Embedding approach to modeling electromagnetic fields in a complex two-dimensional environment

An approach is presented to combine the response of a two-dimensionally inhomogeneous dielectric object in a homogeneous environment with that of an empty inhomogeneous environment. This allows an efficient computation of the scattering behavior of the dielectric cylinder with the aid of the CGFFT method and a dedicated extrapolation procedure. Since a circular observation contour is adopted, an angular spectral representation can be employed for the embedding. Implementation details are discussed for the case of a closed 434 MHz microwave scanner, and the accuracy and efficiency of all steps in the numerical procedure are investigated. Guidelines are proposed for choosing computational parameters such as truncation limits and tolerances. We show that the embedding approach does not increase the CPU time with respect to the forward problem solution in a homogeneous environment, if only the fields on the observation contour are computed, and that it leads to a relatively small increase when the fields on the mesh are computed as well

FPGA embedded system for ultrasonic non-destructive testing

This thesis was submitted for the award of Doctor of Philosophy and was awarded by Brunel University LondonLong Range Ultrasonic Testing (LRUT) is an emerging ultrasound Non-destructive Testing (NDT) method. The LRUT is a variant of the conventional NDT approach. By using ultrasound guided waves (UGWs) , it is efficient in quick long range defect scanning, which is impossible with other traditional NDT techniques. Increasing numbers of requirements for quick long range testing have led to urgent need for the improvement of testing methods and the development of new testing equipment to help researchers in laboratory and help technicians in field inspection. The market for multi-channel ultrasonic instruments is characterized by small volumes of sales and a high ratio of development costs to sale price. The consequence is that the investment required to develop an instrument is significant and upgrades and other changes to instrument specification or configuration are difficult for many manufacturers to justify. These factors are particularly relevant for long range guided wave technology, where the technology is still relatively new in the market place and the instrumentation has different characteristics from other type of ultrasonic systems. In order to support the design and manufacture of the Teletest®MK4 system, Plant Integrity Ltd has supported this study into the use of a field-programmable gates array (FPGA) based control circuits for the electronics, which allows the component count to be decreased and also permits the system to be modified via flexible reconfiguration of the FPGA. This has benefits of reduction of size, weight and power consumption of the electronics and provides a means of upgrading the product without expensive re-design of the hardware. FPGA device has been the enabling technology and main thrust behind the evolution of many technologies, unleashing new opportunities for improving the performance of the LRUT equipment and providing more functions for industrial and academic applications. A novel system has been developed to provide multichannel waveform generation, data capture and signal processing for advanced lab-based research and faster- field testing. This system includes an FPGA to process multichannel data in parallel and to provide the flexibility of reconfiguration for various testing applications proposed by new research. The design was tested in pre-prototype hardware. Subsequent construction of the commercial prototype unit enabled successful operation of the design to be demonstrated. Implementation of the FPGA design reduced component count, PCB dimensions and power consumption. Though the SpartanTM 3A DSP FPGA and Xilinx ISE software have been used in this project, the concepts of the design can be applied to other FPGA devices from other FPGA vendors using other design softwares.TWI Ltd; Plant Integrity Lt

Ein Beitrag zur Modellierung von Erdreichsonden

Die verlässliche Vorhersage der Wärmeentzugsleistungen als auch der Soletemperaturen in den Sonden sind wichtig für deren Auslegung und Betriebsoptimierung. Es ist ebenso wichtig für die Auslegung und Optimierung der Anlagen im versorgten Gebäude. In der vorliegenden Dissertation wurde versucht, durch eine mathematische Weiterentwicklung von Greenschen Funktionen (g-Funktionen) eine präzisere Lösung für Temperaturverteilung im Erdreich infolge des von einer oder mehreren Sonden verursachten Wärmeentzuges mit verschiedenen Randbedingungen im geologischen Untergrund zu erreichen. Hierzu wurden sechs „neue“ g-Funktionen entwickelt, die vertikal variable Wärmeentzüge einzelner Sonden und Sondenfelder, eine Asymmetrie des Wärmeentzuges der Sonde, den Einfluss einer zusätzlichen Grundwasserströmung und den realen, geschichteten Untergrund berücksichtigen. Die mathematischen Modelle des Erdreichs wurden mit Modellen für die Soleströmung und Wärmeübergabe in der Hinterfüllung der Sonde gekoppelt und anschließend auf ein praktisches Betriebsbeispiel angewendet. Die Arbeit enthält ebenfalls umfangreiche Sichtung existierender Modelle sowie deren Anwendung und vergleichende Bewertung der teilweise komplexen Modellansätze.:Formelzeichen und Abkürzungen 1 Einführung 2 Energiequellen und Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.1 Quellen der geothermalen Energie 2.2 Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.3 Betriebsverhalten von Erdwärmesonden 2.4 Auslegung der Sonden 3 Vorhandene Modelle 3.1 Soleströmung 3.2 Wärmeübergang in den Rohren der Sonde 3.3 Wärmeleitung in der Hinterfüllung 3.4 Erdreichmodellierung – numerisch 3.5 Erdreichmodellierung mit g-Funktionen 4 Weiterentwicklung der analytischen Modelle 5 Anwendungsbeispiele 185 5.1 Ein praktisches Beispiel 5.2 Auswirkung auf die Jahresarbeitszahl 6 Zusammenfassung Literatur A Ableitung der Bohrlochwiderstände B Ableitung der Funktionen für Randbedingungen C Eidesstattliche ErklärungThe design of the ground heat exchangers (GHE) systems demands the precise prediction of their heat output and the brine temperature. The same information is needed for design and optimization of the HVAC systems coupled to GHEs. In the thesis at hand the Green’s functions (g-Functions) have been used to develop the more accurate solutions for the temperature distribution in soil resulting from the heat extraction from one GHE or a field of GHEs. These solutions consist of six novel g-functions that take account of the vertical variation of the extracted heat flux in one GHE or field of GHEs, of the horizontal ground water flow and of the horizontal variation of the soil properties. The models for prediction of the soil temperature have been coupled with models for brine flow and heat transfer in the GHE’s grout and eventually applied to the simulation of the real world object. Additionally, the thesis contains broad review of the known models and their applications as well as the comparative analysis of the complex modelling assumptions.:Formelzeichen und Abkürzungen 1 Einführung 2 Energiequellen und Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.1 Quellen der geothermalen Energie 2.2 Aufbau der Erdwärmeübertrager 2.3 Betriebsverhalten von Erdwärmesonden 2.4 Auslegung der Sonden 3 Vorhandene Modelle 3.1 Soleströmung 3.2 Wärmeübergang in den Rohren der Sonde 3.3 Wärmeleitung in der Hinterfüllung 3.4 Erdreichmodellierung – numerisch 3.5 Erdreichmodellierung mit g-Funktionen 4 Weiterentwicklung der analytischen Modelle 5 Anwendungsbeispiele 185 5.1 Ein praktisches Beispiel 5.2 Auswirkung auf die Jahresarbeitszahl 6 Zusammenfassung Literatur A Ableitung der Bohrlochwiderstände B Ableitung der Funktionen für Randbedingungen C Eidesstattliche Erklärun