to
the actual magnitude of the parameter measured. To obtain adequate signal definition, the signal of
interest should be significantly greater than the ambient noise levels, but not so large that the signal is
distorted (e.g. so that the peaks of the signal are clipped).
3.2.2 Digitizing techniques
The most important parameters in the digitizing process are the sampling rate and the resolution. It
is important to ensure that no frequencies are present above half the sampling rate. Otherwise, time
histories will be distorted or fast Fourier transforms (FFT) will show aliasing components that do not
really exist (see 4.3.7 for further information about aliasing). The sampling rate will be determined
by the type of analysis to be performed and the anticipated frequency content of the signal. If a plot
of vibration versus time is desired, it is recommended that the sampling rate be of about 10 times
the highest frequency of interest in the signal. However, if a frequency spectrum is desired, an FFT
calculation requires that the sampling rate needs to be greater than two times the highest frequency
of interest to be measured. Anti‑aliasing filters are used to eliminate any high‑frequency noise or other
high‑frequency components that are above half the sampling rate. When digitizing, the number of bits
used to represent each sample shall be sufficient to provide the required accuracy.
3.3 Signal conditioners
3.3.1 General
The vibration signals from transducers usually require some sort of signal conditioning before they are
recorded in order to obtain proper voltage levels for recording, or to eliminate noise or other unwanted
components. Signal conditioning equipment includes transducer power supplies, pre‑amplifiers,
amplifiers, integrators and many types of filters. Filtering is discussed further in 3.4.
3.3.2 Integration and differentiation
Vibration records can be in terms of displacement, velocity or acceleration. Usually, one of the
parameters is preferred because of the frequency range of interest (low‑frequency signals are more
apparent when using displacement, and high‑frequency signals are more apparent when using
acceleration) or because of the applicable criteria. A vibration signal can be converted to a different
quantity by means of integration or differentiation. Integrating acceleration with respect to time gives
velocity, and integrating velocity gives displacement. Double integration of acceleration will produce
displacement directly. Differentiation does the opposite of integration.
Mathematically, for harmonic motion, the following relationships apply:
4 © ISO 2015 – All rights reserved
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
displacement:
i 1
xv=dta=dttd=−−va= (1)
()
∫∫∫
ω
ω
velocity:
dx i
v = =dat =iωxa=− (2)
∫
dt ω
acceleration:
dv d x
a = = ==−ωωxvi (3)
dt
dt
where ω is the angular frequency of the harmonic vibration with ω = 2πf.
NOTE See also 4.3.12.
A common vibration transducer is the accelerometer, so integration is much more common than
differentiation. This is fortunate since differentiation of a signal is more difficult than integration, but
special care shall be taken when integrating signals at low frequencies. A high‑pass filter should be
used to eliminate frequencies lower than those of interest before integrating.
3.3.3 Root-mean-square vibration value
The root‑mean‑square (r.m.s.) value of the vibration signal is commonly used in vibration evaluation
standards. Criteria often apply to r.m.s. vibration values within a certain frequency range. This is the
most used quantity of vibration over a given time period. Other measures of a vibration signal can be
confusing when there are many frequency components, or when there is modulation, etc. However,
the r.m.s. value is a mathematical quantity that can be found for any signal, and most instruments are
designed to find that quantity (see Figure 5). Alternatively, the r.m.s. value can be found by using a
spectrum analyzer, by integrating the spectrum between the upper and lower frequencies of interest.
A vibration signal may be filtered as required and displayed on an r.m.s. meter if the reading does not
change significantly in a short time period. However, if the indicated output varies significantly, an
average over a certain period of time shall be obtained. This can be done with an instrument that has a
longer time constant.
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
a) Sinusoidal signal where the r.m.s. value equals 0,707 times the peak value
b) Non-sinusoidal signal
Key
1 peak value
2 r.m.s. value
Figure 5 — Peak and r.m.s. values
3.3.4 Dynamic range
The dynamic range is the ratio between the largest and smallest magnitude signals that a particular
analyzer can accommodate simultaneously. The magnitudes of the signals are proportional to the
output voltages of the transducers, usually in millivolts.
The dynamic range in analog systems is usually limited by electrical noise. This is usually not a concern
with respect to the transducer itself, but filters, amplifiers, recorders, etc., all add to the noise level, and
the result can be surprisingly high.
In digital systems, the dynamic range is dependent on the sampling accuracy, and the sampling rate
shall be adequate for the frequencies of concern. The relationship between the number of bits, N, used
to sample an analog signal and the dynamic range D (if one bit is used for the sign) is as follows:
6 (N − 1) = D (4)
Therefore, a dynamic signal analyzer (DSA) with 16 bits of resolution will have a dynamic range of
90 dB, but any inaccuracies will reduce the dynamic range.
3.3.5 Calibration
The calibration of individual transducers is well covered in the referenced documents (e.g. ISO 16063-21),
and is usually carried out in the laboratory before their use in situ. It is recommended, however, that a
calibration check be carried out for any field installation. The field calibration check normally does not
include the calibration of the transducer, but does include the rest of the measuring/recording system,
such as amplifiers, filters, integrators and recorders. Most often, it involves the insertion of a known
signal into the system to see what output relates to it. The signal can be a d.c. step, a sinusoid or random
noise, depending on the type of measurement.
Certain transducers, such as displacement transducers or proximity probes, are pre‑calibrated.
However, in this case, their calibrations should be checked in the field in conjunction with the surface
being measured, since proximity probes are sensitive to shaft metallurgy and finish. Calibration of
these probes is carried out in place with micrometre spindles, and the outputs for each are noted.
6 © ISO 2015 – All rights reserved
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
When checking the calibration of seismic transducers in the field, a shake table is required.
Strain gauges are also often calibrated in the field after they are installed. The most desirable calibration
is for a known load to be applied to the component being measured. If that is not practical, a shunt
calibration may be made where a calibration resistor is connected in parallel with the strain gauge,
thus changing the apparent resistance of the gauge by a known amount, which is equivalent to a certain
strain determined by the gauge factor.
3.4 Filtering
There are three basic types of filters available for signal conditioning and analysis:
— low pass;
— high pass;
— bandpass.
Low‑pass filters, as the name implies, are transparent only for the low‑frequency components of
the signal, and they block out the high‑frequency components above the filter limiting frequency
(cut‑off frequency). Examples of application are anti‑aliasing filters (see 4.3.7), or filters that exclude
high‑frequency components that are unwanted for special investigations (e.g. gear meshing components
for balancing).
High‑pass filters are mainly used to exclude low‑frequency transducer noise (thermal noise), or
some other unwanted components from the signal, prior to analysis. This can be important since
such components, although of no interest, can dramatically reduce the useful dynamic range of the
measurement equipment.
Bandpass filters, when included for analysis, are used to isolate distinct frequency bands. Very common
bandpass filter types are the octave filters or 1/n octave filters, which are especially used to correlate
vibration measurements with noise measurements.
Filtering is particularly important when analysing signals with large dynamic ranges. If there are
frequencies in the spectra with both high and low amplitudes, for instance, they cannot usually be
analyzed with the same level of accuracy because of limitations in the dynamic range of the analyzer.
In such cases, it can be necessary to filter out the high‑amplitude components to examine more closely
those of low amplitude.
Filtering is also important for separation of informative signals and disturbances (as electronic noise is
in the high‑frequency range or seismic waves are in a very low‑frequency range).
When filters are used to isolate a particular frequency component to examine the waveform, care shall
be taken to ensure that the filter sufficiently excludes any component of frequencies other than those of
interest. Simple filters, analog as well as digital, do not have very sharp cut‑off characteristics, because
the filter slope outside of the transmission band is poor.
EXAMPLE A particular filter with a 24 dB per octave slope will pass about 15 % of a component with twice
the frequency, and about 45 % of a component with 1,5 times the cut‑off frequency. To improve the filter’s
suppression characteristics, several simple filters can be cascaded, or a higher‑order filter can be used instead.
4 Data processing and analysis
4.1 General
Data processing consists of raw‑data acquisition, filtering out unwanted noise and/or other non‑related
signals, and formatting the measured signals in the form required for further diagnosis. Therefore, data
processing is an important step towards achieving a fruitful and meaningful diagnosis. The device that
acquires the vibration signals from the transducer should have adequate resolution in both amplitude
and time. If digital data acquisition is utilized, then the amplitude resolution should be high enough for
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
the application. A higher number of bits of resolution provide the ability to obtain greater accuracy and
sensitivity, but it typically requires more expensive hardware and greater processing power.
Once the signals are acquired, the next step is to process them and then display the outputs in various
useful formats so that the diagnosis is made much easier for the user. Examples of such formats include
Nyquist plots, polar plots, Campbell diagrams, cascade and waterfall plots and amplitude decay plots.
The objective of this clause, therefore, is to present these various methods of presentation available to
the user in order to determine better the conditions of machines.
4.2 Time domain analysis
4.2.1 Time wave forms
In the past, waveform analysis was the primary method of vibration analysis. An instantaneous
vibration versus time strip chart or oscillograph was usually analyzed graphically, and broadband
peaks were noted. While these broadband techniques are still being used, it is helpful to look at the
waveform with some of the more basic techniques in mind. For example, a scratched journal can be
detected by looking at waveform data from displacement transducers, a waveform with a clipped top or
bottom can indicate a rub, mechanical looseness, etc.
While these time‑domain signatures can portray waveforms that provide basic information regarding
the nature of a phenomenon occurring in a machine, the more in‑depth frequency analysis techniques
described in 4.3 can be required.
The analysis of waveforms is based on the principle that any periodic record can be represented as
a superposition of sinusoids having frequencies that are integral multiples of the frequency of the
waveform. Figure 6 to Figure 9 show several examples of waveforms.
Figure 6 is essentially a one‑cycle sinusoid with a constant amplitude. The double amplitude (or
peak‑to‑peak) of the vibration is obtained by measuring the double amplitude of the trace, and
multiplying by the sensitivity of the measuring and recording system, which is found by calibration.
The frequency is found by counting the number of cycles in a known time period. The time on an
oscillograph is indicated by timing lines, or simply by knowing the paper speed. For the trace shown,
there are 60 timing lines per second; therefore, the 12 lines indicate that the fundamental period, T, is
0,2 s, and hence the frequency, f = 1/T, is 5 Hz. Accuracy is improved if the number of cycles in a longer
section of the record is used.
Figure 7 is the superposition of two sinusoids with three cycles of the lowest frequency shown. The
components can be separated by drawing sinusoidal envelopes (upper and lower limits) through all
the peaks and troughs as shown. The amplitude and frequency of the low‑frequency component is that
of the resulting envelope. The vertical distance between envelopes indicates the peak-to-peak value of
the high‑frequency component, and the high frequency can usually be counted. In this example, it can
be found that the frequencies differ by a factor of three. When the frequency ratio of two superimposed
sinusoids is high, they can be separated as shown; in all other cases, a Fourier analysis is more useful.
8 © ISO 2015 – All rights reserved
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
012 34 56 78 9101112
0,2
0 X
Key
X time, s
Figure 6 — Waveform characteristics
1 s
a
Key
a
Cycle.
Figure 7 — Superposition
4.2.2 Beating
Often, signals look like the trace of Figure 8, where the envelopes are out of phase, causing bulges and
waists. This signal is caused by two components that are close in frequency and amplitude. This is called
beating, which is a special case of superposition. An example of beating is the two blade frequencies of
the twin propeller drives of a ship added together. The peaks of the two signals alternately add and
subtract. Other characteristics of beating are that the lengths of the beats are about the same, and the
spacing between the peaks at the bulges is different than that at the waists. The distances between the
envelopes at the bulges and waists represent the sums and differences, respectively, of the peak‑to‑peak
values of the two components. Another example is the vibration that is forced by two coupled machines
(compressors or others), driven by asynchronous electrical motors.
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
Y
e
b
a
c
f d
12 34 X
Key
X time, s
Y amplitude (arbitrary unit)
a
Peak-to-peak value at waist: 0,2.
b
Peak-to-peak value at bulge: 0,7.
c
Waist.
d
Bulge.
e
Vibration cycle: 0,33 s corresponds to 3 Hz.
f
Beat cycle: 2 s corresponds to 0,5 Hz.
Figure 8 — Example of beating
EXAMPLE If the components’ amplitudes are X for the major and X for the minor, measurements show
m n
that X + X = 0,7 and X − X = 0,2, the solution being X = 0,45 and X = 0,25. These record amplitudes have to
m n m n m n
be multiplied by the system sensitivity to get actual amplitudes. The major frequency can be found by counting
the number of peaks as described before (in Figure 8, it is 3 Hz). This frequency is also an integral multiple of
the beat frequency, in this case six times. The frequency of the minor component is either one more (7) or one
less (5) times the beat frequency. The spacing of the peaks at the waist indicates which one it is, since it reflects
the major component. In Figure 8, the spacing is narrower so the major component has the higher frequency. In
Figure 8, the beat frequency is 0,5 Hz and the minor frequency is five times that, i.e. 2,5 Hz.
