Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2005. / Vita. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2004. / Supervisor: Jack C. Lee. Vita. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2004. / Supervisor: Sanjay Banerjee. Vita. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2004. / Supervisor: Jack C. Lee. Vita. Includes bibliographical references.

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη στοχαστικών μοντέλων για τη μελέτη της τάσης διάσπασης διακένων με σύνθετη μόνωση. Αρχικά, περιγράψαμε τη συμπεριφορά των υγρών σε ισχυρά ηλεκτρικά πεδία. Μιλήσαμε για την εξάρτηση της πίεσης από ένα ηλεκτρικό πεδίο και την ηλεκτρική αγωγιμότητα σε ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο. Ακόμα, αναφέραμε κάποιες πληροφορίες για την κατανομή της πίεσης σε ένα διηλεκτρικό υγρό. Μετά περιγράψαμε τη συμπεριφορά της αέριας φάσης των υγρών σε ισχυρά ηλεκτρικά πεδία. Μιλήσαμε για το ρόλο των φυσαλίδων στην κατάσταση του διηλεκτρικού υγρού και για τα φαινόμενα που συμβαίνουν σ' αυτές. Αργότερα, δώσαμε κάποιες πληροφορίες για τη διάδοση της εκφόρτισης σε μικρά διάκενα και αναφέραμε την εξάρτησή της από την πίεση. Επιπλέον, αναλύσαμε τη διάδοση της εκφόρτισης σε διάκενα με ανομοιογενές πεδίο. Περιγράψαμε την κατασκευή μιας εκφόρτισης και την επίδραση του στερεού διηλεκτρικού στην τάση διάσπασης. Ακόμη, δώσαμε πληροφορίες για την περιοχή ιονισμού και το κανάλι leader. Στη συνέχεια, αναλύσαμε την εξάρτηση της διηλεκτρικής αντοχής από ορισμένους παράγοντες. Οι παράγοντες στους οποίους αναφερθήκαμε είναι: η διάρκεια, η μορφή και η συχνότητα των παλμών τάσης, η πολικότητα της τάσης, η πίεση, η θερμοκρασία, η χημική φύση και σύνθεση των υγρών και η γεωμετρία του διακένου. Επίσης, αναλύσαμε τους φυσικούς μηχανισμούς έναρξης εκφόρτισης. Περιγράψαμε το μηχανισμό έναρξης εκφόρτισης με τη βοήθεια φυσαλίδων και κάποιους άλλους μηχανισμούς όπως τους μηχανισμούς έναρξης εκφόρτισης με ιονισμούς. Αργότερα, αναφέραμε τους μηχανισμούς διάδοσης εκφόρτισης. Έγινε περιγραφή της διαδικασίας διάδοσης του γρήγορου καναλιού και του αργού καναλιού. Ακόμα, μιλήσαμε για τη μετατροπή του αρχικού καναλιού σε leader. Στη συνέχεια, κάναμε μια εκτενή εισαγωγή στα στοχαστικά μοντέλα και αναφερθήκαμε στη χρησιμότητα τους, στις διάφορες κατηγορίες τους και στην εφαρμογή τους στον τομέα των ηλεκτρικών διασπάσεων. Για το λόγο αυτό, περιγράψαμε τις βασικές αρχές για το μοντέλο FFC και το μοντέλο του Biller. Μετά από όλα αυτά, αναλύσαμε τη διαδικασία που ακολουθήσαμε κατά τις εξομοιώσεις. Κάναμε λεπτομερή περιγραφή του προγράμματος που χρησιμοποιήσαμε για τις εξομοιώσεις. Οι εξομοιώσεις έγιναν για 2 διάκενα 2,5mm ομοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου και 2 διάκενα 1,5mm ομοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου. Κατά τις εξομοιώσεις το πάχος του φράγματος θεωρήθηκε σταθερό, ενώ μεταβάλαμε τη θέση του και το συντελεστή γήρανσης του λαδιού. Για τα διάκενα ομοιογενούς πεδίου, τοποθετήσαμε το φράγμα σε 3 διαφορετικές θέσεις και για τα διάκενα ανομοιογενούς διακένου τοποθετήσαμε το φράγμα σε 5 διαφορετικές θέσεις. Οι εξομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν σε υπολογιστή του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Επιπλέον, παραθέσαμε σε πίνακες τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις εξομοιώσεις. Στη συνέχεια κατασκευάσαμε διαγράμματα, για να καταλήξουμε σε κάποια συμπεράσματα. Για τα διάκενα ομοιογενούς πεδίου, σχεδιάσαμε την τάση V συναρτήσει του gi για τις διάφορες θέσεις του φράγματος. Για τα διάκενα ανομοιογενούς πεδίου, σχεδιάσαμε την τάση V συναρτήσει της σχετικής απόστασης (d1/d) του φράγματος από το πάνω ηλεκτρόδιο για διάφορες τιμές του gi. Έγινε σύγκριση μεταξύ των καμπυλών που προέκυψαν για τα διάκενα ανομοιογενούς πεδίου, με καμπύλη που προέκυψε από πειραματικά δεδομένα και βρίσκεται στο “Barrier Effect on the Dielectric Strength of Oil Gaps under DC Voltage” των A. Zouaghi και Α. Beroual. Στη συνέχεια, σχεδιάσαμε την τάση V συναρτήσει της σχετικής