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磁轭式磁粉探伤仪提升力及其测量方法
【来源/作者】中国计量报 【更新日期】2014-1-2 9:43:00

一、磁轭磁化能力的校验方法

磁轭式磁粉探伤仪是磁粉检测设备的一种。磁轭式磁粉探伤仪的性能指标是否稳定并能满足使用要求,是保证其检测结果一致和可靠的前提,而磁轭式磁粉探伤仪最关键的性能指标是磁轭的磁化能力。

目前,国际国内常用的磁轭磁化能力校验方法有以下几种:

1.提升力测试法

校验磁轭最常用的方法是测试其提升力。磁轭提升力是磁铁借助其磁性吸力,可提升某一重量为G的钢块的能力,它表示只要对某一物件有足够提升力就会有足够磁化力。一般美国标准规范推荐用提升力测试作为校验方法。而欧洲特别是德国的观点,磁轭并非是一种提升器具,而且单用提升力来评价磁化力是片面的。但由于提升力测试法使用起来简单,提升力大的磁轭要比提升力小的磁轭磁化力强。为此,欧洲设备标准(EN ISO9934-3)对此作了处理,规定对磁轭的磁化力用磁场强度Ht的量值表示,而提升力测试可作为现场校验磁化力的方法。

2.磁场强度测量方法

这种方法是用霍尔探头测量切向磁场强度。这是欧洲磁粉探伤标准规定的磁轭磁化力的评价方法。因场强的垂直分量为零,故测量值比较准确。合格的磁轭要求Ht为2kA/m(有效值)。但使用霍尔探头测量磁场强度时,针对不同的磁化方法和测量部位,磁场感应元件的表面很难与被检工件表面保持垂直。如果存在法向场分量,测量的则是空气中的磁场强度,进而导致结果明显错误。

3.磁通指示法

该法是用几种铁磁性材料组成器件,在其内部通过设置隔段来模拟缺陷。比如美国材料实验协会(ASTM)的饼形指示器,德国贝多尔特十字形试片。但使用磁通指示器更多的是指示出空气中杂散的磁通,而不是被检工件表面中的磁通,当用于磁轭法时,其指示能力可能完全错误。这种方法只是校验被检工件表面磁场方向、有效检测区域以及磁化方法是否正确的一种粗略的工具,不能作为磁场强度及分布的定量指示。

4.表面磁感应测试法

20世纪80年代中期,Warwick大学的C.Edwards博士和S.Palmer教授研制了一种新型磁通计。该磁通计利用两个尖头换能器,检出一个感应电压,此电压相关于交流电趋肤深度、两尖头间距(固定不变),以及材料中的磁通导出时间。所测结果用T*表示,它相关于材料电导率和磁导率,能对实际表面磁通密度给出较保守的评价。该法的主要缺点是:为正常检出数据,通常要为测量头良好的电接触而作表面打磨。只有在实验室条件下,试件表面打磨不成问题时,使用该法才能给出基本合理的结果。

综上所述,磁轭提升力测试法能够间接反映被检工件表面磁场大小,当提升力高时,说明其磁化能力强,被检工件的磁化程度也较高,检测灵敏度相应地提高。另外,提升力测试法因为使用方便、简单快捷,更利于实际应用,因此使用提升力来反映磁轭磁化能力是客观有效的。

二、提升力与检测灵敏度

磁轭法是通过磁通的导入来实施工件磁化的。被检工件中磁通密度的高低将直接影响被检工件的磁化程度。而提升力与磁通又有着密不可分的关系。当提升力达到某种程度,说明被检工件也达到了相应的磁化程度。因此,当提升力很低时,检测灵敏度将得不到保证。

大部分国内外相关常用标准均对磁轭提升力提出了各自的指标。美国机械工程师学会(ASME)锅炉及压力容器规范中规定当使用磁轭最大间距时,每个交流电磁轭至少应有4.5kg(44N)的提升力,直流电磁轭至少应有18.1kg(177N)的提升力。GB/T15822.3-2005规定,当磁极调至推荐间距时,电磁体应能提起质量至少为4.5kg(44N)的钢板或矩形钢条。JB/T4730.4-2005中规定,当使用磁轭最大间距时,交流电磁轭至少应有45N的提升力,直流电磁轭至少应有177N的提升力,交叉磁轭至少应有118N的提升力。

