一种基于正交试验的漏磁检测系统的磁路优化设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于正交试验的漏磁检测系统的磁路优化设计方法，该方法包括设计磁路仿真模型、编写仿真程序、设计影响因子水平表并生成正交试验表、执行仿真程序并得到仿真结果、计算漏磁信号、进行相关数据统计分析、得到最优磁路设计等步骤。本发明结合漏磁检测系统磁路优化设计，基于大量数学分析和仿真，提出了一种新的磁路优化方法，其能够在有限的试验次数获得与遍历试验相似的试验结果，节省了计算时间和大规模的数据处理，提高了磁路优化的准确性和效率。
【专利说明】一种基于正交试验的漏磁检测系统的磁路优化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁路优化设计【技术领域】，尤其涉及一种基于正交试验的漏磁检测系统的磁路优化设计方法。
【背景技术】
[0002]随着石油行业的不断发展，大多数油气管道工作已超过十年，为避免因管道腐蚀造成的石油泄漏，需要使用管道内检测器对在役管道进行定期检测。目前部分尺寸管道内检测器研制技术仍被国外垄断，我国对相关技术仍处于技术攻关阶段，而漏磁检测是目前最常用的管道缺陷检测技术，因此，针对石油管道缺陷检测的漏磁磁路优化设计就成为管道内检测器研制的一项关键技术。
[0003]在整个漏磁检测系统中，会影响到磁路的因素有:管壁厚度、管壁材料、永磁体尺寸、永磁体间距、永磁体材料、铁轭尺寸、铁轭材料、磁垫尺寸、磁垫材料、抗磨垫尺寸、抗磨垫材料、安装形式及紧固件材料等。会影响到漏磁信号强弱的因素有:传感器提离值、缺陷大小、内外缺陷、运行速度、内部压力等。
[0004]根据各种影响因子，结合漏磁检测原理，现有技术中已设计出单组磁路模型，如图1所示。该模型由铁轭、永磁体、磁垫、抗磨垫、钢管、通孔和空气层组成。其中，组成磁路设计的可变参数共10个，分别为:永磁体长度L。、永磁体高度H。、永磁体间距D。、铁轭高度Ητ、磁垫高度Hm、抗磨垫高度HM、传感器提离值dt、磁体矫顽力HCB、抗磨垫相对磁导率和铁轭材料。通过仿真单组影响因子参数，优化网格剖分，选择适合的解算方法，可以得到如图2所示的1/2模型的磁路结果。根据传感器提离值的选择，可以得到提离值高度测线上的漏磁信号，如图3所示，中心点最大幅值是通孔上方的磁场值，下降到最小值为本底磁场值，两者的差值为传感器能检测到的漏磁信号。可见，磁路优化设计的目标是漏磁信号越大越好。
[0005]此前，发明人通过大量仿真已经分别了解这些参数对磁路的定性影响，并通过经验结合仿真确定了一组磁路参数用于试验设计。但是，各因子不同的组合又会形成不同的磁路，由于影响因子数量较多，无法实现遍历仿真试验，使得无法得到多因子组合参数下最优的磁路设计，即磁路的综合性能优化。
[0006]传统的磁路设计方法主要有两种，一种是通过经验设计好各参数初值，再利用遍历试验的方法得到最优值，这种方法的缺点是用户的经验占设计中的比重较大；为了减少遍历试验的次数，通常可变参数不能太多，如有3个参数，每个参数设计3个水平，那么遍历试验需要进行33共27组，如果进行10组影响因子的三个不同水平的遍历试验，需要进行310 = 59049组试验，若每组试验花费6分钟，共需耗时5904.9小时，因此很难得到最佳的优化值。另一种是照搬成熟产品的参数值，不但存在侵权风险，还有可能由于材料属性选取不一致造成无法达到预期效果。以上两种方法都无法定量的描述磁路优化水平，也无法确定参数选取是否为最优值。
[0007]综合以上现有技术可知，漏磁检测系统的磁路优化设计中存在以下三个难点:
[0008]1、如何设计仿真模型使得仿真结果精度较高，能够指导试验；[0009]2、如何在提闻精度的同时减少试验时间,提闻计算速度；
[0010]3、在无法遍历所有仿真参数的情况下，如何选择每种影响因子的最佳取值，从而获得最大漏磁信号，同时在多种影响因子中，哪种因子对磁路设计影响权重大。
【发明内容】
[0011]为解决这些技术难题，本发明的目的在于设计一种基于正交试验的漏磁检测系统的磁路优化设计方法。
[0012]根据本发明的一个方面，提供一种基于正交试验的漏磁检测系统的磁路优化设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤:
[0013]步骤1:设计磁路仿真模型；
[0014]步骤2:编与仿真程序；
[0015]步骤3:设计影响因子水平表，并根据水平数和影响因子数计算生成正交试验表；
[0016]步骤4:根据正交试验表，执行仿真程序并得到仿真结果；
[0017]步骤5:在仿真结果中选取漏磁信号大小作为衡量标准，计算漏磁信号；
[0018]步骤6:进行四种数据的统计分析，其中，在正交试验表中添加仿真结果，根据该仿真结果进行极差分析、平方和计算、F比计算、因子贡献率四种数据的统计分析；以及
[0019]步骤7:得到最优磁路设计。
[0020]优选地，在所述步骤2中，借助VISUAL C++集成开发环境，编写界面设计语言，编写调用磁路仿真软件和修改影响因子参数的功能，生成仿真程序的可执行文件。
[0021]优选地，在所述步骤3中，选取10个影响因子，包括:永磁体长度L。、永磁体高度
