CN115841905B - 一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法及其应用，属于磁粉探伤检测技术领域，交叉磁轭的磁轭夹角为90°时，用两个相位差为90°的交流电激励，有效磁化范围的长轴和短轴相等，就形成了正圆，而交叉磁轭的磁轭夹角不为90°时，通过调节两路交流电的相位差，使长轴和短轴相等，通过相位补偿形成了正圆。可通过对交叉磁轭的相位差进行补偿，使得交叉磁轭任意管径下都可以形成正圆形的旋转磁场，达到最佳的探伤效果。消除因磁轭探头因不同结构、不同造型的可调倒角，使交叉磁轭产生的旋转磁场发生畸变的问题。使交叉磁轭可真正应用于各种管焊缝和角焊缝的探伤中。解决了现有技术中出现的问题。

Description

一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法及其应用，属于磁粉探伤检测技术领域。

背景技术

交叉磁轭是由两个轭状电磁铁以一定的夹角进行空间或平面交叉，并用两个不同相位的交流电激励而产生旋转磁场的磁粉探伤装置。最常用的交叉磁轭其两个轭状电磁铁之间相互垂直，用两个相位差为90°的交流电激励产生正圆形的旋转磁场。

磁粉检测在锅炉、压力容器、管道焊缝的表面检测中应用十分广泛，为了提高探伤效率,检出多个方向的缺陷,经常选用交叉磁轭探伤仪取代效率较低的普通磁轭探伤仪进行检验。但对DN300及以下的小管径管焊缝以及角焊缝，交叉磁轭的磁极与管道或板材表面耦合不良，产生较大的磁阻，磁力无法顺利传导至工件，检测效果较差。为解决这一问题，设计了一种底部磁极关节可进行一定程度活动的交叉磁轭探伤仪。但是由于磁极脚可调，造成了结构上的变化，相当于两个磁轭之间的夹角是可以改变的，只有当磁极脚调至某一位置时，两个磁轭之间才是相互垂直的90°。这不可避免的影响到探伤效果的一致性。

通常采用的交叉磁轭，其两个轭状电磁铁之间相互垂直，其夹角为90°，再用两个相位差为90°的交流电激励，可产生正圆形的旋转磁场。

如果交叉磁轭的磁轭夹角变化不再是90°，再用两个相位差为90°的交流电激励产生的旋转磁场形状就会变成椭圆形。使交叉磁轭产生的旋转磁场发生畸变，会导致检测的结果存在误差，使交叉磁轭不能真正应用于各种管焊缝和角焊缝的探伤。基于上述存在的问题，怎样对非90°交叉磁轭进行相位补偿使得交叉磁轭任意管径和角焊缝下都可以形成正圆形的旋转磁场，达到最佳的探伤效果成为目前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法及其应用，通过对交叉磁轭的相位差进行补偿，使得交叉磁轭任意管径下都可以形成正圆形的旋转磁场，达到最佳的探伤效果，解决了现有技术中出现的问题。

本发明所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法，方法包括以下步骤：

S1：设两交叉式磁轭产生的正弦交流磁场分别为H_A和H_B，H_A与H_B夹角为θ，且两磁场幅值相等，表达式分别为：

H_A＝H_msinωt (1)

其中：为两交流磁场间的相位差，H_m为旋转磁场的磁场强度；

S2：取ωt＝θ/2，带入公式(1)和(2)中，得到合成磁场的轨迹方程：

其中：H_m为旋转磁场的磁场强度，θ为两磁场间夹角，为两磁场间的相位差；

S3：假设两磁场幅值相等，当即/>时，旋转磁场的有效磁化范围轨迹为圆形，其余时刻为椭圆形；

S4：计算相位差调节两路交流电相位差，使旋转磁场长轴和短轴相等，通过相位补偿有效磁化范围形成了正圆。

进一步的，步骤S2中两磁场间夹角θ计算过程包括以下：在待检测试块上进行实测，测量出同侧磁极的中心间距，取待检测试块与工件外径相切时，磁极中心线的夹角为圆心角，根据公式计算出相对侧磁极之间的间距，将曲面展平计算磁场夹角，展开后的平面为等腰三角形，根据计算出的相对侧磁极之间的间距以及等腰三角形的高计算出顶角的度数也即是磁场夹角θ。

