铁磁性管道物理参数反演方法研究 .pdf
《铁磁性管道物理参数反演方法研究 .pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《铁磁性管道物理参数反演方法研究 .pdf(6页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第 3 7卷第 1 期 2 0 1 6年 1月 仪 器 仪 表 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i fi c I n s t r u me n t V0 1 3 7 No 1 J a n 2 0 1 6 铁磁 性管道物理参数反演 方法研究 罗清旺, 师奕兵, 王志刚, 张伟 , 马 东 ( 电子科技大学 自动化工程学院成都6 1 1 7 3 1 ) 摘要: 铁磁性管道的物理属性( 管道内径、 磁导率和电导率) 是管道缺陷定量的重要补偿因子。基于管道内部环境的涡流阻 抗模型, 提取管道物理属性对应的阻抗相位作为物理参数反演的特征信号
2、; 分析了不同管道 内径对检测的相位特征信号的影 响, 并给出双接收线圈模型以实现不同内径管道的物理参数反演。为了达到不同管道内径物理参数的检测, 实现相位特征信号 到管道物理属性的非线性逆映射, 提出基于非线性多项式和最小二乘支持向量回归机 L S S V R的反演模型。最后通过基于远 场涡流的检测仪器测试管道, 证明了在双接收线圈模型基础上, 基于 L S - S V R的管道物理参数反演方法的可行性。 关键词: 铁磁性管道; 物理属性; 参数反演 ; 双接收线圈; 最小二乘支持向量回归机 中图分类号: T H 7 0 1 文献标识码: A 国家标准学科分类代码 : 4 6 0 4 0 R
3、e s e a r c h o n t he i n v e r s i o n o f ph y s i c a l p a r a m e t e r s o f t h e f e r r o ma g ne t i c p i p e L u o Q i n g w a n g , S h i Y i b i n g , Wa n g Z h i g a n g , Z h a n g We i , Ma D o n g ( S c h o o l o fA u t o m a t i o n E n g i n e e r i n g ,U n i v e r s i t y o f
4、E l e c t r o n i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o fC h i n a, C h e n g d u 6 1 1 7 3 1 , C h i na) Ab s t r a c t : I n p i p e S d e f e c t s l o c a t i o n a n d q u a n t i fi c a t i o n ,p i p e S p h y s i c a l p a r a m e t e r s( p e r m e a b i l i t y a n d c o n d u c t i
5、v i t y )al w a y s a r e t h e m o s t i mp o r t a n t c o mp e n s a t i o n f a c t o r s B a s e d o n t h e e d d y c u r r e n t i mp e d a n c e mo d e l o f t h e i n n e r f e r r o ma g n e t i c p i p e,t h e p h a s e o f t r a n s i mp e d a n c e mo d e l i s e x t r a c t e d t o b e
6、 t h e f e a t u r e s i g n al t o i n v e r s e t h e p h y s i c a l p a r a me t e rsT h e e f f e c t o f d i f f e r e n t p i p e S i n n e r d i a me t e r o n p h a s e f e a t u r e s i gn al i s a n a l y z e d,a n d t h e d o u b l e r e c e i v e r mo d e l i s印p l i e d t o fi x i t T
7、o a c h i e v e t h e i n v e r s e ma p p i n g f r o m t h e p h a s e s i gn al t o p h y s i c a l p a r am e t e rs, t h e m e t h o d b a s e d o n l e a s t - s q u a r e s s u p p o v e c t o r r e g r e s s i o n( L S S V R)i s p r o v i d e d , a n d i t s f e a s i b i l i t y a n d c o r