由上述各标准对设备的要求可知,为有效、可靠地进行无损检测,其关键是磁轭必须有一定的提升力,可通过校验其提升力反映它的灵敏度。当校验其提升力达到规定的指标时,它的灵敏度也就达到了相应的指标。可见,对设备提升力的要求,实际上是对设备灵敏度的要求。

但是对于直流和交流磁轭,由于激励电流方式不同,其磁化能力也有区别。直流磁化时磁场的大小与方向是恒定不变的,磁场在被检工件内部的穿透深度较大,可检测深度也相应增加,但被检工件表面或近表面区域的磁场强度较小,降低了磁轭的检测灵敏度,一般厚度大于5mm的工件不宜采用直流磁轭检测。采用交流产生的磁场磁化被检工件时,磁场集中于被检工件表面,其检测灵敏度也相应较高,所以会提高构件表层缺陷的检测能力。

三、提升力的测量

一直以来,对于磁轭提升力大小的要求都是定性表示,国内外相关常用标准都规定了对磁轭的最低提升力要求,但磁轭提升力的实际值是多少,一直都不得而知。当提升力过大时,被检工件表面磁场强度很高,会导致被检工件表面不应检出的细微缺陷也被检测出来,这对于实际无损检测而言是不利的。因此,有必要测量出磁轭提升力的具体数值。

对于工程实际应用,忽略漏磁场、磁导率变化及磁极间气隙变化等因素的影响,对于不同激励电流,磁轭提升力的值是不同的。

1.直流磁轭提升力测量

直流磁轭提升力F可由下式表达:

缺插图!


式中:B——磁感应强度,T;S——磁轭探伤仪磁极总横截面的面积,m2μ0——真空磁导率,4π×10-7H/m。

直流电磁轭产生的磁场不随时间变化,在磁轭磁极吸附钢板,不产生重力加速度的情况下,施加反向向下的作用力FDC将钢板与磁极脱离时,磁性吸力的大小刚好等于钢板重力G和反向作用力FDC之和,即F=G+FDC,则此时磁性吸力的大小即为磁轭磁极的提升力大小。钢板重量G已知,测量出反向作用力FDC,就可以测量出提升力的值。

2.交流磁轭提升力测量

激励电流为交流时,磁轭的磁感应强度是随时间t变化的,即为B(t),磁轭提升力为

缺插图!


激磁电流I为正弦电流,即

I(t)=Imsinωt

式中:Im——激磁电流的峰值,则磁轭磁极产生的磁感应强度B也近似为正弦磁场,即

B(t)=Bmsinωt

可见磁轭的磁感应强度B(t)是随时间变化的,并且它产生的吸力F(t)也随时间变化。此时,它对重物的吸力会时大时小,将使重物在磁极附近作上下运动,但只要其平均效果不使重物掉下,该重物就被视为提起来了。因此,磁轭吸力的平均值F就是其提升力,即

缺插图!


交流电磁轭产生的磁场是随时间变化的量,当磁轭磁极开始吸附钢板时,吸力与反向作用力FAC(t)相等且都是随时间变化的量,通过高速数据采集的方法,采集出几个周期内FAC(t)随时间变化的量,取最大的那一组量的平均值,则磁性吸力的大小为,等同为磁轭磁极的提升力大小,其中G为钢板重力大小。

磁轭提升力大小的测量使得磁轭式磁粉探伤仪的关键性能指标可以定量表示出来,能够准确地检验磁轭式磁粉探伤仪的磁化能力,确保磁粉检测的有效性和安全性,因此有着重要意义。

四、结束语

磁轭磁化能力的测量比较困难,目前国际国内的标准大多采用提升力测试来校验磁轭的磁化能力。本文对磁轭提升力如何反映磁化能力作了一定的探讨,并提出直流和交流磁轭提升力的测量方法,定量表示磁轭式磁粉探伤仪的性能指标。磁轭提升力的测量在设备性能控制、设备校验或定期校验中有着实际的应用价值。
作者单位【新疆维吾尔自治区计量测试研究院】


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