进一步的，步骤S3中旋转磁场的有效磁化范围采用试片矩阵进行测试验证，所述的试片矩阵测试的过程具体包括以下：

将整张试片矩阵有刻槽的一面朝向试块，使其与试块良好贴合，在试片矩阵与试块间加少许试片保养用的机油使其紧密吸附，试片矩阵周边粘贴紧密；按连续法，将仪器探头放置在贴好试片矩阵的试块上，开机磁化，同时均匀喷洒黑油磁悬液，显示出磁痕，用于测量有效磁化范围。

进一步的，步骤S4中调节两路交流电相位差时通过检测仪器进行选择或设置为任意管径，或直接选择软件菜单里的标准管径，调节仪器输出经过相位补偿的交流电来激励磁轭的线圈，使其保证在任意管径下形成正圆形的旋转磁场。

进一步的，检测仪器上设置有显示屏和按键，检测仪器实现管径或角焊缝夹角的尺寸设置。

进一步的，试片矩阵包括多片并列排放的试片。

本发明所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法，应用在平板试块探伤检测中。

本发明所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法，应用在圆管试块探伤检测中，所述圆管试块同侧磁极的中心间距一定，另一侧的中心间距会随圆管直径变化。

本发明所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法，应用在角焊缝试块探伤检测中，所述角焊缝试块为具有一定夹角的立体探伤空间。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法及其应用，通过对交叉磁轭的相位差进行补偿，使得交叉磁轭任意管径或角焊缝下都可以形成正圆形的旋转磁场，达到最佳的探伤效果。

交叉磁轭的磁轭夹角为90°时，用两个相位差为90°的交流电激励，长轴和短轴相等，就形成了正圆，可以视为在此正圆区域内各个方向的磁场相等，最利于探伤。而交叉磁轭的磁轭夹角不为为90°时，通过调节两路交流电相位差，使长轴和短轴相等，通过相位补偿形成了正圆。

本发明的方法可通过仪器的显示屏、按键，进行选择或设置为任意管径，或直接选择软件菜单里的标准管径，仪器就可以输出经过相位补偿的交流电来激励磁轭的线圈，使其保证在任意管径下都可以形成正圆形的旋转磁场，达到最佳的探伤效果。

消除因磁轭探头不同结构、造型的可调倒角，使交叉磁轭产生的旋转磁场发生畸变的问题。使交叉磁轭可真正应用于各种管焊缝和角焊缝的探伤中。解决了现有技术中出现的问题。

附图说明

图1为本发明一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法中交叉磁轭形成的旋转磁场的示意图；

图2为本发明一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法中平板试块检测的示意图；

图3为本发明一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法中圆管试块的检测示意图；

图4为本发明一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法中圆管试块相位补偿后的旋转磁场示意图；

图5为本发明一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法中角焊缝试块的检测示意图；

图6为本发明一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法中角焊缝试块补偿后的旋转磁场示意图；

图7为本发明一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法中测试试片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

实施例1：

如图1所示，本发明所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法，包括以下步骤：

S1：设两交叉式磁轭产生的正弦交流磁场分别为H_A和H_B，H_A与H_B夹角为θ，且两磁场幅值相等，表达式分别为：

H_A＝H_msinωt (1)

其中：为两交流磁场间的相位差；

S2：取ωt＝θ/2，带入公式(1)和(2)中，得到得到图1中P点合成磁场的轨迹方程：

其中：H_m为旋转磁场的磁场强度，θ为两磁场间夹角，为两磁场间的相位差；

S3：假设两磁场幅值相等，当即/>时，旋转磁场的有效磁化范围轨迹为圆形，其余时刻为椭圆形；

S4：计算相位差调节两路交流电相位差，使旋转磁场长轴和短轴相等，通过相位补偿有效磁化范围形成了正圆。

步骤S2中两磁场间夹角θ计算过程包括以下：在待检测试块上进行实测，测量出同侧磁极的中心间距，取待检测试块与工件外径相切时，磁极中心线的夹角为圆心角，根据公式计算出相对侧磁极之间的间距，将曲面展平计算磁场夹角，展开后的平面为等腰三角形，根据计算出的相对侧磁极之间的间距以及等腰三角形的高计算出顶角的度数也即是磁场夹角θ。