It should be noted that the beat frequency is the difference between the frequencies of both components,
but the average peak frequency is equal to one‑half the sum of both. A simple rule for calculating the
frequencies is:
f = f − f (5)
b m n
where
f is the beat frequency;
b
f is the frequency of the major component;
m
f is the frequency of the minor component.
n
In the example shown in Figure 8, by counting the peaks, there are six peaks in 2 s, which means
f = 3 Hz. The beat cycle is 1 cycle in that same time period, which means f = 1/(2 s) = 0,5 Hz. Inversing
m b
Formula (5) to become f = f − f , yields the frequency of the minor component f = 3 Hz − 0,5 Hz = 2,5 Hz.
n m b n
4.2.3 Modulation
Figure 9 shows the trace of a modulated vibration signal. It looks similar to beating but there is actually
only one component whose amplitude is varying with time (modulating). This is distinguishable from
beating because the spacing of the peaks is the same at the bulges and the waists. Also, the length of the
10 © ISO 2015 – All rights reserved
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
bulges might not be the same. Gear problems often result in modulation of the gear mesh frequency at
the gear rotational frequency.
Unfortunately, many vibration records contain more than two components, and can involve modulation
and perhaps beating as well. Such records are extremely difficult to analyze, but the analyst might be
able to find sections of the record in which one component is temporarily dominant, and obtain the
frequency and amplitude of that component in that section.
Figure 9 — Modulation
4.2.4 Envelope analysis
Envelope analysis is a process for the demodulation of low‑level components in a narrow frequency
band, which are obscured by a high‑level broadband vibration (impulse‑excited free vibration, gear
meshing vibration, and others). Envelope detection provides a means for recognizing flaws earlier
and with greater reliability. Its most common application is in analysis of gears and rolling element
bearings where a low‑frequency, generally low‑amplitude repetitive event (such as a defective tooth
entering mesh or a spalled ball or roller striking a race) excites high‑frequency resonance(s), resulting
in the high frequency being modulated by the defect frequency. A sample of an envelope trace is shown
in Figure 10.
It should be noted that the modulated component needs to be separated previously by narrow band
filtering.
Figure 10 — Envelope analysis
4.2.5 Monitoring of of narrow-band frequency spectrum envelope
Monitoring of narrow‑band frequency spectrum envelope detects any penetration of an envelope,
which is usually an alarm limit, around a reference spectrum. The constant‑bandwidth envelope, where
the frequency difference is the same number of lines at low and high frequencies, is generally used for
machines with constant rotational speed.
A constant‑percentage bandwidth envelope increases the frequency difference (offset) between the
envelope and the monitored component proportionally to the increase in frequency. This method has
advantages because all harmonic components will remain in the same frequency band over small speed
changes.
Amplitude limits for individual frequency components are of two types. A constant‑percentage offset
is the most commonly used because it is the simplest to calculate and only requires a single reference
spectrum.
A more representative method is to calculate a statistical mean for each segment in the envelope, and
then set the alarm limit 2,5 to 2,8 standard deviations above the mean. The statistical calculation
requires 4 high‑resolution spectra or 5 high‑resolution spectra, and then automatically accounts for
normal differences in amplitude variation commonly observed in the machinery spectra.
ISO/FDIS 13373-2:2015(E)
4.2.6 Shaft orbit
Orbit analysis can be performed on any machine using displacement transducers usually mounted
90° apart. On large rotating machinery with sleeve bearings, it is common practice
...
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13373-2
Second edition
2016-01-15
Condition monitoring and
diagnostics of machines — Vibration
condition monitoring —
Part 2:
Processing, analysis and presentation
of vibration data
Surveillance et diagnostic d’état des machines — Surveillance des
vibrations —
Partie 2: Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
Reference number
©
ISO 2016
© ISO 2016, Published in Switzerland
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form
or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior
written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
the requester.
ISO copyright office
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
ii © ISO 2016 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Signal conditioning . 1
3.1 General . 1
3.2 Analogue and digital systems . 3
3.2.1 General. 3
3.2.2 Digitizing techniques . . 4
3.3 Signal conditioners . 4
3.3.1 General. 4
3.3.2 Integration and differentiation . 4
3.3.3 Root-mean-square vibration value . 5
3.3.4 Dynamic range . 6
3.3.5 Calibration . 6
3.4 Filtering . 7
4 Data processing and analysis . 7
4.1 General . 7
4.2 Time domain analysis . 8
4.2.1 Time wave forms. 8
4.2.2 Beating . 9
4.2.3 Modulation .10
4.2.4 Envelope analysis .11
4.2.5 Monitoring of narrow‑band frequency spectrum envelope .11
4.2.6 Shaft orbit .12
4.2.7 d.c. shaft position .12
4.2.8 Transient vibration .12
4.2.9 Impulse .13
4.2.10 Damping .14
4.2.11 Time domain averaging .16
4.3 Frequency domain analysis .17
4.3.1 General.17
4.3.2 Fourier transform .17
4.3.3 Leakage and windowing .18
4.3.4 Frequency resolution .19
4.3.5 Record length .19
4.3.6 Amplitude modulation (sidebands) .19
4.3.7 Aliasing .21
4.3.8 Synchronous sampling . .22
4.3.9 Spectrum averaging . .23
4.3.10 Logarithmic plots (with dB references) .23
4.3.11 Zoom analysis .24
4.3.12 Differentiation and integration .24
4.4 Display of results during operational changes .25
4.4.1 Amplitude and phase (Bode plot) .25
4.4.2 Polar diagram (Nyquist diagram) .26
4.4.3 Cascade (waterfall) diagram .27
4.4.4 Campbell diagram .29
4.5 Real‑time analysis and real‑time bandwidth .30
4.6 Order tracking (analogue and digital) .31
4.7 Octave and fractional‑octave analysis .31
4.8 Cepstrum analysis .31
5 Other techniques .32
Bibliography .34
iv © ISO 2016 – All rights reserved
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical
Barriers to Trade (TBT) see the following URL: Foreword ‑ Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and condition
monitoring, Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied
to machines, vehicles and structures.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 13373-2:2005), which has been
editorially revised.
ISO 13373 consists of the following parts, under the general title Condition monitoring and diagnostics of
machines — Vibration condition monitoring:
— Part 1: General procedures
— Part 2: Processing, analysis and presentation of vibration data
— Part 3: Guidelines for vibration diagnosis
— Part 9: Diagnostic techniques for electric motors
Introduction
The purpose of this part of ISO 13373, which covers the area of vibration condition monitoring of
machines, is to provide recommended methods and procedures for processing signals and analyzing
data obtained from vibration transducers attached to a machine at selected locations for the purpose of
monitoring the dynamic behaviour of a machine.
Broadband vibration measurements provide an overview of the severity of machine vibration that can
be observed and trended to alert machine users when an abnormal condition exists with a machine.
Processing and analyzing these vibration signals further in accordance with the procedures specified
in this part of ISO 13373 gives the user an insight into ways of diagnosing the possible cause or causes
of the machinery problems, which allows for more focused continued condition monitoring.
The advantages of such a monitoring programme are that machinery operators will not only be made
aware that a machine can fail at a certain time, and that maintenance needs to be planned prior to the
failure, but that it will provide valuable information regarding what maintenance needs to be planned
and performed. The vibrations are manifestations or symptoms of problems such as misalignment,
unbalance, accelerated wear, flow and lubrication problems.
ISO 13373-1 contains guidelines for vibration condition monitoring of machines. This part of ISO 13373,
however, contains guidelines for the processing, analysis and presentation of the vibration data thus
obtained, and that can be used for diagnostics to determine the nature or root causes of problems.
The signal processing, analysis and diagnostic procedures applied to vibration condition monitoring
can vary depending on the processes to be monitored, degree of accuracy desired, resources available,
etc. A well-conceived and implemented condition monitoring programme will include consideration
of many factors, such as process priority, criticality and complexity of the system, cost‑effectiveness,
probability of various failure mechanisms and identification of incipient failure indicators.
An appropriate process analysis needs to dictate the types of data desired to monitor the machinery
condition suitably.
The vibration analyst needs to accumulate as much pertinent information as possible about the
machine to be monitored. For example, knowing the vibration resonance frequencies and the excitation
frequencies from design and analytical information will provide an insight regarding the vibration
frequencies anticipated and, consequently, the frequency range that is to be monitored. Also, knowing
the machine’s initial condition, the machine’s operational history, and its operating conditions provides
additional information for the analyst.
Other advantages to this pre‑test planning process are that it provides guidance as to what types of
transducers are necessary, where they need to be optimally located, what kind of signal conditioning
equipment is required, what type of analysis would be most appropriate, and what are the relevant
criteria.
Further standards on the subject of machinery condition monitoring and diagnostics are in preparation.
These are intended to provide guidance on the overall monitoring of the “health” of machines, including
factors such as vibration, oil purity, thermography and performance. Basic techniques for diagnosis are
described in ISO 13373-3.
vi © ISO 2016 – All rights reserved
INTERNATIONAL STANDARD ISO 13373-2:2016(E)
Condition monitoring and diagnostics of machines —
Vibration condition monitoring —
Part 2:
Processing, analysis and presentation of vibration data
1 Scope
This part of ISO 13373 recommends procedures for processing and presenting vibration data and
analyzing vibration signatures for the purpose of monitoring the vibration condition of rotating
machinery, and performing diagnostics as appropriate. Different techniques are described for different
applications. Signal enhancement techniques and analysis methods used for the investigation of
particular machine dynamic phenomena are included. Many of these techniques can be applied to
other machine types, including reciprocating machines. Example formats for the parameters that are
commonly plotted for evaluation and diagnostic purposes are also given.
This part of ISO 13373 is divided essentially into two basic approaches when analysing vibration
signals: the time domain and the frequency domain. Some approaches to the refinement of diagnostic
results, by changing the operational conditions, are also covered.
This part of ISO 13373 includes only the most commonly used techniques for the vibration condition
monitoring, analysis and diagnostics of machines. There are many other techniques used to determine
the behaviour of machines that apply to more in‑depth vibration analysis and diagnostic investigations
beyond the normal follow‑on to machinery condition monitoring. A detailed description of these
techniques is beyond the scope of this part of ISO 13373, but some of these more advanced special
purpose techniques are listed in Clause 5 for additional information.
For specific machine types and sizes, the ISO 7919 and ISO 10816 series provide guidance for the
application of broadband vibration magnitudes for condition monitoring, and other documents such as
VDI 3839 provide additional information about machinery‑specific problems that can be detected when
conducting vibration diagnostics.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 1683, Acoustics — Preferred reference values for acoustical and vibratory levels
3 Signal conditioning
3.1 General
Virtually, all vibration measurements are obtained using a transducer that produces an analogue
electrical signal that is proportional to the instantaneous value of the vibratory acceleration, velocity
or displacement. This signal can be recorded on a dynamic system analyzer, investigated for later
analysis or displayed, for example, on an oscilloscope. To obtain the actual vibration magnitudes, the
output voltage is multiplied by a calibration factor that accounts for the transducer sensitivity and the
amplifier and recorder gains. Most vibration analysis is carried out in the frequency domain, but there
are also useful tools involving the time history of the vibration.
Figure 1 shows the relationship between the vibration signal in the time and frequency domains. In this
display, it can be noted that there are four overlapping signals that combine to make up the composite
trace as it would be seen on the analyzer screen (grey trace in the XY plane). Through the Fourier
process, the analyzer converts this composite signal into the four distinct frequency components shown.
Y
Z
X
Key
X time 1 time domain oscillogram
Y amplitude/magnitude 2 frequency domain spectrum
Z frequency
Figure 1 — Time and frequency domains
Figure 2 is a simpler example of a composite trace from a single transducer as seen on the analyzer
screen. In this case, there are only three overlapping signals, as shown in Figure 3, and their distinct
frequencies are included in Figure 4.
Y
X
Key
X time
Y amplitude
Figure 2 — Basic spectra composite signal
2 © ISO 2016 – All rights reserved
Y
X
Key
X time
Y amplitude
Figure 3 — Overlapping signals
Y
X
Key
X frequency
Y amplitude
Figure 4 — Distinct frequencies
For many investigations, the relationship between vibration on different structure points, or different
vibration directions, is as important as the individual vibration data themselves. For this reason,
multi‑channel signal analyzers are available with built‑in dual‑channel analysis features. When
examining signals with this technique, both the amplitude and phase relationships of the vibration
signals are important.
3.2 Analogue and digital systems
3.2.1 General
The analogue signal from a transducer can be processed using analogue or digital systems.
Traditionally, analogue systems were used that involved filters, amplifiers, recorders, integrators and
other components which modify the signal, but do not change its analogue character. More recently,
the advantages of digitizing the signals have become more and more apparent. An analogue-to-digital
converter (ADC) repeatedly samples the analogue signal and converts it to a series of numerical values.
Mathematical routines on computers can then be used to filter, integrate, find spectra (see 4.3.2),
develop histograms or do whatever is required. Of course, the digitized signal may also be plotted as a
function of time. The analogue signal, as well as the digitized one, contains the same information on the
premises of an appropriate choice of the sampling frequency.
When using either an analogue method or a digital method, it is important to know the sensitivity of
the signal to be measured. The sensitivity is the ratio of the actual output voltage value of the signal
to the actual magnitude of the parameter measured. To obtain adequate signal definition, the signal of
interest should be significantly greater than the ambient noise levels, but not so large that the signal is
distorted (e.g. so that the peaks of the signal are clipped).
