Improved accuracy of FEM fluxgate models based on adaptive meshing

• Autorzy: Kopala Dominika , Szewczyk Roman , Ostaszewska-Liżewska Anna

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2024.10.27

Warianty tytułu

PL

Poprawiona dokładność modeli FEM fluxgate opartych na adaptacyjnym siatkowaniu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

FEM modelling tools enable testing the sensors’ properties under different conditions before they are actually produced. The paper proposed a method of adaptive meshing, which is adjusted to the specific case of fluxgate magnetic field sensors. In this algorithm, the mesh is densified in such a way that skin effect, caused by eddy currents present in those sensors, can be accurately modelled with the use of FEM tools. The paper presents an example of implementation for the fluxgate sensor of Vacquier configuration.

PL

Narzędzia do modelowania MES umożliwiają testowanie właściwości czujników w różnych warunkach zanim zostaną one wyprodukowane. W artykule zaproponowano metodę adaptacyjnego tworzenia siatki, która jest dostosowana do konkretnego przypadku transduktorowych czujników pola magnetycznego. W tym algorytmie siatka jest zagęszczana w taki sposób, by można było dokładnie zamodelować w narzędziach MES efekt naskórkowości, powstały pod wpływem prądów wirowych występujących w tych czujnikach. W artykule przedstawiono przykład implementacji dla czujnika transduktorowego w układzie Vacquier’a.

Słowa kluczowe

EN

FEM modelling; adaptive meshes; fluxgate sensor; skin effect

PL

modelowanie MES; siatka adaptacyjna; czujnik transduktorowy; efekt naskórkowości

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 100, nr 10
• Strony: 143--146
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys.

Twórcy

autor

Kopala Dominika

• Politechnika Warszawska, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, ul. św. Andrzeja Boboli 8, 02-525 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0003-4936-0616

autor

Szewczyk Roman

• Politechnika Warszawska, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, ul. św. Andrzeja Boboli 8, 02-525 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-1214-1009

autor

Ostaszewska-Liżewska Anna

• Politechnika Warszawska, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, ul. św. Andrzeja Boboli 8, 02-525 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-5203-8129