常用的交叉磁轭其两个轭状电磁铁之间相互垂直，夹角为90°，再用两个相位差为90°的交流电激励产生正圆形的旋转磁场。如果交叉磁轭的磁轭夹角变化不再是90°，再用两个相位差为90°的交流电激励产生的旋转磁场形状就会变成椭圆形，依据本发明的方法通过相位差对旋转磁场的形状进行修正使其变成圆形，可通过仪器的显示屏、按键，进行选择或设置为任意管径，或直接选择软件菜单里的标准管径，仪器就可以输出经过相位补偿的交流电来激励磁轭的线圈，使其保证在任意管径下都可以形成正圆形的旋转磁场，达到最佳的探伤效果。

步骤S3中旋转磁场的有效磁化范围采用试片矩阵进行测试，试片矩阵测试的过程具体包括以下：

将整张试片矩阵有刻槽的一面朝向试块，使其与试块良好贴合，在试片矩阵与试块间加少许机油整张进行吸附，试片矩阵周边粘贴紧密；按连续法，将仪器探头放置在贴好试片矩阵的试块上，开机磁化，同时均匀喷洒黑油磁悬液，显示出磁痕，用于测量有效磁化范围。

A1型磁粉探伤标准灵敏度试片，主要用于零部件的磁粉探伤，在检查中，对几何形状复杂，不同材质的工作，可以正确地选择磁化规范，并可检查探伤设备，磁粉和磁悬液的性能，在磁粉探伤操作过程中，可以避免漏检，正确地知道探伤工作所需的电流峰值和方向，并对显示缺陷的磁场强度有所估量A型灵敏度试片是磁粉探伤工作者常备的调试工具。试片用于磁粉显示，图象直观，使用简便。对各类零件所有方向的磁场，尤其检查形状复杂的零件时，表现其独特的优点。

如图7所示，由于A1试片每片大小只有20×20mm的大小，检测范围有限，在进行有效磁化范围测试中需要多片并列排放，实测并不方便，容易造成误检。所以与试片生产厂家联系，定做了200×200mm的A1试片矩阵，15/100、30/100两种规格作为测试工具。

将整张试片有刻槽的一面朝向试块，使其与平板、圆管试块良好贴合，由于试片厚度仅有100μm，在试片与试块间加少许机油便可以整张吸附，试片周边用胶带纸粘贴紧密。

按连续法，将仪器探头放置在贴好试片的平板试块上，开机磁化，同时均匀喷洒黑油磁悬液，即可显示磁痕。可形成较明显的有效磁化范围。由于靠近磁极区域，大约25mm的范围，磁场较强无法显示缺陷。真正的有效磁化范围比磁极间距要小。磁粉探伤的特点就是简便、显示直观。依此可对理论推算进行验证。

实施例2：

在实施例1的基础上，将实施例1的技术方案应用到平板试块探伤检测中：

如图2所示，其中图2-1为平板试块探伤检测时的主视图。图2-2为平板试块探伤检测时的侧视图，图2-3为磁极的仰视图，使用试片矩阵对有效磁化范围进行测试：得到旋转磁场的轨迹图，如图2-4为形成的旋转磁场的轨迹图；平板试块磁极中心间距均为100mm，交叉夹角为90°，两个交流电的相位差为90°时，有效磁化范围，通过磁痕测量出大约是直径85mm的正圆。

实施例3：

在实施例1的基础上，将实施例1的技术方案应用到圆管试块探伤检测中：

如图3所示，其中图3-1为圆管试块探伤检测时的主视图，图3-2为圆管试块探伤检测时的侧视图；图3-3为圆管试块探伤检测时的磁极的仰视图；图3-4为形成的旋转磁场的轨迹图。