3.2.2 Digitizing techniques
The most important parameters in the digitizing process are the sampling rate and the resolution. It
is important to ensure that no frequencies are present above half the sampling rate. Otherwise, time
histories will be distorted or fast Fourier transforms (FFT) will show aliasing components that do not
really exist (see 4.3.7 for further information about aliasing). The sampling rate will be determined
by the type of analysis to be performed and the anticipated frequency content of the signal. If a plot
of vibration versus time is desired, it is recommended that the sampling rate be of about 10 times
the highest frequency of interest in the signal. However, if a frequency spectrum is desired, an FFT
calculation requires that the sampling rate needs to be greater than two times the highest frequency
of interest to be measured. Anti‑aliasing filters are used to eliminate any high‑frequency noise or other
high‑frequency components that are above half the sampling rate. When digitizing, the number of bits
used to represent each sample shall be sufficient to provide the required accuracy.
3.3 Signal conditioners
3.3.1 General
The vibration signals from transducers usually require some sort of signal conditioning before they are
recorded in order to obtain proper voltage levels for recording, or to eliminate noise or other unwanted
components. Signal conditioning equipment includes transducer power supplies, pre‑amplifiers,
amplifiers, integrators and many types of filters. Filtering is discussed further in 3.4.
3.3.2 Integration and differentiation
Vibration records can be in terms of displacement, velocity or acceleration. Usually, one of the
parameters is preferred because of the frequency range of interest (low‑frequency signals are more
apparent when using displacement, and high‑frequency signals are more apparent when using
acceleration) or because of the applicable criteria. A vibration signal can be converted to a different
quantity by means of integration or differentiation. Integrating acceleration with respect to time gives
velocity, and integrating velocity gives displacement. Double integration of acceleration will produce
displacement directly. Differentiation does the opposite of integration.
4 © ISO 2016 – All rights reserved
Mathematically, for harmonic motion, the following relationships apply:
displacement:
i 1
xv=dta=dttd=−−va= (1)
()
∫∫∫
ω
ω
velocity:
dx i
v = =dat =iωxa=− (2)
∫
dt ω
acceleration:
dv d x
a = = ==−ωωxvi (3)
dt
dt
where ω is the angular frequency of the harmonic vibration with ω = 2πf.
NOTE See also 4.3.12.
A common vibration transducer is the accelerometer, so integration is much more common than
differentiation. This is fortunate since differentiation of a signal is more difficult than integration, but
special care shall be taken when integrating signals at low frequencies. A high‑pass filter should be
used to eliminate frequencies lower than those of interest before integrating.
3.3.3 Root-mean-square vibration value
The root‑mean‑square (r.m.s.) value of the vibration signal is commonly used in vibration evaluation
standards. Criteria often apply to r.m.s. vibration values within a certain frequency range. This is the
most used quantity of vibration over a given time period. Other measures of a vibration signal can be
confusing when there are many frequency components, or when there is modulation, etc. However,
the r.m.s. value is a mathematical quantity that can be found for any signal, and most instruments are
designed to find that quantity (see Figure 5). Alternatively, the r.m.s. value can be found by using a
spectrum analyzer, by integrating the spectrum between the upper and lower frequencies of interest.
A vibration signal may be filtered as required and displayed on an r.m.s. meter if the reading does not
change significantly in a short time period. However, if the indicated output varies significantly, an
average over a certain period of time shall be obtained. This can be done with an instrument that has a
longer time constant.
a) Sinusoidal signal where the r.m.s. value equals 0,707 times the peak value
b) Non-sinusoidal signal
Key
1 peak value
2 r.m.s. value
Figure 5 — Peak and r.m.s. values
3.3.4 Dynamic range
The dynamic range is the ratio between the largest and smallest magnitude signals that a particular
analyzer can accommodate simultaneously. The magnitudes of the signals are proportional to the
output voltages of the transducers, usually in millivolts.
The dynamic range in analogue systems is usually limited by electrical noise. This is usually not a
concern with respect to the transducer itself, but filters, amplifiers, recorders, etc., all add to the noise
level, and the result can be surprisingly high.
In digital systems, the dynamic range is dependent on the sampling accuracy, and the sampling rate shall
be adequate for the frequencies of concern. The relationship between the number of bits, N, used to sample
an analogue signal and the dynamic range D, in decibels, (if one bit is used for the sign) is as follows:
6 (N − 1) = D (4)
Therefore, a dynamic signal analyzer (DSA) with 16 bits of resolution will have a dynamic range of
90 dB, but any inaccuracies will reduce the dynamic range.
3.3.5 Calibration
The calibration of individual transducers is well covered in the referenced documents (e.g. ISO 16063-21),
and is usually carried out in the laboratory before their use in situ. It is recommended, however, that a
calibration check be carried out for any field installation. The field calibration check normally does not
include the calibration of the transducer, but does include the rest of the measuring/recording system,
such as amplifiers, filters, integrators and recorders. Most often, it involves the insertion of a known
signal into the system to see what output relates to it. The signal can be a d.c. step, a sinusoid or random
noise, depending on the type of measurement.
Certain transducers, such as displacement transducers or proximity probes, are pre‑calibrated.
However, in this case, their calibrations should be checked in the field in conjunction with the surface
being measured, since proximity probes are sensitive to shaft metallurgy and finish. Calibration of
these probes is carried out in place with micrometre spindles, and the outputs for each are noted.
6 © ISO 2016 – All rights reserved
When checking the calibration of seismic transducers in the field, a shake table is required.
Strain gauges are also often calibrated in the field after they are installed. The most desirable calibration
is for a known load to be applied to the component being measured. If that is not practical, a shunt
calibration may be made where a calibration resistor is connected in parallel with the strain gauge,
thus changing the apparent resistance of the gauge by a known amount, which is equivalent to a certain
strain determined by the gauge factor.
3.4 Filtering
There are three basic types of filters available for signal conditioning and analysis:
— low pass;
— high pass;
— bandpass.
Low‑pass filters, as the name implies, are transparent only for the low‑frequency components of
the signal, and they block out the high‑frequency components above the filter limiting frequency
(cut‑off frequency). Examples of application are anti‑aliasing filters (see 4.3.7), or filters that exclude
high‑frequency components that are unwanted for special investigations (e.g. gear meshing components
for balancing).
High‑pass filters are mainly used to exclude low‑frequency transducer noise (thermal noise), or
some other unwanted components from the signal, prior to analysis. This can be important since
such components, although of no interest, can dramatically reduce the useful dynamic range of the
measurement equipment.
Bandpass filters, when included for analysis, are used to isolate distinct frequency bands. Very common
bandpass filter types are the octave filters or 1/n octave filters, which are especially used to correlate
vibration measurements with noise measurements.
Filtering is particularly important when analysing signals with large dynamic ranges. If there are
frequencies in the spectra with both high and low amplitudes, for instance, they cannot usually be
analyzed with the same level of accuracy because of limitations in the dynamic range of the analyzer.
In such cases, it can be necessary to filter out the high‑amplitude components to examine more closely
those of low amplitude.
Filtering is also important for separation of informative signals and disturbances (as electronic noise is
in the high‑frequency range or seismic waves are in a very low‑frequency range).
When filters are used to isolate a particular frequency component to examine the waveform, care shall
be taken to ensure that the filter sufficiently excludes any component of frequencies other than those
of interest. Simple filters, analogue as well as digital, do not have very sharp cut‑off characteristics,
because the filter slope outside of the transmission band is poor.
EXAMPLE A particular filter with a 24 dB per octave slope will pass about 15 % of a component with twice
the frequency, and about 45 % of a component with 1,5 times the cut‑off frequency. To improve the filter’s
suppression characteristics, several simple filters can be cascaded, or a higher‑order filter can be used instead.
4 Data processing and analysis
4.1 General
Data processing consists of raw‑data acquisition, filtering out unwanted noise and/or other non‑related
signals, and formatting the measured signals in the form required for further diagnosis. Therefore, data
processing is an important step towards achieving a fruitful and meaningful diagnosis. The device that
acquires the vibration signals from the transducer should have adequate resolution in both amplitude
and time. If digital data acquisition is utilized, then the amplitude resolution should be high enough for
the application. A higher number of bits of resolution provide the ability to obtain greater accuracy and
sensitivity, but it typically requires more expensive hardware and greater processing power.
Once the signals are acquired, the next step is to process them and then display the outputs in various
useful formats so that the diagnosis is made much easier for the user. Examples of such formats include
Nyquist plots, polar plots, Campbell diagrams, cascade and waterfall plots and amplitude decay plots.
The objective of this clause, therefore, is to present these various methods of presentation available to
the user in order to determine better the conditions of machines.
4.2 Time domain analysis
4.2.1 Time wave forms
In the past, waveform analysis was the primary method of vibration analysis. An instantaneous
vibration versus time strip chart or oscillograph was usually analyzed graphically, and broadband
peaks were noted. While these broadband techniques are still being used, it is helpful to look at the
waveform with some of the more basic techniques in mind. For example, a scratched journal can be
detected by looking at waveform data from displacement transducers, a waveform with a clipped top or
bottom can indicate a rub, mechanical looseness, etc.
While these time‑domain signatures can portray waveforms that provide basic information regarding
the nature of a phenomenon occurring in a machine, the more in‑depth frequency analysis techniques
described in 4.3 can be required.
The analysis of waveforms is based on the principle that any periodic record can be represented as
a superposition of sinusoids having frequencies that are integral multiples of the frequency of the
waveform. Figure 6 to Figure 9 show several examples of waveforms.
Figure 6 is essentially a one‑cycle sinusoid with a constant amplitude. The double amplitude (or
peak‑to‑peak) of the vibration is obtained by measuring the double amplitude of the trace, and
multiplying by the sensitivity of the measuring and recording system, which is found by calibration.
The frequency is found by counting the number of cycles in a known time period. The time on an
oscillograph is indicated by timing lines, or simply by knowing the paper speed. For the trace shown,
there are 60 timing lines per second; therefore, the 12 lines indicate that the fundamental period, T, is
0,2 s, and hence the frequency, f = 1/T, is 5 Hz. Accuracy is improved if the number of cycles in a longer
section of the record is used.
Figure 7 is the superposition of two sinusoids with three cycles of the lowest frequency shown. The
components can be separated by drawing sinusoidal envelopes (upper and lower limits) through all
the peaks and troughs as shown. The amplitude and frequency of the low‑frequency component is that
of the resulting envelope. The vertical distance between envelopes indicates the peak-to-peak value of
the high‑frequency component, and the high frequency can usually be counted. In this example, it can
be found that the frequencies differ by a factor of three. When the frequency ratio of two superimposed
sinusoids is high, they can be separated as shown; in all other cases, a Fourier analysis is more useful.
8 © ISO 2016 – All rights reserved
012 34 56 78 9101112
0,2
0 X
Key
X time, s
Figure 6 — Waveform characteristics
1 s
a
Key
a
Cycle.
Figure 7 — Superposition
4.2.2 Beating
Often, signals look like the trace of Figure 8, where the envelopes are out of phase, causing bulges and
waists. This signal is caused by two components that are close in frequency and amplitude. This is called
beating, which is a special case of superposition. An example of beating is the two blade frequencies of
the twin propeller drives of a ship added together. The peaks of the two signals alternately add and
subtract. Other characteristics of beating are that the lengths of the beats are about the same, and the
spacing between the peaks at the bulges is different than that at the waists. The distances between the
envelopes at the bulges and waists represent the sums and differences, respectively, of the peak‑to‑peak
values of the two components. Another example is the vibration that is forced by two coupled machines
(compressors or others), driven by asynchronous electrical motors.
Y
e
b
a
c
f d
12 34 X
Key
X time, s
Y amplitude (arbitrary unit)
a
Peak-to-peak value at waist: 0,2.
b
Peak-to-peak value at bulge: 0,7.
c
Waist.
d
Bulge.
e
Vibration cycle: 0,33 s corresponds to 3 Hz.
f
Beat cycle: 2 s corresponds to 0,5 Hz.
Figure 8 — Example of beating
EXAMPLE If the components’ amplitudes are X for the major and X for the minor, measurements show
m n
that X + X = 0,7 and X − X = 0,2, the solution being X = 0,45 and X = 0,25. These record amplitudes have to
m n m n m n
be multiplied by the system sensitivity to get actual amplitudes. The major frequency can be found by counting
the number of peaks as described before (in Figure 8, it is 3 Hz). This frequency is also an integral multiple of
the beat frequency, in this case six times. The frequency of the minor component is either one more (7) or one
less (5) times the beat frequency. The spacing of the peaks at the waist indicates which one it is, since it reflects
the major component. In Figure 8, the spacing is narrower so the major component has the higher frequency. In
Figure 8, the beat frequency is 0,5 Hz and the minor frequency is five times that, i.e. 2,5 Hz.
It should be noted that the beat frequency is the difference between the frequencies of both components,
but the average peak frequency is equal to one‑half the sum of both. A simple rule for calculating the
frequencies is:
f = f − f (5)
b m n
where
f is the beat frequency;
b
f is the frequency of the major component;
m
f is the frequency of the minor component.
n
In the example shown in Figure 8, by counting the peaks, there are six peaks in 2 s, which means
f = 3 Hz. The beat cycle is 1 cycle in that same time period, which means f = 1/(2 s) = 0,5 Hz. Inversing
m b
Formula (5) to become f = f − f , yields the frequency of the minor component f = 3 Hz − 0,5 Hz = 2,5 Hz.
n m b n
4.2.3 Modulation
Figure 9 shows the trace of a modulated vibration signal. It looks similar to beating but there is actually
only one component whose amplitude is varying with time (modulating). This is distinguishable from
beating because the spacing of the peaks is the same at the bulges and the waists. Also, the length of the
10 © ISO 2016 – All rights reserved
bulges might not be the same. Gear problems often result in modulation of the gear mesh frequency at
the gear rotational frequency.