απόστασης (d1/d) του φράγματος από το πάνω ηλεκτρόδιο για διάφορες τιμές του gi, για τα διάκενα ομοιογενούς και ανομοιογενούς πεδίου μαζί. Τέλος, μετά τις συγκρίσεις διαπιστώσαμε ότι τα αποτελέσματά μας συμφωνούν μόνο σε κάποιες περιπτώσεις με τα πειραματικά δεδομένα. Αυτό συμβαίνει λόγω της απλότητας των μοντέλων και ίσως μηχανισμών που δεν έχουν συνυπολογιστεί. Οπότε, συμπεράναμε ότι το μοντέλο που χρησιμοποιήσαμε, απαιτεί βελτίωση. / The purpose of this diploma thesis is the study of stochastic models about the breakdown voltage of complex insulation gaps. Initially, we described the behavior of liquids in strong electric fields. We mentioned the dependence of the pressure on an electric field and electric conductivity in strong electric fields. We reported some information about the pressure distribution in a dielectric liquid. Afterwards, we described the behavior of gaseous phase in liquids in strong electric fields. We reported the influence of the bubbles in the state in the dielectric liquids and the phenomena at them. Later, we gave some information about the discharge propagation in short gaps and we refered its dependence on the pressure. Moreover, we analyzed the discharge propagation in gaps with a non uniform field. We described the structure of a discharge and the influence of the solid dielectric on the breakdown voltage. Also, we gave information about the ionization region and the leader channel. Afterwards, we analyzed the dependence of the dielectric strength on certain factors. The factors in which we were reported are: the duration, the shape and the frequency of voltage pulses, the voltage polarity, the pressure, the temperature, the chemical nature of liquids and the gap geometry. Also, we analyzed the physical discharge initiation mechanisms. We described the bubble discharge initiation mechanism and some other mechanisms like the ionization discharge initiation mechanism.Later, we mentioned the mechanisms of discharge propagation. We described the propagation process of the fast and the slow channel. Also, we were reported in the conversion of the initial channel into leader channel. Afterwards, we did an extensive import in the stochastic models and were reported in their usefulness, in their various categories and in their application in the sector of electric breakdown. For this reason, we described the basic elements of the FFC and the Biller model. After all these we analyzed the process that we followed at the simulations. We did a detailed description of the program used for the simulations. We did simulations for 2 gaps 2,5mm uniform and non uniform field and 2 gaps 1,5mm uniform and non uniform gaps. During the simulations, the barrier thickness was considered stable, while we were changing the position and the factor of ageing of the oil. For the uniform field gaps, we placed the barrier in 3 different positions and for the non uniform gaps, we placed the barrier in 5 different positions. The simulations were realised at computer at High Voltage Laboratory of the department of Electrical and Computer Engineering of the University of Patras, Greece. Moreover, we mentioned in tables the results that resulted from the simulations. Then, we drew diagrams to make some conclusions. For the uniform field gaps, we drew the voltage V as a function of the factor of ageing of the oil gi for the various positions of the barrier. For the non uniform field gaps, we drew the voltage V as a function of the relative distance (d1/d) of the barrier from the upper electrode for the various numbers of gi. We did comparison between the curves that resulted for the non uniform gaps and the curve tht resulted for experimental data and is found in “ Barrier Effect on the Dielectric Strength of Oil Gaps under DC Voltage” of A. Zouaghi and Α. Beroual. Afterwards, we drew the voltage V as a function of the relative distance (d1/d) of the barrier from the upper electrode for the various numbers of gi, for both uniform and non uniform gaps. Finally, after the comparisons we realised that the results agree only in some cases with the experimental data. This may happened because of the simplicity of the models and perhaps mechanisms that have not been included. So, we concluded that the model that we used, need improvement.