如图3-1和图3-2所示，圆管试块在进行探伤检测时，先拧松磁极脚的固定螺丝，使磁极脚可以自由旋转，调节磁极使滚轮都朝向工件面，然后用力按压磁轭使滚轮与工件表面贴紧。由于磁极上的双排轮与旋转顶点呈等腰三角结构，2组滚轮都与工件贴合时，磁极脚中心线垂直于工件接触面形成稳定结构，拧紧磁极脚的固定螺丝。

如图3-1所示，在DN100-外径108mm的圆管试块上，进行实测。同侧磁极的中心间距仍为100mm，另一侧的中心间距会随圆管直径变化。取滚轮与圆管外径相切时，磁极中心线的夹角为圆心角。计算出弧长L＝83.25(圆心角)×3.1415(圆周率)×54(圆管半径)÷180＝78.4589625mm。

如图3-3所示，由于磁力线主要沿工件传导，空气中散布很少可忽略，故可将曲面展平计算磁场夹角，由于展开后的平面为等腰三角形(交叉式磁轭两侧磁轭是对称的)，根据计算出的弧长L以及等腰三角形的高计算出顶角的度数也即是磁场夹角θ为76.24°。

设两磁轭产生的正弦交流磁场分别为H_A和H_B，H_A与H_B夹角为θ，且两磁场幅值相等，表达式分别为：

H_A＝H_msinωt (1)

为两交流磁场间的相位差。

取ωt＝θ/2，带入公式(1)和(2)中，得到图1中P点合成磁场的轨迹方程：

由公式(3)可得，旋转磁场的轨迹由磁场强度H_m，两磁场间夹角θ以及两磁场间的相位差共同决定。前文已假设两磁场幅值相等，当/>即时，P点旋转磁场轨迹为圆，其余时刻为椭圆。

得出：

当磁轭夹角为90°时，180°-90°＝90°。即，当磁轭夹角为90°时，两个交流电的相位差为90°时，有效磁化范围的形状为正圆形。

使用A1试片矩阵对有效磁化范围进行测试：

(1)两个交流电的相位差为90°时

如图3-4所示，有效磁化范围，通过磁痕测量出大约是，长轴85mm，短轴80mm的椭圆。长轴垂直于磁极靠近的方向。

两个交流电的相位差为104°根据推导公式/>180°-76.24°＝103.75°，取值104°。受采用的单片机硬件定时器的限制，软件调节相位差的分辨率约为0.23度，为便于软件设置，精确到1度进行相位差调节。

如图4所示，经过本实施例的方法进行补偿后有效磁化范围，通过磁痕测量出大约是直径80mm的正圆。实验证实，经过相位补偿，非90°夹角的交叉磁轭，也可以形成正圆形的有效磁化范围。

实施例4：

在实施例1的基础上，将实施例1的技术方案应用到角焊缝试块探伤检测中：

如图5所示，其中图5-1为角焊缝试块探伤检测时的主视图；图5-1为角焊缝试块探伤检测时的侧视图；图5-3为角焊缝试块探伤检测时磁极的仰视图；图5-4为角焊缝试块探伤形成的旋转磁场的轨迹图。

如图5-1和图5-2所示，在90°直角的角焊缝试块上，进行实测。同侧磁极的中心间距仍为100mm，另一侧的间距，由于磁力线主要沿工件传导，空气中散布很少可忽略，故可将曲面展平计算。间距为：92.71+92.71＝185.42mm。如图5-3所示，根据计算出的间距L以及等腰三角形的高计算出顶角的度数也即是磁场夹角θ为56.68°。

使用2片A1试片矩阵对有效磁化范围进行测试：

(1)两个交流电的相位差为90°时

如图5-3和图5-4所示，有效磁化范围，通过2片A1试片矩阵拼合出的磁痕测量出大约是，长轴160mm，短轴80mm的椭圆。

测试中发现由于磁极间距变大，磁场强度降低，显示灵敏度会下降，磁痕的清晰度降低。可通过增加励磁电压、脉宽等方法，提升励磁电流，保证足够的磁化强度，达到较高的显示灵敏度。