Unfortunately, many vibration records contain more than two components, and can involve modulation
and perhaps beating as well. Such records are extremely difficult to analyze, but the analyst might be
able to find sections of the record in which one component is temporarily dominant, and obtain the
frequency and amplitude of that component in that section.
Figure 9 — Modulation
4.2.4 Envelope analysis
Envelope analysis is a process for the demodulation of low‑level components in a narrow frequency
band, which are obscured by a high‑level broadband vibration (impulse‑excited free vibration, gear
meshing vibration, and others). Envelope detection provides a means for recognizing flaws earlier
and with greater reliability. Its most common application is in analysis of gears and rolling element
bearings where a low‑frequency, generally low‑amplitude repetitive event (such as a defective tooth
entering mesh or a spalled ball or roller striking a race) excites high‑frequency resonance(s), resulting
in the high frequency being modulated by the defect frequency. A sample of an envelope trace is shown
in Figure 10.
It should be noted that the modulated component needs to be separated previously by narrow band
filtering.
Figure 10 — Envelope analysis
4.2.5 Monitoring of narrow-band frequency spectrum envelope
Monitoring of narrow‑band frequency spectrum envelope detects any penetration of an envelope,
which is usually an alarm limit, around a reference spectrum. The constant‑bandwidth envelope, where
the frequency difference is the same number of lines at low and high frequencies, is generally used for
machines with constant rotational speed.
A constant‑percentage bandwidth envelope increases the frequency difference (offset) between the
envelope and the monitored component proportionally to the increase in frequency. This method has
advantages because all harmonic components will remain in the same frequency band over small
speed changes.
Amplitude limits for individual frequency components are of two types. A constant‑percentage
offset is the most commonly used because it is the simplest to calculate and only requires a single
reference spectrum.
A more representative method is to calculate a statistical mean for each segment in the envelope, and
then set the alarm limit 2,5 to 2,8 standard deviations above the mean. The statistical calculation
requires 4 high‑resolution spectra or 5 high‑resolution spectra, and then automatically accounts for
normal differences in amplitude variation commonly observed in the machinery spectra.
4.2.6 Shaft orbit
Orbit analysis can be performed on any machine using displacement transducers usually mounted
90° apart. On large rotating machinery with sleeve bearings, it is common practice to use shaft orbit
analysis to determine the movement of the shaft within the bearing clearance space. However, care
should be taken to ensure that the shaft orbit display is not distorted unnecessarily by the effects of
shaft mechanical and electrical run‑out. Proper interpretation of the orbit can yield insight into the
nature of the forcing function. It is also possible to determine whether the rotor whirl is forwards (in
the direction of rotation) or backwards (against the rotation). Orbit presentations are displayed as
either unfiltered or filtered signals. Typical broadband (unfiltered) and single‑frequen
...
PROJET
NORME ISO/FDIS
FINAL
INTERNATIONALE 13373-2
ISO/TC 108/SC 2
Surveillance et diagnostic d’état
Secrétariat: DIN
des machines — Surveillance des
Début de vote:
2015-09-29 vibrations —
Vote clos le:
Partie 2:
2015-11-29
Traitement, analyse et présentation
des données vibratoires
Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration
condition monitoring —
Part 2: Processing, analysis and presentation of vibration data
LES DESTINATAIRES DU PRÉSENT PROJET SONT
INVITÉS À PRÉSENTER, AVEC LEURS OBSER-
VATIONS, NOTIFICATION DES DROITS DE PRO-
PRIÉTÉ DONT ILS AURAIENT ÉVENTUELLEMENT
CONNAISSANCE ET À FOURNIR UNE DOCUMEN-
TATION EXPLICATIVE.
OUTRE LE FAIT D’ÊTRE EXAMINÉS POUR
ÉTABLIR S’ILS SONT ACCEPTABLES À DES FINS
INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET COM-
Numéro de référence
MERCIALES, AINSI QUE DU POINT DE VUE
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
DES UTILISATEURS, LES PROJETS DE NORMES
INTERNATIONALES DOIVENT PARFOIS ÊTRE
CONSIDÉRÉS DU POINT DE VUE DE LEUR POSSI-
BILITÉ DE DEVENIR DES NORMES POUVANT
SERVIR DE RÉFÉRENCE DANS LA RÉGLEMENTA-
©
TION NATIONALE. ISO 2015
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2015, Publié en Suisse
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée
sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
ii © ISO 2015 – Tous droits réservés
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Conditionnement des signaux . 1
3.1 Généralités . 1
3.2 Systèmes analogiques et numériques . 4
3.2.1 Généralités . 4
3.2.2 Techniques de numérisation . 4
3.3 Systèmes de conditionnement des signaux . 5
3.3.1 Généralités . 5
3.3.2 Intégration et dérivation . 5
3.3.3 Valeur quadratique moyenne (efficace) du signal de vibration . 6
3.3.4 Gamme dynamique . 6
3.3.5 Étalonnage . 7
3.4 Filtrage . 7
4 Traitement et analyse des données . 8
4.1 Généralités . 8
4.2 Analyse dans le domaine temporel. 8
4.2.1 Signal temporel . 8
4.2.2 Battement.10
4.2.3 Modulation .11
4.2.4 Analyse de l’enveloppe .11
4.2.5 Surveillance de l’enveloppe du spectre de fréquences à bande étroite .12
4.2.6 Orbite d’arbre .12
4.2.7 Signal continu de position de l’arbre .13
4.2.8 Vibration durant les transitoires.13
4.2.9 Impulsion .14
4.2.10 Amortissement .15
4.2.11 Moyennage dans le domaine temporel .17
4.3 Analyse dans le domaine fréquentiel .18
4.3.1 Généralités .18
4.3.2 Transformée de Fourier .19
4.3.3 Troncature et fenêtrage .20
4.3.4 Pouvoir de résolution en fréquence .20
4.3.5 Longueur d’enregistrement .21
4.3.6 Modulation en amplitude (bandes latérales) .21
4.3.7 Repliement .23
4.3.8 Échantillonnage synchrone .24
4.3.9 Moyennage du spectre .25
4.3.10 Tracés logarithmiques (avec valeurs de référence en décibels) .25
4.3.11 Analyse en mode zoom .26
4.3.12 Dérivation et intégration .27
4.4 Affichage des résultats au cours des changements opérationnels .28
4.4.1 Amplitude et phase (diagramme de Bode) .28
4.4.2 Diagramme polaire (diagramme de Nyquist) .29
4.4.3 Diagramme en cascade .30
4.4.4 Diagramme de Campbell .32
4.5 Analyse en temps réel et bande passante en temps réel .33
4.6 Suivi d’ordres (analogiques et numériques) .34
4.7 Analyse par bande d’octave et par fraction d’octave .34
4.8 Analyse par la méthode du cepstre .35
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
5 Autres techniques .36
Bibliographie .37
iv © ISO 2015 – Tous droits réservés
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer
un engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à
l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes
de l’OMC concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos —
Informations supplémentaires.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques,
et leur surveillance, sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant
les machines, les véhicules et les structures.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 13373-2:2005), qui a fait l’objet
d’une révision technique.
L’ISO 13373 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Surveillance et diagnostic
d’état des machines — Surveillance des vibrations:
— Partie 1: Procédures générales
— Partie 2: Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
— Partie 3: Lignes directrices pour le diagnostic des vibrations
— Partie 9: Techniques de diagnostic pour moteurs électriques
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
Introduction
Le but de la présente partie de l’ISO 13373, qui traite de la surveillance des vibrations des machines,
est de fournir des recommandations relatives aux méthodes et procédures de traitement des signaux
et d’analyse des données délivrées par les capteurs de vibrations associés à une machine et implantés à
des emplacements choisis pour les besoins de surveillance du comportement dynamique d’une machine.
Les mesurages des vibrations à large bande donnent une idée générale sur l’intensité des vibrations
d’une machine qui peut être relevée et affichée afin d’alerter les utilisateurs d’une machine en cas
d’apparition d’une condition anormale au niveau de la machine. Le traitement et l’analyse de ces signaux
de vibration réalisés conformément aux procédures spécifiées dans la présente partie de l’ISO 13373
donnent à l’utilisateur un aperçu sur les moyens permettant de diagnostiquer la ou les causes possibles
des problèmes affectant les machines, ce qui permet une surveillance plus ciblée et continue de celles-ci.
Un tel programme de surveillance ne présente pas seulement l’avantage d’attirer l’attention des
opérateurs des machines sur le fait qu’une machine peut connaître une défaillance à un certain moment
et qu’il est nécessaire de planifier l’entretien et la maintenance avant l’apparition de la défaillance, mais
il fournit également de précieuses informations sur la nature de la maintenance qu’il est nécessaire
de planifier et d’exécuter. Les vibrations sont des manifestations ou des signes avant-coureurs de
problèmes tels que le défaut d’alignement, le balourd, l’usure accélérée, le fluage et les problèmes de
lubrification.
L’ISO 13373-1 fournit des lignes directrices en matière de surveillance des vibrations des machines.
La présente partie de l’ISO 13373 contient cependant des lignes directrices relatives au traitement, à
l’analyse et à la présentation des données vibratoires ainsi recueillies et qui peuvent être utilisées aux
fins de diagnostic pour déterminer la nature ou les causes profondes des problèmes.
Les procédures de traitement, d’analyse et de diagnostic des signaux, appliquées à la surveillance des
vibrations, peuvent varier en fonction des processus à surveiller, du degré de précision souhaité, des
ressources disponibles, etc. Un programme de surveillance parfaitement conçu et bien exécuté implique
la prise en considération de plusieurs facteurs, tels que les processus prioritaires, la criticité (gravité)
et la complexité d’un système, la rentabilité, la probabilité d’occurrence des divers mécanismes de
défaillances et l’identification des premiers signes indicateurs de la défaillance.
Une analyse adéquate du processus est nécessaire pour imposer le choix des types de données souhaités
afin de permettre une surveillance convenable des machines.
Il est nécessaire que la personne chargée de l’analyse des vibrations regroupe autant d’informations
pertinentes que possible sur la machine à surveiller. Par exemple, la connaissance des fréquences de
résonance et des fréquences d’excitation des vibrations à partir des renseignements descriptifs et
des données analytiques donne un aperçu sur les fréquences vibratoires prévues, et par conséquent,
sur la gamme de fréquences à surveiller. En outre, la connaissance de l’état initial de la machine, de
l’historique de la machine en service et de ses conditions d’utilisation offre à l’analyste des informations
complémentaires.
Ce processus de planification avant essai présente d’autres avantages; il fournit des lignes directrices
sur les types de capteurs nécessaires, les emplacements requis les plus adéquats pour leur implantation,
la nature de l’équipement requis pour le conditionnement (prétraitement) des signaux, le type d’analyse
le plus approprié et les critères pertinents.
D’autres normes traitant de la surveillance et du diagnostic d’état des machines sont en cours
d’élaboration. Elles sont destinées à fournir des lignes directrices sur la surveillance globale de la
«santé» des machines, y compris des facteurs tels que les vibrations, le degré de pureté des huiles, la
thermographie et les performances. Des techniques de base pour le diagnostic seront décrites dans
l’ISO 13373-3.
vi © ISO 2015 – Tous droits réservés
PROJET FINAL DE NORME INTERNATIONALE ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
Surveillance et diagnostic d’état des machines —
Surveillance des vibrations —
Partie 2:
Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 13373 spécifie des procédures recommandées pour le traitement et la
présentation des données vibratoires et l’analyse des signatures vibratoires aux fins de surveillance
des vibrations des machines tournantes et la réalisation de diagnostics, le cas échéant. Elle décrit
différentes techniques en fonction des diverses applications. Elle présente par ailleurs des techniques
d’amélioration des signaux et des méthodes d’analyse destinées à l’étude des phénomènes dynamiques
de machines spécifiques. Plusieurs de ces techniques peuvent être appliquées à d’autres types de
machines, y compris les machines alternatives. Elle donne en outre des exemples de formats pour des
paramètres communément représentés aux fins d’évaluation et de diagnostic.
La présente partie de l’ISO 13373 est essentiellement fondée sur deux principes de base pour l’analyse des
signaux de vibration: le domaine temporel et le domaine fréquentiel. Certaines méthodes d’affinement
des résultats du diagnostic par variation des conditions de fonctionnement sont également couvertes.
La présente partie de l’ISO 13373 ne présente que les techniques les plus couramment utilisées pour
la surveillance, l’analyse et le diagnostic des vibrations des machines. Plusieurs autres techniques sont
mises en œuvre pour la détermination du comportement des machines et sont appliquées dans des
études fondées sur une analyse et un diagnostic plus approfondis des vibrations qui dépassent le cadre du
simple suivi pour la surveillance des machines. Une description détaillée de ces techniques ne relève pas
du domaine d’application de la présente partie de l’ISO 13373, mais l’Article 5 établit, à titre d’information
complémentaire, une liste de certaines de ces techniques spécialisées et encore plus développées.
Pour des machines de types et de dimensions spécifiques, les séries de normes ISO 7919 et ISO 10816
fournissent des principes directeurs pour l’application de grandeurs vibratoires à large bande destinée
à la surveillance d’état des machines; d’autres documents tels que la norme VDI 3839 apportent des
informations supplémentaires sur les problèmes spécifiques aux machines qui peuvent être identifiés
par un diagnostic des vibrations.