Bibliografia

• [1] Liu Q., Roberts A. P., Larrasoaña J. C., Banerjee S. K., Guyodo Y., Tauxe L., Oldfield F., Environmental magnetism: Principles and applications, Reviews of Geophysics, Vol. 50, Issue 4, 2012, RG4002. DOI: 10.1029/2012RG000393
• [2] Thompson R., Bloemendal J., Dearing J. A., Oldfield F., Rummery T. A., Stober J. C., Turner G. M., Environmental Applications of Magnetic Measurements, Science, Vol. 207, No. 4430, 1980, pp. 481-486. DOI: 10.1126/science.207.4430.481
• [3] Dunlop D. J., Özdemir, Ö., Rock Magnetism: Fundamentals and Frontiers, Cambridge University Press, 1997, DOI: 10.1017/CBO9780511612794
• [4] Brock A., Magnetic Dating Methods in Prehistory, The South African Archeological Bulletin, Vol. 32, No. 125, 1977, pp. 5-13. DOI: 10.2307/3887842
• [5] Hu B., Yu R., Zou H., Magnetic non-destructive testing method for thin-plate aluminium alloys, NDT & E International, Vol. 47, 2012, pp. 66-69. DOI: 10.1016/j.ndteint.2011.12.007
• [6] Cardelli E., Faba A., Marsili R., Rossi G., Tomassini R., Magnetic nondestructive testing of robot blade tips, Journal of Applied Physics, Vol. 117, No. 17, 2015, pp. 17A705. DOI: 10.1063/1.4907180
• [7] Jannet, G., Dudok de Wit, T., Krasnoselskikh, V., Kretzschmar, M., Fergeau, P., Bergerard-Timofeeva, M., et al., Measurement of magnetic field fluctuations in the Parker Solar Probe and Solar Orbiter missions, Journal of Geophysical Research: Space Physics, Vol. 126, No. 2, 2021, pp. e2020JA028543. DOI: 10.1029/2020JA028543
• [8] Gazda P., Szewczyk R., Novel Giant Magnetoimpedance Magnetic Field Sensor, Sensors, Vol. 20, No. 3, 2020. DOI: 0.3390/s20030691
• [9] Morten B., De Cicco G., Prudenziati M., Masoero A., Mihai G., Magnetoresistive thick film sensor for linear displacements, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 46, No. 1, 1995, pp. 261-265. DOI: 10.1016/0924-4247(94)00902-T
• [10] Ripka P., Review of fluxgate sensors, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 33, Issue 3, 1992, pp. 129-141. DOI: 10.1016/0924-4247(92)80159-Z
• [11] Kaluza, F., Grüger, A., Grüger, H., New and future applications of fluxgate sensors, Sens. Actuators A Phys., Vol. 106, 2003, pp. 48–51. DOI: 10.1016/S0924-4247(03)00131-6
• [12] Primdahl F., The fluxgate magnetometer, J. Phys. E Sci. Instrum, Vol. 12, 1979, pp. 241-253. DOI: 10.1088/0022- 3735/12/4/001
• [13] Baschirotto, A., Dallago, E., Malcovati, P., Marchesi, M., Venchi, G. Precise vector-2D magnetic field sensor system for electronic compass. SENSORS, 2004 IEEE, Vienna, Austria, 24–27 October 2004, Vol. 2, pp. 1028–1031. DOI: 10.1109/ICSENS.2004.1426349
• [14] Tomek, J., Platil, A., Ripka, P., Kašpar, P., Application of fluxgate gradiometer in magnetopneumography. Sens. Actuators A Phys., Vol. 132, 2006, pp. 214–217. DOI: 10.1016/j.sna.2006.02.033
• [15] Neosha N., Roshanghias A., Lenzhofer M., and Ortner M., Analysis of Single- and Double Core Planar Fluxgate Structures, Proceedings, Vol. 2, No. 13, 2018, pp. 831. DOI: 10.3390/proceedings2130831
• [16] Primdahl, F., Brauer, P., Merayo, J.M.G., Nielsen, O.V., The fluxgate ring-core internal field, Meas. Sci. Technol., Vol. 13, No. 8, 2002, pp. 1248. DOI: 10.1088/0957-0233/13/8/312
• [17] Gaffney, C., Gaffney, V., Cuttler, R., Yorston, R., Initial results using GPS navigation with the Foerster magnetometer system at the World Heritage site of Cyrene, Libya. Archaeol. Prospect., Vol. 15, 2008, pp. 151-156. DOI: 10.1002/arp.330
• [18] Gavazzi B., Le Maire P., de Lepinay J. M., Calou P., Munschy M., Fluxgate three-component magnetometers for costeffective ground UAv and airborne magnetic surveys for industrial and academic geoscience applications and comparison with current industrial standards through case studies, Geomechanics for Energy and the Environment, Vol. 20, 2019, pp. 100117. DOI: 10.1016/j.gete.2019.03.002
• [19] Ripka P., Advances in fluxgate sensors, Sensors and Actuators A, Vol. 106, 2003, pp. 8-14. DOI: 10.1016/S0924- 4247(03)00094-3
• [20] Ripka P., Janosek M., Butta M., Billingsley S. W., Wakefield E., Crossfield effect in magnetic sensors, Sensors, 2009 IEEE, pp. 1860-1963. DOI: 10.1109/ICSENS.2009.5398405
• [21] Mandava S., and Ramachandrula S., Yarramareddy A., Effect of Thermal Treatment of a Ferro Magnetic Core on Induced EMF, Procedia Materials Science, Vol. 6, 2014, pp. 436-443. DOI: 10.1016/j.mspro.2014.07.056
• [22] Birss R.R., Faunce C.A., Isaac E.D., Magnetomechanical effects in iron and iron-carbon alloys, Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 4, No. 7, 1971, pp. 1040-1048. DOI: 10.1088/0022-3727/4/7/322
• [23] Kriezis E.E., Tsiboukis T.D., Panas S.M., Tegopoulos, J.A., Eddy currents: theory and applications, Proceedings of the IEEE, Vol. 80, No. 10, 1992, pp. 1559-1589. DOI: 10.1109/5.168666
• [24] Pisarciuc C., Dan I., Cioară, R., The Influence of Mesh Density on the Results Obtained by Finite Element Analysis of Complex Bodies, Materials, Vol. 16, No. 7, 2023, pp. 2555. DOI: 10.3390/ma16072555
• [25] Lindgren L. E., 7 - Numerical methods and modelling for efficient simulations, Computational Welding Mechanics, Woodhead Publishing, 2007, pp. 80-98. DOI: 10.1533/9781845693558.80
• [26] Netgen/NGSolve: https://ngsolve.org/ (accessed May 30, 2023)
• [27] Ansys Blog: How to Accelerate Ansys Fluent Simulations with Adaptive Meshing: https://www.ansys.com/blog/how-toaccelerate- ansys-fluent-simulations-with-adaptive-meshing (accessed May 30, 2023)
• [28] Cheng SW., Poon SH., Three-Dimensional Delaunay Mesh Generation, Discrete Comput. Geom., Vol. 36, Issue 3, 2006, pp. 419-456. DOI: 10.1007/s00454-006-1252-5
• [29] Aurenhammer F., Voronoi Diagrams – a Survey of a Fundamental Geometric Data Structure, ACM Comput. Surv., Vol. 23, No. 3, 1991, pp. 345-405. DOI: 10.1145/116873.116880
• [30] Temme N. M., Special Functions: An Introduction to the Classical Functions of Mathematical Physics, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1996
• [31] Ostaszewska-Liżewska A., Kopala D., Szewczyk R., Improved Control of Mesh Density in Adaptive Tetrahedral Meshes for Finite Element Modeling, Pomiary Automatyka Robotyka, Vol. 26, No. 2, 2022, pp. 23-28. DOI: 10.14313/PAR_244/23
• [32] GNU Octave: https://octave.org (accessed May 30, 2023)

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).