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη στοχαστικών μοντέλων εκκενώσεων σε υγρά διηλεκτρικά και κατ’επέκταση η εξομοίωση τους σε υπολογιστή για να συγκριθούν ποιοτικά με μετρήσεις σε πραγματικές συνθήκες. Αρχικά περιγράψαμε βασικές έννοιες που χρησιμοποιούμε, όπως εκκένωση, τάση διάσπασης, ηλεκτρική αντοχή, απώλειες κ.α με σκοπό να είναι κατανοητή πλήρως η εργασία. Ύστερα αναλύσαμε τα φυσικά μοντέλα που υπάρχουν και πάνω στα οποία στηρίζονται τα στοχαστικά μοντέλα που μελετήσαμε. Αναλύσαμε το μοντέλο της φυσαλίδας και την συμπεριφορά των φυσαλίδων στις εκκενώσεις στα υγρά διηλεκτρικά. Επίσης μιλήσαμε για το μοντέλο μικροδιάσπασης καθώς και το μοντέλο ιονισμού. Στη συνέχεια περιγράψαμε τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η διάδοση της εκκένωσης μέσα σε ένα υγρό διηλεκτρικό. Αρχικά μιλήσαμε για την έννοια της ηλεκτρονικής στιβάδας και για το πώς αυτή δημιουργείται. εν συνεχεία αναλύσαμε της βασικότατες έννοιες του streamer (αρνητικό και θετικό) καθώς και του leader και περιγράψαμε τους τρόπους δημιουργίας τους, διάδοσης τους και την σχέση που έχουν μεταξύ τους. Τελειώνοντας το θεωρητικό κομμάτι αυτής της διπλωματικής εργασίας αναλύσαμε τα βασικά υπάρχοντα θεωρητικά μοντέλα. Συγκεκριμένα αναλύσαμε το μοντέλο Niemeyer-Pietronero-Wiesmann, εν συνεχεία περιγράψαμε τις βασικές αρχές του μοντέλου FFC (Field Fluctuation Model). Έπειτα αναλύσαμε το μοντέλο Biller και τις εξισώσεις που το διέπουν. Τέλος παρουσιάσαμε και το μοντέλο Δανίκα αναπτύχθηκε το 1996 στο Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης. Στη συνέχεια παρουσιάσαμε το μοντέλο εξομοίωσης με το οποία ασχοληθήκαμε και την βασική ιδέα πάνω στην οποία στηριχθήκαμε. Επίσης περιγράψαμε τις παραμέτρους του προγράμματος και τις παραδοχές που κάναμε. Τέλος αναλύσαμε τις βασικές συναρτήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την εξομοίωση του μοντέλου. Επιπρόσθετα δώσαμε τα αποτελέσματα, με πίνακες και γραφικές παραστάσεις, αρχικά για ομογενές πεδίο και μετά για μή ομογενές πεδίου (ακίδα-πλάκα). Επίσης παρουσιάσαμε τα αποτελέσματα κρατώντας διαφορετικές παραμέτρους σταθερούς όπως το συντελεστή γήρανσης και το μήκος του διακένου, με σκοπό να μελετήσουμε ποιοτικά την συμπεριφορά του μοντέλου μας υπό διαφορετικές συνθήκες. Τέλος κάναμε αναλυτικό σχολιασμό τον αποτελεσμάτων των εξομοιώσεων και σύγκριση των με πειραματικές μετρήσεις. Έγινε ακόμα περαιτέρω σχολιασμός για τις πιθανές αστοχίες που μπορεί να εμφανίσει το μοντέλο μας. / The purpose of the current diploma research is the study on the stochastic models of discharge in liquid dielectrics and furthermore the simulation of these models with computer software in order to compare the simulated results with the laboratory results. Firstly we describe the basic theory that we used, for example the discharge voltage, the breakdown voltage, the electric strength and the power loss. The purpose of this description is the diploma research to be easy read. Afterwards we analyzed the physical models that exist which on them are based the stochastic models that we are going to discuss. We analyzed the bubble model and the behavior of the bubbles when a discharge happens in liquid dielectrics. Also we discussed for the model of microexplosion and the model of ionize. Furthermore we described the way that is done the discharge phenomenon inside the dielectric gap. Firstly we analyzed the meaning of the electronic pile and the way that she is formed. Continuously we described the Streamer (negative and positive) and the leader and we described the ways of their creation according with the relationship both of them have. Also we talked about the basic theoretical stochastic models that already exist. In especial we