2 Références normatives
Les documents ci-après, dans leur intégralité ou non, sont des références normatives indispensables à
l’application du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 1683, Acoustique — Valeurs de référence recommandées pour les niveaux acoustiques et vibratoires
3 Conditionnement des signaux
3.1 Généralités
Tous les mesurages des vibrations sont pratiquement effectués en utilisant un capteur délivrant un
signal électrique analogique proportionnel à la valeur instantanée de l’accélération, de la vitesse ou
du déplacement des vibrations. Ce signal peut être enregistré sur un analyseur dynamique, étudié
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
pour une analyse ultérieure ou visualisé, par exemple, sur un oscilloscope. Pour obtenir les niveaux de
vibrations réels, la tension de sortie est multipliée par une constante d’étalonnage qui rend compte de
la sensibilité d’un capteur et des gains d’un amplificateur et d’un enregistreur. L’étude des vibrations est
souvent réalisée dans le domaine fréquentiel mais il existe également des outils précieux faisant appel
au diagramme d’évolution des vibrations.
La Figure 1 illustre l’évolution du signal de vibration dans les domaines temporel et fréquentiel. Dans
cette illustration, il est possible de relever que quatre recouvrements de signaux se combinent pour
former la trace composite, telle qu’elle apparaîtrait sur l’écran de l’analyseur (trace grise dans le
plan XY). Grâce à la méthode de traitement par transformées de Fourier, l’analyseur convertit ce signal
composite pour délivrer les quatre composantes fréquentielles distinctes visualisées.
Y
Z
X
Légende
X temps 1 oscillogramme représentant le signal temporel
Y amplitude/grandeur 2 spectre dans le domaine fréquentiel
Z fréquence
Figure 1 — Domaines temporel et fréquentiel
La Figure 2 présente un exemple plus simple de trace composite délivrée par un capteur, telle qu’elle
apparaît sur l’écran de l’analyseur. Dans ce cas, seuls trois recouvrements de signaux sont représentés,
comme montré à la Figure 3, leurs fréquences distinctes étant présentées à la Figure 4.
2 © ISO 2015 – Tous droits réservés
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
Y
X
Légende
X temps
Y amplitude
Figure 2 — Signal composite de spectres de base
Y
X
Légende
X temps
Y amplitude
Figure 3 — Recouvrement des signaux
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
Y
X
Légende
X fréquence
Y amplitude
Figure 4 — Fréquences distinctes
Pour de nombreuses études, la relation entre vibrations, sur différents points de la structure ou dans
différents sens de propagation des vibrations, est aussi importante que les données relatives aux
vibrations individuelles elles-mêmes. Pour cette raison, des analyseurs de signaux multicanaux sont
associés à des systèmes d’analyse intégrés et à deux canaux. Lors de l’examen des signaux au moyen de
cette technique, il est important d’observer l’amplitude et la phase des signaux de vibration.
3.2 Systèmes analogiques et numériques
3.2.1 Généralités
Le signal analogique délivré par un capteur peut faire l’objet d’un traitement mettant en œuvre des
systèmes analogiques ou numériques. Traditionnellement, des systèmes analogiques étaient mis en
œuvre et utilisaient des filtres, des amplificateurs, des enregistreurs, des intégrateurs et d’autres
composants qui modifient le signal sans toutefois en changer le caractère analogique. Plus récemment,
les avantages qu’offre la numérisation des signaux sont devenus de plus en plus apparents. Un
convertisseur analogique/numérique échantillonne de façon répétitive le signal analogique et le
convertit en une série de valeurs numériques. Des logiciels mathématiques peuvent alors être utilisés
pour le filtrage, l’intégration, la détection spectrale (voir 4.3.2), l’établissement d’histogrammes ou
la réalisation de toute autre opération requise. Bien entendu, le signal numérisé peut également être
représenté sur un graphique en fonction de son évolution dans le temps. Qu’il soit analogique ou
numérique, le signal contient les mêmes informations, sous réserve du choix approprié de la fréquence
d’échantillonnage.
Lors de l’utilisation d’une méthode analogique ou d’une méthode numérique, il est important de
connaître la sensibilité du signal à mesurer. La sensibilité est le rapport de la valeur réelle de la tension
de sortie du signal à la grandeur réelle du paramètre mesuré. Pour obtenir une définition adéquate du
signal, il convient que le signal concerné soit sensiblement supérieur aux niveaux du bruit ambiant sans
pour autant entraîner une distorsion du signal (par exemple par écrêtage du signal).
3.2.2 Techniques de numérisation
Dans le processus de numérisation, la fréquence d’échantillonnage et le pouvoir de résolution
constituent les paramètres les plus importants. Il est important de s’assurer de l’absence de toute
fréquence supérieure à la moitié de la valeur de la fréquence d’échantillonnage. Sinon, les diagrammes
d’évolution présenteront des distorsions ou les transformées de Fourier rapides (TFR) feront apparaître
des composantes de repliement qui n’appartiennent pas réellement au signal original (voir 4.3.7 pour
des informations complémentaires sur le repliement). La fréquence d’échantillonnage sera déterminée
par le type d’analyse à réaliser et le contenu fréquentiel attendu du signal. Lorsqu’on souhaite une
4 © ISO 2015 – Tous droits réservés
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
représentation graphique des vibrations en fonction du temps, il est recommandé que la fréquence
d’échantillonnage corresponde approximativement à 10 fois la fréquence représentative la plus élevée
dans le signal. Cependant, si on souhaite obtenir un spectre de fréquences, un calcul faisant intervenir
la TFR nécessite une fréquence d’échantillonnage qui doit être supérieure à deux fois la fréquence
représentative la plus élevée à mesurer. Les filtres anti-repliement servent à éliminer tout bruit parasite
à haute fréquence ou toute autre composante à haute fréquence supérieure à la moitié de la valeur de
la fréquence d’échantillonnage. Lors de la numérisation, le nombre de bits utilisés pour représenter
chaque échantillon doit être suffisant pour garantir le degré de précision requis.
3.3 Systèmes de conditionnement des signaux
3.3.1 Généralités
Les signaux de vibration délivrés par les capteurs nécessitent généralement un certain conditionnement
des signaux avant leur enregistrement afin d’obtenir les niveaux de tension appropriés à l’enregistrement
ou pour éliminer le bruit ou toute autre composante indésirable. Le système de conditionnement des
signaux inclut les sources d’alimentation des capteurs, les préamplificateurs, les amplificateurs, les
intégrateurs et plusieurs types de filtres. Le filtrage est abordé plus en détail en 3.4.
3.3.2 Intégration et dérivation
Les enregistrements des vibrations peuvent être réalisés en termes de déplacement, de vitesse ou
d’accélération. Généralement, la préférence est accordée à l’un de ces paramètres en fonction de la
gamme de fréquences représentative (les signaux à basse fréquence sont plus apparents lorsque le
paramètre de déplacement est utilisé et les signaux à haute fréquence sont plus apparents lorsque le
paramètre d’accélération est retenu) ou des critères applicables. Un signal de vibration peut être converti
en une grandeur différente par intégration ou dérivation. L’intégration de l’accélération par rapport
au temps donne la vitesse et l’intégration de la vitesse donne le déplacement. La double intégration
de l’accélération produira directement le déplacement. Comparée à l’intégration, la dérivation produit
l’effet inverse.
Mathématiquement, pour le mouvement harmonique, les relations suivantes s’appliquent:
déplacement:
i 1
xv=dta=dttd=−−va= (1)
()
∫∫∫
ω
ω
vitesse:
dx i
v = =dat =iωxa=− (2)
∫
dt ω
accélération:
dv d x
a = = ==−ωωxvi (3)
dt
dt
où ω est la pulsation de la vibration harmonique, avec ω = 2πf.
NOTE Voir aussi 4.3.12.
L’accéléromètre constitue un capteur de vibrations communément utilisé, et l’intégration est de ce fait
bien plus courante que la dérivation. En effet, la dérivation d’un signal est plus difficile que l’intégration,
même si une attention particulière doit être accordée à l’intégration des signaux à basse fréquence.
Avant l’intégration, il convient d’utiliser un filtre passe-haut afin d’éliminer les fréquences inférieures
aux fréquences représentatives.
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
3.3.3 Valeur quadratique moyenne (efficace) du signal de vibration
La valeur quadratique moyenne (RMS) du signal de vibration est couramment utilisée dans les normes
d’évaluation des vibrations. Les critères d’évaluation s’appliquent souvent aux valeurs quadratiques
moyennes des vibrations dans une certaine gamme de fréquences. Il s’agit de la grandeur de vibration
la plus utilisée sur une période de temps donnée. D’autres mesures d’un signal de vibration peuvent
prêter à confusion en présence de plusieurs composantes fréquentielles ou en cas de modulation, etc.
Cependant, la valeur quadratique moyenne est une grandeur mathématique qui peut être trouvée
quel que soit le signal, la majeure partie des instruments étant conçue pour dériver ladite grandeur
(voir Figure 5). Par ailleurs, la valeur quadratique moyenne peut être obtenue au moyen d’un analyseur
de spectre en intégrant le spectre entre les fréquences représentatives les plus hautes et les plus basses.
Un signal de vibration peut être filtré de la manière requise et visualisé sur un instrument de mesure
des valeurs quadratiques moyennes des vibrations, lorsque les lectures ne varient pas de manière
significative sur une courte période de temps. Toutefois, lorsque la valeur de sortie indiquée varie de
manière sensible, une valeur moyenne sur une certaine période de temps doit être obtenue. Ceci peut
être réalisé en utilisant un instrument disposant d’une constante de temps plus importante.
a) Signal sinusoïdal, lorsque la valeur quadratique moyenne est égale à 0,707 fois la valeur
crête
b) Signal non sinusoïdal
Légende
1 valeur crête
2 valeur quadratique moyenne
Figure 5 — Valeur crête et valeur quadratique moyenne
3.3.4 Gamme dynamique
La gamme dynamique est le rapport entre les grandeurs les plus élevées et les plus faibles des
signaux qu’un analyseur particulier peut transmettre simultanément. Les grandeurs des signaux sont
proportionnelles aux tensions de sortie des capteurs, généralement exprimées en millivolts.
La gamme dynamique dans les systèmes analogiques est généralement limitée par le bruit électrique.
Ce phénomène ne concerne généralement pas le capteur lui-même, mais les filtres, amplificateurs,
enregistreurs, etc., contribuent tous au niveau du bruit, et le résultat peut être étonnamment élevé.
Dans les systèmes numériques, la gamme dynamique dépend de la précision de l’échantillonnage et
la fréquence d’échantillonnage doit être adaptée aux fréquences représentatives. La relation entre
6 © ISO 2015 – Tous droits réservés
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
le nombre de bits, N, utilisés pour l’échantillonnage du signal analogique et la gamme dynamique, D,
s’établit comme suit (en cas d’utilisation d’un seul bit pour le signe):
6 (N − 1) = D (4)
En conséquence, un analyseur dynamique de signaux (ADS), avec un pouvoir de résolution de 16 bits,
disposera d’une gamme dynamique de 90 dB, mais chaque erreur de précision se traduira par une
réduction de la gamme dynamique.
3.3.5 Étalonnage
Les documents cités en référence (par exemple l’ISO 16063-21) consacrent une large place à l’étalonnage
des capteurs individuels, l’étalonnage étant généralement effectué en laboratoire avant leur utilisation
in situ. Il est toutefois recommandé d’effectuer un contrôle d’étalonnage pour chaque installation sur le
terrain. Normalement, le contrôle d’étalonnage sur le terrain n’intègre pas l’étalonnage du capteur, mais
il concerne les éléments restants du système de mesure/enregistrement, tels que les amplificateurs,
filtres, intégrateurs et enregistreurs. Le plus souvent, il implique l’application d’un signal connu dans
le système afin d’examiner le signal de sortie y afférent. Selon le type de mesurage à effectuer, le signal
pourrait être un échelon sur la valeur continue, une sinusoïde ou un bruit aléatoire.
Certains capteurs, tels que les capteurs de déplacement ou les capteurs sans contact, sont pré-
étalonnés. Dans ce cas, il convient toutefois de contrôler leur étalonnage sur le terrain et en relation
avec la surface soumise au mesurage, dans la mesure où les capteurs sans contact sont sensibles aux
matériaux métalliques de fabrication des arbres et de revêtement de finition. L’étalonnage de ces
capteurs est effectué sur place en utilisant des micromètres à touche mobile, et le résultat obtenu pour
chaque capteur est consigné.
Le contrôle sur le terrain de l’étalonnage des capteurs sismiques nécessite l’emploi d’une table vibrante.
Après leur mise en place, les jauges de contrainte sont également étalonnées sur le terrain. L’étalonnage
le plus souhaitable porte sur une charge connue à appliquer au composant soumis au mesurage. Lorsque
cela n’est pas réalisable, un étalonnage à résistance en dérivation peut être effectué en raccordant en
parallèle un fil d’étalonnage à la jauge de contrainte dont la résistance apparente varie alors d’une
valeur connue équivalente à une certaine contrainte déterminée par l’instrument.
3.4 Filtrage
Pour le conditionnement et l’analyse du signal, trois types de filtres de base sont utilisés:
— filtre passe-bas;
— filtre passe-haut;
— filtre passe-bande.