(2)两个交流电的相位差为123°时。

根据推导公式180°-56.68°＝123.32°，取值123°。

如图6所示，有效磁化范围，通过磁痕测量出大约是直径80mm的正圆。

实验证实，经过相位补偿，非90°夹角的交叉磁轭，当夹角偏差较大时，也可以形成正圆形的有效磁化范围。另外，随夹角的偏差加大，磁极间距增加，磁轭电流不变的情况下，会损失更多有效磁化范围的面积，可通过增加磁轭的驱动功率来补偿。旋转磁场的强度在一定程度上只影响有效磁化范围的面积大小，而不影响有效磁化范围的形状。

采用以上结合附图描述的本发明的实施例的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法及其应用，通过对交叉磁轭的相位差进行补偿，使得交叉磁轭任意管径下都可以形成正圆形的旋转磁场，达到最佳的探伤效果，解决了现有技术中出现的问题。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：

S1：设两交叉式磁轭产生的正弦交流磁场分别为H_A和H_B，H_A与H_B夹角为θ，且两磁场幅值相等，表达式分别为：

H_A＝H_msinωt (1)

其中：为两交流磁场间的相位差；H_m为旋转磁场的磁场强度；

S2：取ωt＝θ/2，带入公式(1)和(2)中，得到合成磁场的轨迹方程：

其中：H_m为旋转磁场的磁场强度，θ为两磁场间夹角，为两磁场间的相位差；

S3：假设两磁场幅值相等，当即/>时，旋转磁场的有效磁化范围轨迹为圆形，其余时刻为椭圆形；

S4：计算相位差调节两路交流电相位差，使旋转磁场长轴和短轴相等，通过相位补偿有效磁化范围形成了正圆。

2.根据权利要求1所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法，其特征在于：所述的步骤S2中两磁场间夹角θ计算过程包括以下：在待检测试块上进行实测，测量出同侧磁极的中心间距，取待检测试块与工件外径相切时，磁极中心线的夹角为圆心角，根据公式计算出相对侧磁极之间的间距，将曲面展平计算磁场夹角，展开后的平面为等腰三角形，根据计算出的相对侧磁极之间的间距以及等腰三角形的高计算出顶角的度数也即是磁场夹角θ。

3.根据权利要求1所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法，其特征在于：所述的步骤S3中旋转磁场的有效磁化范围采用试片矩阵进行测试，所述的试片矩阵测试的过程具体包括以下：

将整张试片矩阵有刻槽的一面朝向待检测试块，使其与待检测试块良好贴合，在试片矩阵与试块间加少许机油整张进行吸附，试片矩阵周边粘贴紧密；将仪器探头放置在贴好试片矩阵的待检测试块上，开机磁化，同时均匀喷洒黑油磁悬液，显示出磁痕，用于测量有效磁化范围。

4.根据权利要求1所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法，其特征在于：所述的步骤S4中调节两路交流电相位差时通过检测仪器进行选择或设置为任意管径，调节仪器输出经过相位补偿的交流电来激励磁轭的线圈，使其保证在任意管径下形成正圆形的旋转磁场。

5.根据权利要求4所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法，其特征在于：所述的检测仪器上设置有显示屏和按键，检测仪器实现管径或角焊缝夹角的尺寸设置。

6.根据权利要求3所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法，其特征在于：所述的试片矩阵包括多片并列排放的试片。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法的应用，其特征在于：所述的方法应用在平板试块探伤检测中。

8.根据权利要求1-6任一所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法的应用，其特征在于：所述的方法应用在圆管试块探伤检测中，所述圆管试块同侧磁极的中心间距一定，另一侧的中心间距会随圆管直径变化。

9.根据权利要求1-6任一所述的一种非90°交叉磁轭的相位补偿方法的应用，其特征在于：所述的方法应用在角焊缝试块探伤检测中，所述角焊缝试块为具有一定夹角的立体探伤空间。