analyzed the Niemeyer-Pietronero-Wiesmann and also we described the basic principles of the model FFC (Field Fluctuation Model). After that we analyzed the model Biller and the equation on which this model is based. Continuously we introduced the model Danika. Furthermore we introduced the model of simulation that we made and the basic idea on which we are based on. Also we described the parameters of the program and the assumptions that we made. Finally we analyzed the basic functions of the program that we used during the simulation of the program. Additionally we introduced the results that we have, with result tables and graphics, firstly for homogeneous field and then for inhomogeneous field. Also we introduced the results with different parameters as guide, like the growth factor and the gap space, in order to have a qualitative analysis of the behavior of the model into different circumstances. Finally we commented thoroughly the results of the simulation and we compare of the results with the laboratories. Also we made further discussion on the possible failure that the program may have.

Este trabalho propõe a utilização de um sensor capacitivo para a determinação da constante dielétrica, para caracterizar amostras de óleo vegetal antes e após o processo de fritura. Nos ensaios, a fritura foi simulada pelo aquecimento do óleo submetido a ciclos de aquecimento e resfriamento. A partir das medidas da constante dielétrica do óleo foi feita a correlação desta grandeza com o resultado das análises físico-químicas. Para determinar a constante dielétrica das amostras, foram construídos dois sensores: o sensor I permite analisar a capacitância das amostras até a temperatura máxima de 120ºC e o sensor II permite análises de até, no máximo, 250 ºC. A principal diferença entre os sensores I e II está na temperatura de trabalho dos materiais empregados na sua construção. Os resultados obtidos mostram que, no ciclo de aquecimento, a constante dielétrica das amostras aumentou seu valor inicial e, no resfriamento, a curva de diminuição da constante dielétrica foi diferente daquela obtida no aquecimento. Após cada ciclo completo de aquecimento e resfriamento, o valor da constante dielétrica sofreu aumento, indicando uma alteração permanente nas propriedades físico-químicas das amostras. A verificação da alteração permanente foi confirmada pela análise físicoquímicas das amostras (índice de acidez, índice de iodo, índice de refração e viscosidade) e a correlação obtida com a constante dielétrica. Para isso foi coletado 10 ml de cada amostra analisada. Os resultados obtidos sugerem que a medição da constante dielétrica pode ser um método rápido e com menores custos para caracterizar óleos vegetais alimentares submetidos a variações de temperatura entre 20 e 250 °C como, por exemplo, quando utilizados em frituras. A aplicação desta análise simples poderá ser útil na avaliação da destinação/reciclagem do óleo vegetal residual de processos de fritura. / This paper proposes the use of a capacitive sensor for determining the dielectric constant to characterize vegetable oil samples before and after the frying process. In tests, the fry was simulated by heating oil subjected to heating and cooling cycles. From measuring the dielectric constant of the oil was made the correlation of this magnitude with the result of physical and chemical analysis. To determine the dielectric constant of the samples, two probes were constructed: a sensor i can analyze the capacitance of the samples until the maximum temperature of 120° C and the sensor analyzes II allows up to a maximum of 250 ° C. The difference between the sensors I and II is in the working temperature of the materials used in its construction. The results show that in the heating cycle, the dielectric constant of the sample and its initial value increased in the cooling curve of the decrease of the dielectric constant is different from that obtained on heating. After each complete cycle of heating and