Les filtres passe-bas, comme leur nom l’indique, ne laissent passer que les composantes à basse
fréquence du signal et bloquent les composantes à haute fréquence au-delà de la fréquence limite du
filtre (fréquence de coupure). Les exemples d’application sont les filtres anti-repliement (voir 4.3.7)
ou les filtres qui éliminent les composantes à haute fréquence indésirables pour des applications
particulières (par exemple, composantes d’engrènements à des fins d’équilibrage).
Les filtres passe-haut servent principalement à éliminer le bruit à basse fréquence généré par les
capteurs (bruit d’origine thermique) ou certaines autres composantes indésirables du signal, avant de
procéder à l’analyse de celui-ci. Cette fonction peut se révéler importante dans la mesure où de telles
composantes, même si elles ne présentent aucun intérêt, peuvent réduire très sensiblement la gamme
dynamique utile des équipements de mesure.
Lorsqu’ils sont impliqués dans l’analyse du signal, les filtres passe-bande servent à isoler des bandes de
fréquences distinctes. Les types de filtres passe-bande les plus communs sont les filtres d’octave ou les
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
filtres de 1/n octave spécialement utilisés pour la corrélation entre les mesurages de vibrations et les
mesurages du bruit.
Le filtrage est d’une importance particulière pour l’analyse des signaux à larges gammes dynamiques.
Lorsque les spectres présentent des fréquences de grandes et faibles amplitudes, par exemple, ils ne
peuvent généralement pas être analysés avec le même degré de précision en raison des limitations en
termes de gamme dynamique de l’analyseur. Dans de tels cas, il peut être nécessaire d’éliminer par filtrage
les composantes de grande amplitude afin d’examiner plus attentivement celles à faible amplitude.
Le filtrage est également important pour la séparation des signaux à valeur informative des signaux
perturbateurs (dans la mesure où le bruit électronique se situe dans la gamme des hautes fréquences
ou que les ondes sismiques sont dans la gamme des très basses fréquences).
Lorsque les filtres sont destinés à isoler une composante fréquentielle particulière afin d’examiner
la forme d’onde, il faut veiller tout particulièrement à s’assurer que le filtre élimine correctement
toute composante présentant d’autres fréquences que les fréquences représentatives. Qu’ils soient
analogiques ou numériques, les filtres simples ne présentent pas des caractéristiques de coupure
franche puisque la pente est médiocre en dehors de la bande passante du filtre.
EXEMPLE Un filtre particulier de 24 dB par octave laisse passer environ 15 % d’une composante avec
2 fois la fréquence et environ 45 % d’une composante avec 1,5 fois la fréquence de coupure. Pour améliorer les
caractéristiques de filtrage, il est possible d’utiliser plusieurs filtres simples en cascade ou de les remplacer par
un filtre d’ordre supérieur.
4 Traitement et analyse des données
4.1 Généralités
Le traitement des données consiste à procéder à l’acquisition des données brutes, à l’élimination par
filtrage du bruit indésirable et/ou des autres signaux non pertinents et au formatage des signaux
mesurés de la manière requise aux fins d’un diagnostic ultérieur. En conséquence, le traitement des
données est une phase importante permettant de réaliser un diagnostic efficace et probant. Il convient
que le dispositif d’acquisition des signaux de vibration délivrés par le capteur présente un pouvoir
de résolution adéquat en amplitude et dans le temps. En cas d’acquisition de données numériques, il
convient que le pouvoir de résolution en amplitude soit suffisamment élevé pour l’application concernée.
Un nombre élevé de bits de résolution permet d’atteindre un haut degré de précision et de sensibilité,
mais cela nécessite généralement la mise en œuvre de matériels plus onéreux et d’une puissance de
traitement plus élevée.
Une fois l’acquisition des signaux achevée, la phase suivante consiste à les traiter et ensuite à visualiser
les signaux de sortie selon divers formats utiles de manière à rendre le diagnostic plus facile pour
l’utilisateur. Des exemples de tels formats sont les diagrammes de Nyquist, les diagrammes polaires,
les diagrammes de Campbell, les diagrammes en cascade et les diagrammes en amplitude descendante.
L’Article 4 a donc pour objet d’exposer ces différentes méthodes de présentation mises à la disposition
de l’utilisateur afin de lui permettre de mieux déterminer l’état des machines.
4.2 Analyse dans le domaine temporel
4.2.1 Signal temporel
Dans le passé, l’analyse des signaux temporels constituait la méthode primaire d’analyse des vibrations.
Une vibration instantanée représentée en fonction du temps sur une bande d’enregistrement ou un
oscillographe était généralement analysée graphiquement, les pics en bande large étant notés. Alors que
ces techniques de traitement en bande large continuent d’être utilisées, il est utile d’analyser le signal
en faisant appel à certaines des techniques de base plus simples. Par exemple, un tourillon rayé peut
être détecté en examinant les données relatives à un signal délivré par les capteurs de déplacement,
et un signal d’onde dont les parties supérieure ou inférieure sont écrêtées peut être révélateur d’un
frottement anormal, d’un desserrage mécanique, etc.
8 © ISO 2015 – Tous droits réservés
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
Alors que ces signatures dans le domaine temporel peuvent décrire des formes d’onde permettant
de dégager des informations de base sur la nature d’un phénomène survenant dans la machine, les
techniques d’analyse plus approfondie de fréquence décrites en 4.3 peuvent se révéler nécessaires.
L’analyse des signaux est fondée sur le principe selon lequel tout signal périodique peut être représenté
comme une superposition de sinusoïdes dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence
du signal. Les Figures 6 à 9 présentent plusieurs exemples de signaux temporels.
La Figure 6 illustre essentiellement une sinusoïde à période unique avec une amplitude constante.
L’amplitude double (ou crête à crête) de la vibration est obtenue en mesurant l’amplitude double de la
trace et en multipliant cette valeur par la sensibilité du système de mesure et d’enregistrement relevée
lors de l’étalonnage. La fréquence est obtenue en comptant le nombre de périodes dans un intervalle de
temps connu. Sur un oscillographe, le temps est indiqué par des lignes temporelles ou simplement par
la vitesse connue de défilement du papier. Pour la trace présentée, 60 lignes temporelles par seconde
sont prévues; en conséquence, les 12 lignes indiquent que la période fondamentale, T, est égale à 0,2 s, et
qu’ainsi, la fréquence, f = 1/T, est de 5 Hz. La précision est améliorée en utilisant le nombre de périodes
dans une section plus longue de l’enregistrement.
La Figure 7 présente la superposition de deux sinusoïdes avec trois périodes de la fréquence la plus
basse représentée. Les composantes peuvent être dissociées en traçant des enveloppes sinusoïdales
(limites supérieures et inférieure) passant par tous les pics et tous les creux, tel qu’indiqué. L’amplitude
et la fréquence de la composante à basse fréquence sont celles de l’enveloppe résultante. La distance
verticale entre les enveloppes indique la valeur de crête à crête de la composante à haute fréquence et
la haute fréquence peut généralement être comptée. Dans cet exemple, il est possible de constater que
les fréquences diffèrent d’un facteur de trois. Lorsque le rapport de fréquence entre deux sinusoïdes
superposées est élevé, elles peuvent être dissociées comme indiqué; dans tous les autres cas, une
analyse de Fourier est plus utile.
012 34 56 78 9101112
0,2
0 X
Légende
X temps, s
Figure 6 — Caractéristiques des signaux
ISO/FDIS 13373-2:2015(F)
1 s
a
Légende
a
Période.
Figure 7 — Superposition
4.2.2 Battement
Les signaux sont souvent semblables à la trace présentée à la Figure 8, où les enveloppes ne sont pas en
phase, ce qui provoque des ventres et des rétrécissements. Le signal est formé par deux composantes
proches en fréquence et en amplitude. Ce phénomène, appelé battement, est un cas particulier provoqué
par la superposition. Un exemple de battement est celui produit par les deux fréquences générées par
l’hélice double de propulsion d’un bateau qui se combinent. Les pics des deux signaux s’additionnent
et se déduisent en alternance. Une autre caractéristique du battement est que les longueurs des
battements sont presque identiques et que l’espacement entre les pics au niveau des ventres est différent
de celui observé dans les rétrécissements. Les distances entre les enveloppes, au niveau des ventres
et des rétrécissements, représentent respectivement les sommes et les différences des valeur
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 13373-2
Deuxième édition
2016-01-15
Surveillance et diagnostic d’état
des machines — Surveillance des
vibrations —
Partie 2:
Traitement, analyse et présentation
des données vibratoires
Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration
condition monitoring —
Part 2: Processing, analysis and presentation of vibration data
Numéro de référence
©
ISO 2016
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2016, Publié en Suisse
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée
sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Ch. de Blandonnet 8 • CP 401
CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
copyright@iso.org
www.iso.org
ii © ISO 2016 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Conditionnement des signaux . 1
3.1 Généralités . 1
3.2 Systèmes analogiques et numériques . 4
3.2.1 Généralités . 4
3.2.2 Techniques de numérisation . 4
3.3 Systèmes de conditionnement des signaux . 5
3.3.1 Généralités . 5
3.3.2 Intégration et dérivation . 5
3.3.3 Valeur quadratique moyenne (efficace) du signal de vibration . 6
3.3.4 Gamme dynamique . 6
3.3.5 Étalonnage . 7
3.4 Filtrage . 7
4 Traitement et analyse des données . 8
4.1 Généralités . 8
4.2 Analyse dans le domaine temporel. 8
4.2.1 Signal temporel . 8
4.2.2 Battement.10
4.2.3 Modulation .11
4.2.4 Analyse de l’enveloppe .11
4.2.5 Surveillance de l’enveloppe du spectre de fréquences à bande étroite .12
4.2.6 Orbite d’arbre .12
4.2.7 Signal continu de position de l’arbre .13
4.2.8 Vibration durant les transitoires.13
4.2.9 Impulsion .14
4.2.10 Amortissement .15
4.2.11 Moyennage dans le domaine temporel .17
4.3 Analyse dans le domaine fréquentiel .18
4.3.1 Généralités .18
4.3.2 Transformée de Fourier .19
4.3.3 Troncature et fenêtrage .20
4.3.4 Pouvoir de résolution en fréquence .20
4.3.5 Longueur d’enregistrement .21
4.3.6 Modulation en amplitude (bandes latérales) .21
4.3.7 Repliement .23
4.3.8 Échantillonnage synchrone .24
4.3.9 Moyennage du spectre .25
4.3.10 Tracés logarithmiques (avec valeurs de référence en décibels) .25
4.3.11 Analyse en mode zoom .26
4.3.12 Dérivation et intégration .27
4.4 Affichage des résultats au cours des changements opérationnels .28
4.4.1 Amplitude et phase (diagramme de Bode) .28
4.4.2 Diagramme polaire (diagramme de Nyquist) .29
4.4.3 Diagramme en cascade .30
4.4.4 Diagramme de Campbell .32
4.5 Analyse en temps réel et bande passante en temps réel .33
4.6 Suivi d’ordres (analogiques et numériques) .34
4.7 Analyse par bande d’octave et par fraction d’octave .34
4.8 Analyse par la méthode du cepstre .35
5 Autres techniques .36
Bibliographie .37
iv © ISO 2016 – Tous droits réservés
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer
un engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à
l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes
de l’OMC concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos —
Informations supplémentaires.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques,
et leur surveillance, sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant
les machines, les véhicules et les structures.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 13373-2:2005), qui a fait l’objet
d’une révision d’ordre rédactionnel.
L’ISO 13373 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Surveillance et diagnostic
d’état des machines — Surveillance des vibrations:
— Partie 1: Procédures générales
— Partie 2: Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
— Partie 3: Lignes directrices pour le diagnostic des vibrations
— Partie 9: Techniques de diagnostic pour moteurs électriques
Introduction
Le but de la présente partie de l’ISO 13373, qui traite de la surveillance des vibrations des machines,
est de fournir des recommandations relatives aux méthodes et procédures de traitement des signaux
et d’analyse des données délivrées par les capteurs de vibrations associés à une machine et implantés à
des emplacements choisis pour les besoins de surveillance du comportement dynamique d’une machine.
Les mesurages des vibrations à large bande donnent une idée générale sur l’intensité des vibrations
d’une machine qui peut être relevée et affichée afin d’alerter les utilisateurs d’une machine en cas
d’apparition d’une condition anormale au niveau de la machine. Le traitement et l’analyse de ces signaux
de vibration réalisés conformément aux procédures spécifiées dans la présente partie de l’ISO 13373
donnent à l’utilisateur un aperçu sur les moyens permettant de diagnostiquer la ou les causes possibles
des problèmes affectant les machines, ce qui permet une surveillance plus ciblée et continue de celles-ci.
Un tel programme de surveillance ne présente pas seulement l’avantage d’attirer l’attention des
opérateurs des machines sur le fait qu’une machine peut connaître une défaillance à un certain moment
et qu’il est nécessaire de planifier l’entretien et la maintenance avant l’apparition de la défaillance, mais
il fournit également de précieuses informations sur la nature de la maintenance qu’il est nécessaire
de planifier et d’exécuter. Les vibrations sont des manifestations ou des signes avant-coureurs de
problèmes tels que le défaut d’alignement, le balourd, l’usure accélérée, le fluage et les problèmes de
lubrification.
