Theory and Numerical Modelling of Lorentz Force Eddy Current Testing

Zec, Mladen GND

Diese Arbeit beschreibt die theoretische und numerische Untersuchung des neuen zerstrungsfreien Materialprüfverfahrens namens Lorentzkraft-Wirbelstromprfung (LET). LET basiert auf der Messung der Lorentzkraft (LK), die auf ein Magnetsystem wirkt, welches sich in der Nähe eines leitfhigen Probekörpers bewegt. Um die zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien vorzustellen, wird zuerst ein kanonisches Model untersucht, welches "kriechender Magnet" genannt wird. Durch die vereinfachte Konfguration, ist sowohl eine tiefgründige analytische Beschreibung als auch eine efektive numerische Simulation möglich. Um realistische LET-Konfgurationen zu untersuchen, wird eine neue numerische Methodik basierend auf der Finiten Elemente Methode (FEM) entwickelt. Der sogenannte Logischer-Ausdruck-Ansatz (LEA) erlaubt eine schnelle und genaue Modellierung transienter Wirbelstromprobleme mit beweglichen Teilen in einem statischen numerischen Netz. Die Ergebnisse werden mittels der bekannten "Sliding-Mesh"-Methode (SMT) verifiziert und mittels Experiment validiert. Die Studie zeigt die Genauigkeit des LEA für alle Werte der magnetischen Reynoldszahl bei Verringerung der Gesamtsimulationszeit um mehr als das 10-fache. Die vorgeschlagene numerische Methodik wird daraufhin angewendet, um die Anwendbarkeit und das Einsatzpotential von LET zu ermitteln. Die Simulationen werden für zwei charakteristische LET-Konfigurationen durchgeführt, (i) einen defektfreien und (ii) einen Probekörper mit definierten Defekten.Im Falle eines defektfreien Probekörpers wird beobachtet, dass LET für die kontaktlose Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Probekörpers genutzt werden kann. Das "Lorentzkraft-Sigmometrie" genannte Verfahren ist robust gegenüber Änderungen des Lift-Off-Abstandes und der Magnetstärke. Die Studie des Probekörpers mit Defekt resultiert in Richtlinien zur effektiven Kraftmessung. Der Einfluss bestimmter Magnetformen und größen auf die Detektion und Rekonstruktion von Defekten wird ebenfalls untersucht.Die vorliegende Arbeit unterstreicht die Notwendigkeit einer differentiellen LK-Messung. Dafür wird ein neuer und günstiger differentieller LK-Sensor entwickelt, welcher auf etablierter Spannungsmessung beruht. Die spezifische Modifikation der ursprünglichen LET-Konfguration wird "Differentielle Lorentzkraft-Wirbelstromprfung" genannt.

This thesis aims at the theoretical and numerical investigation of the novel non-destructive testing technique called Lorentz force eddy current testing (LET). LET is based on measurements of the Lorentz force acting on a magnet system moving in a close vicinity of an electrically conducting specimen. To provide insights into the fundamental principles of LET a canonical model, referred to as the creeping magnet problem, is firstly considered. Due to its simplified configuration, this problem is amenable to rigorous analytic treatment and effective numerical simulation.To investigate realistic LET configurations, a novel numerical methodology based on the finite element method (FEM) is developed. The so-called logical expression approach (LEA) allows fast and accurate modelling of transient eddy current problems with moving parts on a fixed computational grid. The results are verified and validated using the known sliding mesh technique (SMT) and experiments, respectively. The study shows the accuracy of LEA for any value of the magnetic Reynolds number and also demonstrates the reduction of the total simulation time by more than $10$ times.The proposed numerical methodology is later applied to test the feasibility and estimate the testing capabilities of LET. The simulations are performed for two characteristic LET testing configurations, namely (i) a conductor without defects, and (ii) a conductor with pre-defined material defects. In case of non-defective conductor, it is demonstrated that LET can be applied for contactless measurement of electrical conductivity of test specimens. The technique, termed Lorentz force sigmometry, is resistant to changes in lift-off distance and magnet strength. The study involving defective conductors provides guidelines regarding more effective force measurements. The influence of the magnet shape and size on defects detection and reconstruction is analysed as well. The thesis at hand underlines the need for differential Lorentz force measurements. Therefore, a new and low-cost differential Lorentz force sensor, based on simple and well established voltage measurements, is designed. This specific modification of the initial LET configuration is termed differential Lorentz force eddy current testing.

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Zec, Mladen: Theory and Numerical Modelling of Lorentz Force Eddy Current Testing. 2013.

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