cooling, the dielectric constant value was increased, indicating a permanent change in the physicochemical properties of the samples. The verification of the permanent change was confirmed by physicochemical analysis of samples (acid value, iodine value, refractive index and viscosity) and the correlation obtained in the dielectric constant. To this was collected 10 ml of each sample analyzed. The results suggest that the dielectric constant measuring method can be rapid and economically to characterize edible vegetable oils subjected to temperature variations between 20 and 250 ° C, for example, when used for frying. The application of this simple analysis can be useful in assessing the allocation / recycling of waste vegetable oil frying processes.

L'objectif de ces travaux de thèse a été de démontrer la possibilité, en se basant sur une approche prédictive, de contrôler avec précision la fonctionnalisation d'un matériau composite, d'isotrope à anisotrope, sous l'application d'un champ électrique. Ces derniers matériaux présentent en effet un fort potentiel pour des applications futures telles que des condensateurs intégrés ou bien encore des composites conducteurs thermiques. Une première approche théorique des différentes forces et mécanismes entrant en jeux lors de l'élaboration de composites anisotropes par chaînage a permis d'identifier les paramètres impactant le procédé d'élaboration. A la suite de cette étude théorique, un modèle de formation de chaînes de particules sous champ électrique a été développé afin de prédire la dynamique de chaînage. Le modèle choisi (méthode moment dipolaire effectif) a permis la simulation de plus de 4500 particules. Les paramètres ayant au préalable été identifiés ont ensuite été mesurés. Pour la permittivité des particules, une méthode de mesure diélectrophorétique a été développée, ce qui est une première dans le cas de particules céramiques. L'élaboration des composites anisotropes a été couplé avec un suivi novateur, en temps réel, d'un marqueur (permittivité) de la formation de chaînes, permettant d'obtenir la dynamique de structuration des particules. Afin de valider l'aspect prédictif du modèle numérique, une comparaison a été effectuée entre la dynamique mesurée et simulée. Les résultats obtenus ont démontré une très bonne fiabilité des prédictions du modèle, même si des progrès sont encore réalisables aux faibles taux de chargement. Dans un dernier temps, une preuve de concept a été démontrée, de la réalisation de composites anisotropes dont les particules sont alignées perpendiculairement au champ électrique. / This study was aimed to demonstrate the possibility, based on a predictive approach, to tailor the structure of a composite from isotropic to anisotropic when applying an electric field. This composites have great potential for future applications such as embed capacitors or thermally conductive composites. A theoretical approach of the forces and mechanisms acting in the elaboration of anisotropic composites by chaining allowed identifying the key parameters. Based on this approach a model of particle chaining under electric field was established to predict the structuration dynamics. This model (effective dipole moment) allowed simulating more than 4500 particles. The parameters previously identified were then measured, and for the particle permittivity, a dielectrophoretic measurement method was developed, which was a first for ceramic particles. The elaboration of anisotropic composites was coupled to a novel on-line monitoring of a chaining marker (permittivity), allowing to obtain the structuration dynamics. To validate the predictive aspect of the model, experimental and numerical dynamics were compared showing the robustness and accuracy of the model, even if improvement is still possible at low filler content. In the last part, a proof of concept was demonstrated of the elaboration of anisotropic composites with fillers oriented normally to the direction of the electric field.