L’ISO 13373-1 fournit des lignes directrices en matière de surveillance des vibrations des machines.
La présente partie de l’ISO 13373 contient cependant des lignes directrices relatives au traitement, à
l’analyse et à la présentation des données vibratoires ainsi recueillies et qui peuvent être utilisées aux
fins de diagnostic pour déterminer la nature ou les causes profondes des problèmes.
Les procédures de traitement, d’analyse et de diagnostic des signaux, appliquées à la surveillance des
vibrations, peuvent varier en fonction des processus à surveiller, du degré de précision souhaité, des
ressources disponibles, etc. Un programme de surveillance parfaitement conçu et bien exécuté implique
la prise en considération de plusieurs facteurs, tels que les processus prioritaires, la criticité (gravité)
et la complexité d’un système, la rentabilité, la probabilité d’occurrence des divers mécanismes de
défaillances et l’identification des premiers signes indicateurs de la défaillance.
Une analyse adéquate du processus est nécessaire pour imposer le choix des types de données souhaités
afin de permettre une surveillance convenable des machines.
Il est nécessaire que la personne chargée de l’analyse des vibrations regroupe autant d’informations
pertinentes que possible sur la machine à surveiller. Par exemple, la connaissance des fréquences de
résonance et des fréquences d’excitation des vibrations à partir des renseignements descriptifs et
des données analytiques donne un aperçu sur les fréquences vibratoires prévues, et par conséquent,
sur la gamme de fréquences à surveiller. En outre, la connaissance de l’état initial de la machine, de
l’historique de la machine en service et de ses conditions d’utilisation offre à l’analyste des informations
complémentaires.
Ce processus de planification avant essai présente d’autres avantages; il fournit des lignes directrices
sur les types de capteurs nécessaires, les emplacements requis les plus adéquats pour leur implantation,
la nature de l’équipement requis pour le conditionnement (prétraitement) des signaux, le type d’analyse
le plus approprié et les critères pertinents.
D’autres normes traitant de la surveillance et du diagnostic d’état des machines sont en cours
d’élaboration. Elles sont destinées à fournir des lignes directrices sur la surveillance globale de la
«santé» des machines, y compris des facteurs tels que les vibrations, le degré de pureté des huiles, la
thermographie et les performances. Des techniques de base pour le diagnostic seront décrites dans
l’ISO 13373-3.
vi © ISO 2016 – Tous droits réservés
NORME INTERNATIONALE ISO 13373-2:2016(F)
Surveillance et diagnostic d’état des machines —
Surveillance des vibrations —
Partie 2:
Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 13373 spécifie des procédures recommandées pour le traitement et la
présentation des données vibratoires et l’analyse des signatures vibratoires aux fins de surveillance
des vibrations des machines tournantes et la réalisation de diagnostics, le cas échéant. Elle décrit
différentes techniques en fonction des diverses applications. Elle présente par ailleurs des techniques
d’amélioration des signaux et des méthodes d’analyse destinées à l’étude des phénomènes dynamiques
de machines spécifiques. Plusieurs de ces techniques peuvent être appliquées à d’autres types de
machines, y compris les machines alternatives. Elle donne en outre des exemples de formats pour des
paramètres communément représentés aux fins d’évaluation et de diagnostic.
La présente partie de l’ISO 13373 est essentiellement fondée sur deux principes de base pour l’analyse des
signaux de vibration: le domaine temporel et le domaine fréquentiel. Certaines méthodes d’affinement
des résultats du diagnostic par variation des conditions de fonctionnement sont également couvertes.
La présente partie de l’ISO 13373 ne présente que les techniques les plus couramment utilisées pour
la surveillance, l’analyse et le diagnostic des vibrations des machines. Plusieurs autres techniques sont
mises en œuvre pour la détermination du comportement des machines et sont appliquées dans des
études fondées sur une analyse et un diagnostic plus approfondis des vibrations qui dépassent le cadre du
simple suivi pour la surveillance des machines. Une description détaillée de ces techniques ne relève pas
du domaine d’application de la présente partie de l’ISO 13373, mais l’Article 5 établit, à titre d’information
complémentaire, une liste de certaines de ces techniques spécialisées et encore plus développées.
Pour des machines de types et de dimensions spécifiques, les séries de normes ISO 7919 et ISO 10816
fournissent des principes directeurs pour l’application de grandeurs vibratoires à large bande destinée
à la surveillance d’état des machines; d’autres documents tels que la norme VDI 3839 apportent des
informations supplémentaires sur les problèmes spécifiques aux machines qui peuvent être identifiés
par un diagnostic des vibrations.
2 Références normatives
Les documents ci-après, dans leur intégralité ou non, sont des références normatives indispensables à
l’application du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 1683, Acoustique — Valeurs de référence recommandées pour les niveaux acoustiques et vibratoires
3 Conditionnement des signaux
3.1 Généralités
Tous les mesurages des vibrations sont pratiquement effectués en utilisant un capteur délivrant un
signal électrique analogique proportionnel à la valeur instantanée de l’accélération, de la vitesse ou
du déplacement des vibrations. Ce signal peut être enregistré sur un analyseur dynamique, étudié
pour une analyse ultérieure ou visualisé, par exemple, sur un oscilloscope. Pour obtenir les niveaux de
vibrations réels, la tension de sortie est multipliée par une constante d’étalonnage qui rend compte de
la sensibilité d’un capteur et des gains d’un amplificateur et d’un enregistreur. L’étude des vibrations est
souvent réalisée dans le domaine fréquentiel mais il existe également des outils précieux faisant appel
au diagramme d’évolution des vibrations.
La Figure 1 illustre l’évolution du signal de vibration dans les domaines temporel et fréquentiel. Dans
cette illustration, il est possible de relever que quatre recouvrements de signaux se combinent pour
former la trace composite, telle qu’elle apparaîtrait sur l’écran de l’analyseur (trace grise dans le
plan XY). Grâce à la méthode de traitement par transformées de Fourier, l’analyseur convertit ce signal
composite pour délivrer les quatre composantes fréquentielles distinctes visualisées.
Y
Z
X
Légende
X temps 1 oscillogramme représentant le signal temporel
Y amplitude/grandeur 2 spectre dans le domaine fréquentiel
Z fréquence
Figure 1 — Domaines temporel et fréquentiel
La Figure 2 présente un exemple plus simple de trace composite délivrée par un capteur, telle qu’elle
apparaît sur l’écran de l’analyseur. Dans ce cas, seuls trois recouvrements de signaux sont représentés,
comme montré à la Figure 3, leurs fréquences distinctes étant présentées à la Figure 4.
2 © ISO 2016 – Tous droits réservés
Y
X
Légende
X temps
Y amplitude
Figure 2 — Signal composite de spectres de base
Y
X
Légende
X temps
Y amplitude
Figure 3 — Recouvrement des signaux
Y
X
Légende
X fréquence
Y amplitude
Figure 4 — Fréquences distinctes
Pour de nombreuses études, la relation entre vibrations, sur différents points de la structure ou dans
différents sens de propagation des vibrations, est aussi importante que les données relatives aux
vibrations individuelles elles-mêmes. Pour cette raison, des analyseurs de signaux multicanaux sont
associés à des systèmes d’analyse intégrés et à deux canaux. Lors de l’examen des signaux au moyen de
cette technique, il est important d’observer l’amplitude et la phase des signaux de vibration.
3.2 Systèmes analogiques et numériques
3.2.1 Généralités
Le signal analogique délivré par un capteur peut faire l’objet d’un traitement mettant en œuvre des
systèmes analogiques ou numériques. Traditionnellement, des systèmes analogiques étaient mis en
œuvre et utilisaient des filtres, des amplificateurs, des enregistreurs, des intégrateurs et d’autres
composants qui modifient le signal sans toutefois en changer le caractère analogique. Plus récemment,
les avantages qu’offre la numérisation des signaux sont devenus de plus en plus apparents. Un
convertisseur analogique/numérique échantillonne de façon répétitive le signal analogique et le
convertit en une série de valeurs numériques. Des logiciels mathématiques peuvent alors être utilisés
pour le filtrage, l’intégration, la détection spectrale (voir 4.3.2), l’établissement d’histogrammes ou
la réalisation de toute autre opération requise. Bien entendu, le signal numérisé peut également être
représenté sur un graphique en fonction de son évolution dans le temps. Qu’il soit analogique ou
numérique, le signal contient les mêmes informations, sous réserve du choix approprié de la fréquence
d’échantillonnage.
Lors de l’utilisation d’une méthode analogique ou d’une méthode numérique, il est important de
connaître la sensibilité du signal à mesurer. La sensibilité est le rapport de la valeur réelle de la tension
de sortie du signal à la grandeur réelle du paramètre mesuré. Pour obtenir une définition adéquate du
signal, il convient que le signal concerné soit sensiblement supérieur aux niveaux du bruit ambiant sans
pour autant entraîner une distorsion du signal (par exemple par écrêtage du signal).
3.2.2 Techniques de numérisation
Dans le processus de numérisation, la fréquence d’échantillonnage et le pouvoir de résolution
constituent les paramètres les plus importants. Il est important de s’assurer de l’absence de toute
fréquence supérieure à la moitié de la valeur de la fréquence d’échantillonnage. Sinon, les diagrammes
d’évolution présenteront des distorsions ou les transformées de Fourier rapides (TFR) feront apparaître
des composantes de repliement qui n’appartiennent pas réellement au signal original (voir 4.3.7 pour
des informations complémentaires sur le repliement). La fréquence d’échantillonnage sera déterminée
par le type d’analyse à réaliser et le contenu fréquentiel attendu du signal. Lorsqu’on souhaite une
4 © ISO 2016 – Tous droits réservés
représentation graphique des vibrations en fonction du temps, il est recommandé que la fréquence
d’échantillonnage corresponde approximativement à 10 fois la fréquence représentative la plus élevée
dans le signal. Cependant, si on souhaite obtenir un spectre de fréquences, un calcul faisant intervenir
la TFR nécessite une fréquence d’échantillonnage qui doit être supérieure à deux fois la fréquence
représentative la plus élevée à mesurer. Les filtres anti-repliement servent à éliminer tout bruit parasite
à haute fréquence ou toute autre composante à haute fréquence supérieure à la moitié de la valeur de
la fréquence d’échantillonnage. Lors de la numérisation, le nombre de bits utilisés pour représenter
chaque échantillon doit être suffisant pour garantir le degré de précision requis.
3.3 Systèmes de conditionnement des signaux
3.3.1 Généralités
Les signaux de vibration délivrés par les capteurs nécessitent généralement un certain conditionnement
des signaux avant leur enregistrement afin d’obtenir les niveaux de tension appropriés à l’enregistrement
ou pour éliminer le bruit ou toute autre composante indésirable. Le système de conditionnement des
signaux inclut les sources d’alimentation des capteurs, les préamplificateurs, les amplificateurs, les
intégrateurs et plusieurs types de filtres. Le filtrage est abordé plus en détail en 3.4.
3.3.2 Intégration et dérivation
Les enregistrements des vibrations peuvent être réalisés en termes de déplacement, de vitesse ou
d’accélération. Généralement, la préférence est accordée à l’un de ces paramètres en fonction de la
gamme de fréquences représentative (les signaux à basse fréquence sont plus apparents lorsque le
paramètre de déplacement est utilisé et les signaux à haute fréquence sont plus apparents lorsque le
paramètre d’accélération est retenu) ou des critères applicables. Un signal de vibration peut être converti
en une grandeur différente par intégration ou dérivation. L’intégration de l’accélération par rapport
au temps donne la vitesse et l’intégration de la vitesse donne le déplacement. La double intégration
de l’accélération produira directement le déplacement. Comparée à l’intégration, la dérivation produit
l’effet inverse.
Mathématiquement, pour le mouvement harmonique, les relations suivantes s’appliquent:
déplacement:
i 1
xv=dta=dttd=−−va= (1)
()
∫∫∫
ω
ω
vitesse:
dx i
v = =dat =iωxa=− (2)
∫
dt ω
accélération:
dv d x
a = = ==−ωωxvi (3)
dt
dt
où ω est la pulsation de la vibration harmonique, avec ω = 2πf.
NOTE Voir aussi 4.3.12.
L’accéléromètre constitue un capteur de vibrations communément utilisé, et l’intégration est de ce fait
bien plus courante que la dérivation. En effet, la dérivation d’un signal est plus difficile que l’intégration,
même si une attention particulière doit être accordée à l’intégration des signaux à basse fréquence.
Avant l’intégration, il convient d’utiliser un filtre passe-haut afin d’éliminer les fréquences inférieures
aux fréquences représentatives.
3.3.3 Valeur quadratique moyenne (efficace) du signal de vibration
La valeur quadratique moyenne (RMS) du signal de vibration est couramment utilisée dans les normes
d’évaluation des vibrations. Les critères d’évaluation s’appliquent souvent aux valeurs quadratiques
moyennes des vibrations dans une certaine gamme de fréquences. Il s’agit de la grandeur de vibration
la plus utilisée sur une période de temps donnée. D’autres mesures d’un signal de vibration peuvent
prêter à confusion en présence de plusieurs composantes fréquentielles ou en cas de modulation, etc.
Cependant, la valeur quadratique moyenne est une grandeur mathématique qui peut être trouvée
quel que soit le signal, la majeure partie des instruments étant conçue pour dériver ladite grandeur
(voir Figure 5). Par ailleurs, la valeur quadratique moyenne peut être obtenue au moyen d’un analyseur
de spectre en intégrant le spectre entre les fréquences représentatives les plus hautes et les plus basses.