8、 r e c - t i o n i s v ali d a t e d w i t h t h e p r a c t i c al d o u b l e r e c e i v e t e s t i n g d e v i c e Ke y wo r d s : f e r r o ma gne t i c p i p e ;p h y s i c a l p a r am e t e r s ; i n v e r s e ; d o u b l e r e c e i v e r ; l e a s t s q u a r e s s u p p o r t v e c t o r
9、 r e g r e s s i o n( L S S V R) 1 引 言 铁磁性管道检测的最终 目的是实现管道缺 陷的定量 检测与监控 。现阶段 , 应用 于管道 监测 的无损检 测技术 ( n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g , N D T ) 发展 已经很成熟 , 由于 管道上缺陷的结构 、 形状 、 位 置各异 , 其直接定 量检测具 有很大困难 。由于铁磁性管道 的物理属性 的变化可反应 管道细微结构及相关参数的改变 , 因此 , 对于管道物理 属性的检测具有重要作用。 对缺陷的定量检测是一系列管道无损检测技术 N D T 的首要任务
10、, 其对管道性能监测具有重要作用。近几年, 基 于电涡流的涡流检测技术, 由于其特有的优点( 对管道内、 外 壁缺陷具有相同的检测灵敏度、 实验装置简单等) 3 -q, 日益 普及于管道的无损检测领域。而在涡流技术对管道缺陷的 定量评价中, 需要管道的电磁属性( 磁导率、 电导率) 作为缺 陷定量的补偿因子, 以及管道内径作为缺陷定位因子 。 因此管道的物理属性( 管道内径、 磁导率和电导率) 对于涡流 检测技术中的缺陷检测具有重要作用。 管道上各处的物理属性受到其所处环境的影 响 ( 如 压力 、 温度 、 电化学腐蚀等 ) , 通常发生管道 内直径以及磁 导率的变化, 电导率一般不产生改变
11、 。所以, 管道物理 属性的检测可得到其受到环境影响的信息, 如管道内径 发生改变, 则管道内壁产生缺陷或内凹; 管道磁导率发生 变化 , 则管道受 到环境影响严重。 国内外 学 者 一 直 致 力 于管 道 物 理 属性 检 测 的研 收稿 日期 : 2 0 1 5 - 0 9 R e c e i v e d D a t e : 2 0 1 5 - 0 9 基金项 目: 国家“ 十二五” 科技重大专项 ( 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 0 0 0 6 0 0 5 ) 、 国家 自然基金 ( 6 1 2 0 1 1 3 1 ) 项 目资助 学兔兔 w w w .x u e t u t
12、 u .c o m1 0 仪器仪表学报 第 3 7卷 究 引, 并取得 了很 好 的检测 结果 。其 中, 文献 1 0 提 出了基于阻抗模型 、 单频 激励源 的管道物理参 数检测方 法, 虽具有高精度的优点, 但其造成反演结果误差源较 多, 校正复杂。文献 1 1 1 3 适用于裸露管道物理参数的 检测 , 但检测装置置于管道外 , 对于深埋地底 的管道无法 实现检测 目的。 基于先前 的管道涡流阻抗模 型研究 , 本文提 出置 于管道 内部 的物理参数检测模型 , 均适于地表 、 地底管道 检测 , 并 采 用 最小 二乘 支 持 向量 回归 机 ( 1 e a s t s q u a
13、r e s s u p p o v e c t o r r e g r e s s i o n , L S S V R ) 作为管道物理参数反演 手段 。基于结 构风险最小化 的 L S - S V R, 应用广 泛 ” , 其对于参数反演具有很好的逼近精度及泛化能力, 可取 得 良好 的管道物理参数反演结果。 本文通过建立一种管道 内涡 流线 圈的检测模型 , 利 用 L S - S V R进行数值反演, 并以电学实验加以验证。 2 特征信号提取 2 1 管道涡流检测模型 管道涡流检测主要分析接收线圈与发射线圈之间的 传播阻抗信号, 通过缺陷对涡流信号的扰动辨析, 达到缺 陷监测的目的。由文
14、献 1 4 可知, 铁磁性管道上双线圈 之间近场涡流传输感抗 M 可由纯空气环境内的传输感 抗 。 与管道影响感抗量之和 以构成 , 即 : 。=M。 + 以 。 另外 , 为了方便管道物理参数 的检测 , 需将铁磁性 管道上 的感抗量与物理检测仪器可测试量( 如检测信号的相位、 幅值) 联系起来 , 现将感抗量转化为可直接由仪器检 测的相位量。结合文献 1 4 所示方法 , 计算不同管道内 径参数对应的相位量 , 结果如图 1 所示 。 图 1 铁磁性管道内径对相位值的影响 F i g 1 E ff e c t o f t h e p i p e i n n e r d i a me t e
15、 r o n t h e d e t e c t e d p h a s e 如图 1 所示 , 在其他条 件恒定 ( 如检 测装置 参数不 变) , 只有管道内直径变化时, 测量仪器检测的相位值随 着管道内直径的增加而减小。特别是当检测大管道时, 相位测量值最大只有 1 2 。 左右 ( 在 内直径 =1 4 0 0 m m 时, 相位测量值为 5 。 左右) , 而在仪器检测过程中, 测量 值的 1 。 偏差是容许 的检测误差 , 但该偏差对大 管道 相 位值 的测量影响达到了 1 0 以上 , 极大地影响了大管道 物理参数测量 的精度 。所 以, 在测量大管道 时需 增加相 位值测量精度