A medida do teor de umidade de materiais resulta em ganhos econômicos e ambientais ao possibilitar o controle preciso da secagem de produtos agrícolas, de processos de cura e armazenagem, e reduzir perdas de material e consumo de energia. Tal medida pode ser feita através da interação de ondas eletromagnéticas nas frequências de micro-ondas. Apresenta-se o desenvolvimento histórico e o estado da arte dessa área da metrologia que é conhecida por aquametria por micro-ondas. Detalha-se o comportamento das ondas eletromagnéticas em dielétricos, o modelo de espalhamento nas interfaces das amostras, a relação entre a permissividade complexa e a umidade, métodos para a determinação da permissividade, instrumentos, sistemas e aspectos metrológicos da cadeia de medição para espectroscopia dielétrica. Dois novos métodos, com equações explícitas originais para a determinação da permissividade são obtidos. As novas equações resultam em incerteza menor que os métodos clássicos. Uma nova metodologia, através do método de Monte Carlo, é empregada para a avaliação das mesmas. Conclui-se que o desenvolvimento da aquametria passa, necessariamente, pelo aperfeiçoamento dos instrumentos e métodos para determinação da permissividade dos materiais. / The measurement of moisture content of materials results in economic and environmental gains. Monitoring drying and curing of materials prevents loss of products and waste of energy. This can be done through the interaction of electromagnetic waves at microwave frequencies. This dissertation presents the historical development and the state-of-the-art in aquametry, the behavior of electromagnetic waves in dielectrics, sample interface scattering model, the relationship between the complex permittivity and moisture, methods for determining permittivity, instruments and metrological aspects of the measurement chain, and some instruments for dielectric spectroscopy. Two new methods, capable of providing explicit equation for the permittivity, are obtained and the Monte Carlo method is applied to determine their uncertainty. The new equations have lower uncertainty than the classic methods. The general conclusion is that the development of instrumentation and techniques in aquametry must be based in improvements in permittivity measurement.

This thesis describes work on the theoretical modelling and experimental measurement of the complex permittivity of dielectrics. The main focus of research has been into the characterisation of permittivity of planar and layered samples within the millimetre wave band. The measurement method is based on the free-space measurement of the transmission and reflection coefficients of samples. A novel analytical method of determining the transmission and reflection coefficients as functions of frequency arising from a generalised structure of planar dielectric layers is also described and validated. The analytical method is based on signal flow techniques. The measurement and analytical techniques have been applied in two main areas: firstly, the acquisition of new data on human skin in the band 57 to 100GHz and secondly, the detection and location of defects in composite materials for which a band of 90 to 100GHz was used. Measurements have been made on the complex permittivity of a single sample of excised human skin fixed in formaldehyde. The experimental results have been corrected to account for the fixing process in formaldehyde and are projected to body temperature. This data is, to the best of the author’s knowledge, the first of its kind to be published. Predicted skin permittivity based on various relaxation models varies widely and only partially fits the measured data. The experimental results have been used to determine the parameters of a Cole-Cole function which gives the best fit to the measured data. The measured skin data has also been used to calculate power deposition in skin exposed to millimetre wave radiation. This work concludes that a skin surface temperature rise of only 0.20C results from a thirty second exposure to signals of 100W/m2. Experimental work with fibreglass composite samples has shown that defects such as delaminations, voids, matrix cracks and improper cure result in resolvable differences in the dielectric properties of the samples at 90 – 100GHz. The measurement technique is particularly sensitive to the detection of cracks and its spatial resolution is 20mm or better. Whilst confirming the general conclusions of previously published work, the specific findings of this study are novel.