Un signal de vibration peut être filtré de la manière requise et visualisé sur un instrument de mesure
des valeurs quadratiques moyennes des vibrations, lorsque les lectures ne varient pas de manière
significative sur une courte période de temps. Toutefois, lorsque la valeur de sortie indiquée varie de
manière sensible, une valeur moyenne sur une certaine période de temps doit être obtenue. Ceci peut
être réalisé en utilisant un instrument disposant d’une constante de temps plus importante.
a) Signal sinusoïdal, lorsque la valeur quadratique moyenne est égale à 0,707 fois la valeur
crête
b) Signal non sinusoïdal
Légende
1 valeur crête
2 valeur quadratique moyenne
Figure 5 — Valeur crête et valeur quadratique moyenne
3.3.4 Gamme dynamique
La gamme dynamique est le rapport entre les grandeurs les plus élevées et les plus faibles des
signaux qu’un analyseur particulier peut transmettre simultanément. Les grandeurs des signaux sont
proportionnelles aux tensions de sortie des capteurs, généralement exprimées en millivolts.
La gamme dynamique dans les systèmes analogiques est généralement limitée par le bruit électrique.
Ce phénomène ne concerne généralement pas le capteur lui-même, mais les filtres, amplificateurs,
enregistreurs, etc., contribuent tous au niveau du bruit, et le résultat peut être étonnamment élevé.
Dans les systèmes numériques, la gamme dynamique dépend de la précision de l’échantillonnage et
la fréquence d’échantillonnage doit être adaptée aux fréquences représentatives. La relation entre le
6 © ISO 2016 – Tous droits réservés
nombre de bits, N, utilisés pour l’échantillonnage du signal analogique et la gamme dynamique, D, en
décibels, s’établit comme suit (en cas d’utilisation d’un seul bit pour le signe):
6 (N − 1) = D (4)
En conséquence, un analyseur dynamique de signaux (ADS), avec un pouvoir de résolution de 16 bits,
disposera d’une gamme dynamique de 90 dB, mais chaque erreur de précision se traduira par une
réduction de la gamme dynamique.
3.3.5 Étalonnage
Les documents cités en référence (par exemple l’ISO 16063-21) consacrent une large place à l’étalonnage
des capteurs individuels, l’étalonnage étant généralement effectué en laboratoire avant leur utilisation
in situ. Il est toutefois recommandé d’effectuer un contrôle d’étalonnage pour chaque installation sur le
terrain. Normalement, le contrôle d’étalonnage sur le terrain n’intègre pas l’étalonnage du capteur, mais
il concerne les éléments restants du système de mesure/enregistrement, tels que les amplificateurs,
filtres, intégrateurs et enregistreurs. Le plus souvent, il implique l’application d’un signal connu dans
le système afin d’examiner le signal de sortie y afférent. Selon le type de mesurage à effectuer, le signal
pourrait être un échelon sur la valeur continue, une sinusoïde ou un bruit aléatoire.
Certains capteurs, tels que les capteurs de déplacement ou les capteurs sans contact, sont pré-
étalonnés. Dans ce cas, il convient toutefois de contrôler leur étalonnage sur le terrain et en relation
avec la surface soumise au mesurage, dans la mesure où les capteurs sans contact sont sensibles aux
matériaux métalliques de fabrication des arbres et de revêtement de finition. L’étalonnage de ces
capteurs est effectué sur place en utilisant des micromètres à touche mobile, et le résultat obtenu pour
chaque capteur est consigné.
Le contrôle sur le terrain de l’étalonnage des capteurs sismiques nécessite l’emploi d’une table vibrante.
Après leur mise en place, les jauges de contrainte sont également étalonnées sur le terrain. L’étalonnage
le plus souhaitable porte sur une charge connue à appliquer au composant soumis au mesurage. Lorsque
cela n’est pas réalisable, un étalonnage à résistance en dérivation peut être effectué en raccordant en
parallèle un fil d’étalonnage à la jauge de contrainte dont la résistance apparente varie alors d’une
valeur connue équivalente à une certaine contrainte déterminée par l’instrument.
3.4 Filtrage
Pour le conditionnement et l’analyse du signal, trois types de filtres de base sont utilisés:
— filtre passe-bas;
— filtre passe-haut;
— filtre passe-bande.
Les filtres passe-bas, comme leur nom l’indique, ne laissent passer que les composantes à basse
fréquence du signal et bloquent les composantes à haute fréquence au-delà de la fréquence limite du
filtre (fréquence de coupure). Les exemples d’application sont les filtres anti-repliement (voir 4.3.7)
ou les filtres qui éliminent les composantes à haute fréquence indésirables pour des applications
particulières (par exemple, composantes d’engrènements à des fins d’équilibrage).
Les filtres passe-haut servent principalement à éliminer le bruit à basse fréquence généré par les
capteurs (bruit d’origine thermique) ou certaines autres composantes indésirables du signal, avant de
procéder à l’analyse de celui-ci. Cette fonction peut se révéler importante dans la mesure où de telles
composantes, même si elles ne présentent aucun intérêt, peuvent réduire très sensiblement la gamme
dynamique utile des équipements de mesure.
Lorsqu’ils sont impliqués dans l’analyse du signal, les filtres passe-bande servent à isoler des bandes de
fréquences distinctes. Les types de filtres passe-bande les plus communs sont les filtres d’octave ou les
filtres de 1/n octave spécialement utilisés pour la corrélation entre les mesurages de vibrations et les
mesurages du bruit.
Le filtrage est d’une importance particulière pour l’analyse des signaux à larges gammes dynamiques.
Lorsque les spectres présentent des fréquences de grandes et faibles amplitudes, par exemple, ils ne
peuvent généralement pas être analysés avec le même degré de précision en raison des limitations en
termes de gamme dynamique de l’analyseur. Dans de tels cas, il peut être nécessaire d’éliminer par filtrage
les composantes de grande amplitude afin d’examiner plus attentivement celles à faible amplitude.
Le filtrage est également important pour la séparation des signaux à valeur informative des signaux
perturbateurs (dans la mesure où le bruit électronique se situe dans la gamme des hautes fréquences
ou que les ondes sismiques sont dans la gamme des très basses fréquences).
Lorsque les filtres sont destinés à isoler une composante fréquentielle particulière afin d’examiner
la forme d’onde, il faut veiller tout particulièrement à s’assurer que le filtre élimine correctement
toute composante présentant d’autres fréquences que les fréquences représentatives. Qu’ils soient
analogiques ou numériques, les filtres simples ne présentent pas des caractéristiques de coupure
franche puisque la pente est médiocre en dehors de la bande passante du filtre.
EXEMPLE Un filtre particulier de 24 dB par octave laisse passer environ 15 % d’une composante avec
2 fois la fréquence et environ 45 % d’une composante avec 1,5 fois la fréquence de coupure. Pour améliorer les
caractéristiques de filtrage, il est possible d’utiliser plusieurs filtres simples en cascade ou de les remplacer par
un filtre d’ordre supérieur.
4 Traitement et analyse des données
4.1 Généralités
Le traitement des données consiste à procéder à l’acquisition des données brutes, à l’élimination par
filtrage du bruit indésirable et/ou des autres signaux non pertinents et au formatage des signaux
mesurés de la manière requise aux fins d’un diagnostic ultérieur. En conséquence, le traitement des
données est une phase importante permettant de réaliser un diagnostic efficace et probant. Il convient
que le dispositif d’acquisition des signaux de vibration délivrés par le capteur présente un pouvoir
de résolution adéquat en amplitude et dans le temps. En cas d’acquisition de données numériques, il
convient que le pouvoir de résolution en amplitude soit suffisamment élevé pour l’application concernée.
Un nombre élevé de bits de résolution permet d’atteindre un haut degré de précision et de sensibilité,
mais cela nécessite généralement la mise en œuvre de matériels plus onéreux et d’une puissance de
traitement plus élevée.
Une fois l’acquisition des signaux achevée, la phase suivante consiste à les traiter et ensuite à visualiser
les signaux de sortie selon divers formats utiles de manière à rendre le diagnostic plus facile pour
l’utilisateur. Des exemples de tels formats sont les diagrammes de Nyquist, les diagrammes polaires,
les diagrammes de Campbell, les diagrammes en cascade et les diagrammes en amplitude descendante.
L’Article 4 a donc pour objet d’exposer ces différentes méthodes de présentation mises à la disposition
de l’utilisateur afin de lui permettre de mieux déterminer l’état des machines.
4.2 Analyse dans le domaine temporel
4.2.1 Signal temporel
Dans le passé, l’analyse des signaux temporels constituait la méthode primaire d’analyse des vibrations.
Une vibration instantanée représentée en fonction du temps sur une bande d’enregistrement ou un
oscillographe était généralement analysée graphiquement, les pics en bande large étant notés. Alors que
ces techniques de traitement en bande large continuent d’être utilisées, il est utile d’analyser le signal
en faisant appel à certaines des techniques de base plus simples. Par exemple, un tourillon rayé peut
être détecté en examinant les données relatives à un signal délivré par les capteurs de déplacement,
et un signal d’onde dont les parties supérieure ou inférieure sont écrêtées peut être révélateur d’un
frottement anormal, d’un desserrage mécanique, etc.
8 © ISO 2016 – Tous droits réservés
Alors que ces signatures dans le domaine temporel peuvent décrire des formes d’onde permettant
de dégager des informations de base sur la nature d’un phénomène survenant dans la machine, les
techniques d’analyse plus approfondie de fréquence décrites en 4.3 peuvent se révéler nécessaires.
L’analyse des signaux est fondée sur le principe selon lequel tout signal périodique peut être représenté
comme une superposition de sinusoïdes dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence
du signal. Les Figures 6 à 9 présentent plusieurs exemples de signaux temporels.
La Figure 6 illustre essentiellement une sinusoïde à période unique avec une amplitude constante.
L’amplitude double (ou crête à crête) de la vibration est obtenue en mesurant l’amplitude double de la
trace et en multipliant cette valeur par la sensibilité du système de mesure et d’enregistrement relevée
lors de l’étalonnage. La fréquence est obtenue en comptant le nombre de périodes dans un intervalle de
temps connu. Sur un oscillographe, le temps est indiqué par des lignes temporelles ou simplement par
la vitesse connue de défilement du papier. Pour la trace présentée, 60 lignes temporelles par seconde
sont prévues; en conséquence, les 12 lignes indiquent que la période fondamentale, T, est égale à 0,2 s, et
qu’ainsi, la fréquence, f = 1/T, est de 5 Hz. La précision est améliorée en utilisant le nombre de périodes
dans une section plus longue de l’enregistrement.
La Figure 7 présente la superposition de deux sinusoïdes avec trois périodes de la fréquence la plus
basse représentée. Les composantes peuvent être dissociées en traçant des enveloppes sinusoïdales
(limites supérieures et inférieure) passant par tous les pics et tous les creux, tel qu’indiqué. L’amplitude
et la fréquence de la composante à basse fréquence sont celles de l’enveloppe résultante. La distance
verticale entre les enveloppes indique la valeur de crête à crête de la composante à haute fréquence et
la haute fréquence peut généralement être comptée. Dans cet exemple, il est possible de constater que
les fréquences diffèrent d’un facteur de trois. Lorsque le rapport de fréquence entre deux sinusoïdes
superposées est élevé, elles peuvent être dissociées comme indiqué; dans tous les autres cas, une
analyse de Fourier est plus utile.
012 34 56 78 9101112
0,2
0 X
Légende
X temps, s
Figure 6 — Caractéristiques des signaux
1 s
a
Légende
a
Période.
Figure 7 — Superposition
4.2.2 Battement
Les signaux sont souvent semblables à la trace présentée à la Figure 8, où les enveloppes ne sont pas en
phase, ce qui provoque des ventres et des rétrécissements. Le signal est formé par deux composantes
proches en fréquence et en amplitude. Ce phénomène, appelé battement, est un cas particulier provoqué
par la superposition. Un exemple de battement est celui produit par les deux fréquences générées par
l’hélice double de propulsion d’un bateau qui se combinent. Les pics des deux signaux s’additionnent
et se déduisent en alternance. Une autre caractéristique du battement est que les longueurs des
battements sont presque identiques et que l’espacement entre les pics au niveau des ventres est différent
de celui observé dans les rétrécissements. Les distances entre les enveloppes, au niveau des ventres
et des rétrécissements, représentent respectivement les sommes et les différences des valeurs crête
à crête des deux composantes. Un autre exemple est la vibration forcée par deux machines accouplées
(compresseurs ou autres) et entraînées par des moteurs électriques asynchrones.
Y
e
b
a
c
f d
12 34
X
Légende
X temps, s
Y amplitude (unité arbitraire)
a
Valeur crête à crête au niveau du rétrécissement: 0,2.
b
Valeur crête à crête au niveau du ventre: 0,7.
c
Rétrécissement.
d
Ventre.
e
Cycle de vibration: 0,33 s, ce qui correspond à 3 Hz.
f
Cycle de battement: 2 s, ce qui correspond à 0,5 Hz.
Figure 8 — Exemple de battement
10 © ISO 2016 – Tous droits réservés
EXEMPLE Si les amplitudes des composantes correspondent à X pour la composante
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
Loading comments...