ISO 13373-2:2005
(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 13373-2:2005 recommends procedures for processing and presenting vibration data and analysing 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 13373-2:2005 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.
Surveillance et diagnostic d'état des machines — Surveillance des vibrations — Partie 2: Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
L'ISO 13373-2:2005 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. L'ISO 13373-2:2005 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.
General Information
Relations
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13373-2
First edition
2005-07-15
Condition monitoring and diagnostics
of machines — Vibration condition
monitoring —
Part 2:
Processing, analysis and presentation
of vibration data
Surveillance des conditions et diagnostic des machines — Surveillance
relative aux conditions des vibrations —
Partie 2: Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
Reference number
ISO 13373-2:2005(E)
©
ISO 2005
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ISO 13373-2:2005(E)
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Published in Switzerland
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ISO 13373-2:2005(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Signal conditioning. 1
3.1 General. 1
3.2 Analog and digital systems . 3
3.3 Signal conditioners. 4
3.4 Filtering. 6
4 Data processing and analysis . 7
4.1 General. 7
4.2 Time domain analysis. 7
4.3 Frequency domain analysis. 16
4.4 Display of results during operational changes . 24
4.5 Real-time analysis and real-time bandwidth. 28
4.6 Order tracking (analog and digital). 29
4.7 Octave and fractional-octave analysis . 29
4.8 Cepstrum analysis. 29
5 Other techniques . 31
Bibliography . 32
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ISO 13373-2:2005(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.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
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.
ISO 13373-2 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration and shock,
Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock as applied to machines,
vehicles and structures.
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
Further parts are under preparation:
Part 3: Basic techniques for diagnostics
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ISO 13373-2:2005(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 analysing 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 analysing 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 may fail at a certain time, and that maintenance should be planned prior to the failure, but it will
provide valuable information regarding what maintenance should 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, presentation and analysis 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 may 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 resonant 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 sensors
are needed, where they should 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 diagnostics will be described in
an additional part of ISO 13373, which is under preparation at present.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 13373-2:2005(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 analysing
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 and VDI 3841 provide additional information about machinery-specific problems that can be
detected when conducting vibration diagnostics.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. 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 quantities for acoustic 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 analyser, investigated for later analysis or displayed, for example,
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ISO 13373-2:2005(E)
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 analyser screen (black trace). Through the Fourier process, the analyser converts this
composite signal into the four distinct frequency components shown.
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 analyser screen.
In this case, there are only three overlapping signals, as shown in Figure 3, and their distinct frequencies are
included in Figure 4.
Key
X time
Y amplitude
Figure 2 — Basic spectra composite signal
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ISO 13373-2:2005(E)
Key
X time
Y amplitude
Figure 3 — Overlapping signals
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
analysers 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. 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).
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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 2 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 may 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:
2
displacement: xv==ddt ()atdt = −1/ω a (1)
∫∫∫
dx
velocity: va== dt (2)
∫
dt
2
ddvx
acceleration: a== (3)
2
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
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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 may be found by using a spectrum analyser, 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 may 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 — R.m.s. value
3.3.4 Dynamic range
The dynamic range is the ratio between the largest and smallest magnitude signals that a particular analyser
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
may 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 dB (4)
Therefore, a dynamic signal analyser (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,
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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 may 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 precalibrated. 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.
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, and
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 analysed with the same
level of accuracy because of limitations in the dynamic range of the analyser. In such cases, it may 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.
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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 analysed 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 may be required.
The analysis of waveforms is based on the principle that any periodic record may be represented as a
superposition of sinusoids having frequencies that are integral multiples of the frequency of the waveform.
Figures 6 to 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
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 13373-2
Première édition
2005-07-15
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 13373-2:2005(F)
©
ISO 2005
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ISO 13373-2:2005(F)
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Publié en Suisse
ii © ISO 2005 – Tous droits réservés
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ISO 13373-2:2005(F)
Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Conditionnement des signaux . 2
3.1 Généralités . 2
3.2 Systèmes analogiques et numériques . 4
3.3 Systèmes de conditionnement des signaux. 4
3.4 Filtrage . 7
4 Traitement et analyse des données. 8
4.1 Généralités . 8
4.2 Analyse dans le domaine temporel. 8
4.3 Analyse dans le domaine fréquentiel . 18
4.4 Affichage des résultats au cours des changements opérationnels. 27
4.5 Analyse en temps réel et bande passante en temps réel. 31
4.6 Suivi d'ordres (analogiques et numériques). 32
4.7 Analyse par bande d'octave et par fraction d'octave. 32
4.8 Analyse par la méthode du cepstre . 33
5 Autres techniques. 34
Bibliographie . 35
© ISO 2005 – Tous droits réservés iii
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ISO 13373-2:2005(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 (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
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.
L'ISO 13373-2 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques,
sous-comité SC 2, Mesure et évaluation des vibrations et chocs mécaniques intéressant les machines, les
véhicules et les structures.
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
La partie suivante est en cours d'élaboration:
— Partie 3: Techniques de base pour le diagnostic
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ISO 13373-2:2005(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 convient
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 convient 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 la
présentation et à l'analyse 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 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 une autre partie de
l'ISO 13373, qui est actuellement en cours d'élaboration.
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NORME INTERNATIONALE ISO 13373-2:2005(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, l'ISO 7919 et l'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 les normes VDI 3839 et VDI 3841 apportent des informations
supplémentaires sur les problèmes spécifiques aux machines qui peuvent être identifiés par un diagnostic des
vibrations.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour 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 — Grandeurs normales de référence pour les niveaux acoustiques
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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 noire). Grâce à la méthode de traitement
par transformées de Fourier, l'analyseur convertit ce signal composite pour délivrer les quatre composantes
fréquentielles distinctes visualisées.
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.
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Légende
X temps
Y amplitude
Figure 2 — Signal composite de spectres de base
Légende
X temps
Y amplitude
Figure 3 — Recouvrement des signaux
Légende
X fréquence
Y amplitude
Figure 4 — Fréquences distinctes
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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
(CAN) 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 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 2 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.
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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:
2
déplacement xv= d(t==adt)dt−1ω×a (1)
∫∫∫
dx
vitesse va== dt (2)
∫
dt
2
ddvx
accélération a== (3)
2
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.
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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 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 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):
61ND-=dB (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
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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 ils 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, i
...
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