16、、 增大可测相位量的值, 而仪器是需要可以 同时测量小管道和大管道 , 因此 , 仪器线圈的尺寸不应更 改 ; 通过理论和实践证明 , 接收线圈与激励线 圈之 间的距 离影响着测量相位值 的大小 , 如 图2所示。 复 频a Wk i -I z 图2 接收线圈位置对大管道相位值的影响 F i g 2 E f f e c t o f t h e r e c e i v e r s p o s i t i o n o n t h e d e t e c t e d p h a s e o f t h e b i g i n n e r d i a me t e r 如图 2所示 , 当接收线圈与激
17、励线 圈的距离增加时 , 相位测量值有明显 的增加 , 且 接收距离的变化不改变相 位值随频率的变化规律。所以, 在测量大管道时 , 需适 当 增加接收线圈与激励线圈 的距离 。因为 , 仪器虽可测量 小管道 , 但是当接收线圈与激励线圈距离增加时 , 会对小 管道相位量的检测产生影响( 如测量相位值发生偏转) , 增加了测量及数据处理难度 , 如 图 3 所示。 图 3 接收线圈位置对小管道相位值的影响 F i g 3 E f f e c t of t h e r e c e i v e r s p o s i t i o n O n t h e d e t e c t e d p h a
18、s e of t h e s mM1 i n n e r d i a me t e r 图 2 、 3指出 , 对于测量大管道合宜的接 收线圈距离 , 在小管道检测时可能不合适 ( 产生如 图 3所示 的相 位偏 转现象 , 在数据处理时需相位解 缠 , 增加了数据处理量 ) 。 因此需设计不同的接收线 圈分别对应小管道和大管道的 检测 。本文对于小管道和大管道 的检测仪器模 型如 图 4 所示 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 1 期 罗清旺 等: 铁磁性管道物理参数反演方法研究 图4 管道检测装置原理图 F i g 4 B a s i c s c h e m
19、a t i c d i a g r a m o f t h e t e s t i n g d e v i c e 图 4 所示铁磁性管道检测装置可视为一种双线 圈组 耦合变压器 。激励 接收线圈分别为初次级线圈 , 接收线 圈分为接收线圈 l ( 小管道检测线 圈 ) , 与激励线 圈之间 的互感为 , , 距离为 s ; 以及接收线圈 2 ( 大管道检测线 圈) , 与激励线圈之间的互感为 , 距离为 |s : , r 为线圈直 径 , 所有 线圈均具有 相同尺寸 。 线 圈均同轴放 置于管 道 内。 管道视为铁芯 , 其 电导率和相对磁导率分别为 、 be 。 ,为激励信号频率 ( 取
20、1 k H z , 1 0 0 k H z ) , 线圈互感 可表示为 “ : r * f ( x r ) 上 F ( ) ( 1+ 萧P ( c , , ) C O S ( x S ) d x ( 1 ) :a n g l e ( M) ( 2 ) 式 中: F表示检测环境影响量 , P表示管道影响量 。 S 可为 s 。 、 s : , 分别对应接收线圈1 和接收线圈2 。 K 分别为一 阶第 1 类及一阶第 2类修 正贝塞 尔函数 , 。 为空气磁导 率 , 表示所求阻抗量 的相角 , 该量直接联 系到管道 物理 检测仪器。 式( 1 )的详细计算过程, 参见文献 1 4 。 2 2 管
21、道检测特征频率点分析 设计如 图4所示管道检测模型的 目的是为了检 测管 道 的物理参数 , 包括管道内直径 、 管道磁导率和管道 电导 率 , 并提高大管道的检测精度 。结合 图 4所示检测模型 , 改变大管道内直径及管道磁导率( 管道电导率一般不发 生变化) , 通过式( 1 ) 计算 , 结果如图 5所示 。 e 鎏 频 k H z 图 5 检测频率点分析图 F i g 5 An a l y s i s o f t h e t e s t i n g f r e q u e nc y 比较 图 5与图 1 可知 , 在大管道时, 测量相位值有 了 较大的增加 ( 如 2 c=1 1 0
22、0 m m 时, 相位 量最大值从 1 2 。 左右提升到 3 3 。 左右 ; 2 c =1 4 0 0 m m时, 从 6 。 左右提升到 2 3 。 左右) , 减小了仪器测量带来的误差。另外, 从图5可 知, 不同频率点对应的相位值对管道参数及磁导率参数 具有不同的分辨力( 即频率点对应 的管道物理参数值的差 异) 。如, 当be = 6 0时, 管道 1 1 0 0 ra i n和管道 1 4 0 0 m m 在不 同频 率 点 的 相 位 差 值 各 异 ( : 加 =1 1 1 。 , A0 。 =8 8 。 ) , 如 图 5中虚线双 箭 头所示 ; 当 2 c = 1 1 0
23、 0 m m时, = 6 0与 =1 2 0在不同频率点 的相位差 值亦不 同( 2 o k = 4 2 。 , 0 k = 5 0 。 ) , 如 图 5 中实线双箭头所示。为 了达到准确检测铁磁性管道的物 理参数的 目的, 需选取相位值差异相对较大 的频率 点作 为激励信号的频率。为 了合理调整相位值 与相位差值之 间的比例 , 在fe( 0 , 2 0 k H z 内选取频率 点, 通过 比较后 选 取的频率点为 l k H z 、 4 k H z 、 1 8 k H z ; 将各频点对应 的 相位检测值作为管道物理参数反演的特征向量。 3 LS S V R反演模 型 最小二乘支持向量机
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 铁磁性 管道 物理 参数 反演 方法 研究
限制150内