H。、永磁体间距D。、铁轭高度Ht、磁垫高度Hm、抗磨垫高度HM、传感器提离值dt、磁体矫顽力HCB、抗磨垫相对磁导率和铁轭材料。
[0022]优选地，在所述步骤3中，正交表Ln(Cf)行数n，列数p，水平数q间关系如下:
[0023]n = qk, k = 2, 3, 4,...，p = (η-1) / (q_l) (2)。
[0024]优选地，在所述步骤4中，根据正交试验表，应用仿真程序的可执行文件输入影响因子相应数值，调用仿真程序以得到仿真结果。
[0025]优选地，在所述步骤5中，在仿真结果中选取漏磁信号大小作为衡量标准，漏磁信号计算公式如下:
[0026]Xleakage — Xmax_Xmin ⑴
[0027]其中，Xmax为轴向分量漏磁场最大幅值，Xmin为漏磁场最小值作为本底噪声估计。
[0028]优选地，在所述步骤6中，极差分析得到每个影响因子的三个水平中的最优值，根据极差分析结果可进行平方和计算，进而得到F比计算和因子贡献率分析，F比计算和因子贡献率均反映不同影响因子对整个磁路设计的影响水平，基于得到的结果进行综合分析。
[0029]优选地，在所述步骤6中，
[0030]在极差分析中，设影响因子A的极差计算公式为:
[0031]R ( - max(’厂)—min(’厂)(3)
[0032]其中^为因子A的第i个水平得到的结果之和Ti的均值，极差越大说明该因子对于结果的影响越大，Hiax(Ti)为三个水平中的最佳值；[0033]在平方和计算中，借助方差分析，根据试验结果计算总平方和:
【权利要求】
1.一种基于正交试验的漏磁检测系统的磁路优化设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤: 步骤1:设计磁路仿真模型； 步骤2:编写仿真程序； 步骤3:设计影响因子水平表，并根据水平数和影响因子数计算生成正交试验表； 步骤4:根据正交试验表，执行仿真程序并得到仿真结果； 步骤5:在仿真结果中选取漏磁信号大小作为衡量标准，计算漏磁信号； 步骤6:进行四种数据的统计分析，其中，在正交试验表中添加仿真结果，根据仿真结果进行极差分析、平方和计算、F比计算、因子贡献率四种数据的统计分析；以及步骤7:得到最优磁路设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，借助VISUALC++集成开发环境，编写界面设计语言，编写调用磁路仿真软件和修改影响因子参数的功能，生成仿真程序的可执行文件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，选取10个影响因子，包括:永磁体长度L。、永磁体高度H。、永磁体间距D。、铁轭高度Ht、磁垫高度Hm、抗磨垫高度Hm、传感器提离值dt、磁体矫顽力HCB、抗磨垫相对磁导率和铁轭材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，正交表1^((^行数n，列数P，水平数q间关系如下:
n = qk, k = 2, 3，4，…，p = (η-1) / (q_l)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤4中，根据正交试验表，应用仿真程序的可执行文件输入影响因子相应数值，调用仿真程序以得到仿真结果。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤5中，在仿真结果中选取漏磁信号大小作为衡量标准，漏磁信号计算公式如下:
Xleakage Xmax -Xmin 其中，Xmax为轴向分量漏磁场最大幅值，Xmin为漏磁场最小值作为本底噪声估计。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤6中，极差分析得到每个影响因子的三个水平中的最优值，根据极差分析结果可进行平方和计算，进而得到F比计算和因子贡献率分析，F比计算和因子贡献率均反映不同影响因子对整个磁路设计的影响水平，基于得到的结果进行综合分析。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤6中， 在极差分析中，设影响因子A的极差计算公式为:
Ra = max( T1) — min( Tj) 其中^为因子A的第i个水平得到的结果之和Ti的均值，极差越大说明该因子对于结果的影响越大，Hiax(Ti)为三个水平中的最佳值； 在平方和计算中，借助方差分析，根据试验结果计算总平方和:
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤7中，综合F比计算中显著性水平值和因子贡献率的百分比，得到对磁路优化最重要的影响因子，挑选极差计算中最高的水平为其参数，其他影响因素根据实际情况尽可能选择极差计算中的最高水平，从而得到最优的影响因子参数组合，根据组合得到最优磁路设计。
【文档编号】G06F17/50GK104008251SQ201410259480
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】高雯, 郑莉, 许振丰, 徐玉峰 申请人:北京华航无线电测量研究所