[pt] Existe uma crescente necessidade em transferir energia e comunicar dados entre dispositivos através de paredes metálicas de forma não intrusiva. Os meios de comunicação tradicionais para este fim, em sua maioria, baseiam-se essencialmente no uso de condutores elétricos ou ondas eletromagnéticas. O primeiro necessita de algum mecanismo de penetração e o segundo, apesar de não intrusivo, torna-se limitado devido ao efeito de blindagem de Faraday. Uma alternativa é encontrada no uso de ondas acústicas para transferir os dados e energia através de paredes metálicas. Recentemente, grande esforço tem sido empregado nesse tipo de comunicação, todavia há ainda carência de trabalhos que tratem do canal acústico na presença de multicamadas além de resultados experimentais com paredes metálicas curvas. Possíveis aplicações nestes contextos são encontrados no monitoramento de vasos de pressão com fluido no seu interior ou até mesmo de tubulações metálicas transportando líquidos. A presente dissertação avalia, de forma analítica, numérica e experimental, a transmissão de energia e a comunicação através de um canal acústico composto por camadas metal-líquido-metal com paredes curvilíneas. Para tal, inicialmente, são analisados e comparados dois modelos, existentes na literatura, fundamentados na propagação de ondas ultrassônicas, um analítico e outro numérico, ambos baseados em analogias acustoelétricas. Os dois modelos são estendidos permitindo a inclusão de múltiplas camadas de diferentes materiais. A avaliação da eficiência de energia e a capacidade de transferência de dados é feita com base nos modelos e validada experimentalmente utilizando uma placa reta de alumínio e um par de transdutores piezoelétricos axialmente alinhados e acoplados ao mesmo. Um circuito elétrico é desenvolvido para a transmissão de energia entre as duas faces da placa e para a comunicação de dados digitais por meio de modulação do tipo ASK. O circuito é então simulado utilizando-se um software de simulação de circuitos elétricos, PUC-Rio - Certificação Digital N. 1521906/CA projetado e montado com placas de circuito impresso. Em seguida, é realizado um segundo experimento utilizando uma seção curva metálica com uma camada intermediária de água como canal acústico . Nesse, são estudadas as transferências de energia e dados utilizando o circuito elétrico desenvolvido o qual é conectado a um par de transdutores piezoelétricos acoplados ao canal acústico. Resultados do experimento na placa reta de alumínio revelam boa consonância entre os modelos e o experimento, tanto por uma análise em frequência quanto no domínio do tempo. Tendo sido o modelo analítico o que melhor representa o fenômeno físico em questão devido ao maior rigor no tratamento do mecanismo de perdas. Para o segundo experimento, resultados comprovam a possibilidade de comunicação através de múltiplas camadas metálicas e líquidas em paredes curvas, mostrando que o sistema é capaz de transmitir dados de um sensor de temperatura e pressão a uma taxa de 9600 bps. Tanto o sensor quanto os seus circuitos periféricos são integralmente alimentados pela energia que atravessa o canal acústico, num total de aproximadamente 140 mW. / [en] Nonintrusive power transfer and data communication between devices through metallic walls is an increasing need in several sensing systems. Traditional means of communication mainly use electric conductors or electromagnetic waves. The first needs some mechanism for penetration whereas the latter, although nonintrusive, can be extremely limited due to the Faraday shielding effect. An alternative is found in the use of acoustic waves to transfer data and energy through metallic walls. Although great effort has been recently directed towards this type of communication, there still is a shortage of data dealing with the acoustic channel in the presence of multiple layers as well as of experimental results with curved metallic walls. Possible applications in these contexts may be found when monitoring pressure vessels filled with a fluid or pipes conveying liquids. The present dissertation evaluates, analytically, numerically and experimentally, the transmission of energy and data communication through a multi-layered, liquidmetal acoustic channel, composed of two curved metallic walls with a layer of liquid between them. For this, initially, two models based on propagation of ultrasonic waves are analyzed and compared, one analytical and the other numerical, both relying on electric-acoustic analogies. Both are extended to include more than one layer of material. The energy efficiency assessment and data transfer capability are addressed through the models and also experimentally validated using an acoustic channel comprising a flat aluminum plate and two axially aligned piezoelectric transducers coupled to it. In addition, an electric circuit is developed for the transmission of energy from outside to inside and the communication of digital data from the inside to the outside by ASK modulation and demodulation. The circuit is simulated using electrical circuit simulation software, designed and assembled with printed circuit boards. Thereafter, a second experiment where the acoustic channel is composed by a curved metallic section with an intermediate PUC-Rio - Certificação Digital No 1521906/CA fluid layer is implemented. In this, the power and data transfer are studied using the developed electric circuit, which is connected to a pair of piezoelectric transducers coupled to the acoustic channel. Results for the flat aluminum plate reveal good agreement between both models and the experiment, both by frequency and time domain analysis. The analytical model best reproduced the physical phenomenon of interest due to its stricter treatment of loss mechanisms. The second experiment proved the feasibility of multi-layered liquid-metal communication on curved walls and showed that the system is able to transmit data from temperature and pressure sensors at a rate of 9600 bps. The sensor and all its peripheral circuitry were fully powered by the energy flowing through the acoustic channel in total of approximately 140 mW.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-06-06T13:59:11Z No. of bitstreams: 1 VALDEMIR DA SILVA BRITO - TESE (PPGEE) 2016.pdf: 24283842 bytes, checksum: 359b3901fbb8d95187c4a580e505a74f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-06T13:59:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 VALDEMIR DA SILVA BRITO - TESE (PPGEE) 2016.pdf: 24283842 bytes, checksum: 359b3901fbb8d95187c4a580e505a74f (MD5) Previous issue date: 2016-10-07 / Capes / Este trabalho propõe um modelo elétrico de supressor de surto de ZnO que o representa com exatidão nas três regiões de operação, em uma ampla faixa de frequência e amplitude. O Modelo Elétrico Proposto (MEP) foi validado a partir de um banco de dados, contendo resultados de medições de tensão e corrente. Este banco de dados é constituído por medições em doze varistores de ZnO de cinco fabricantes diferentes, com diferentes dimensões físicas e características elétricas. Nos ensaios, os varistores foram submetidos a diversos níveis de tensão na região de baixas correntes. Também foram aplicados aos varistores vários níveis de amplitude de impulsos de corrente de manobra (30/60 µs), descarga atmosférica (8/20 µs), alta corrente (4/10 µs) e impulsos de corrente com frentes de onda mais rápidas (1,5/26 µs e 3/6 µs), abordando as regiões altamente não linear e altas correntes. Adicionalmente, outros ensaios foram realizados com objetivo de verificar a presença do acoplamento indutivo e a influência do invólucro do supressor de surto na medição da tensão residual. A partir do banco de dados, foram realizadas simulações com o MEP, e com os modelos Convencional e IEEE, já consolidados no meio científico. Os resultados dos modelos foram comparados entre si, e com os resultados de medição. O MEP apresentou melhores resultados em praticamente todos os casos, nas três regiões de operação. O MEP também foi avaliado em estudos reais de energização de linha de transmissão, rejeição de carga e coordenação de isolamento. Os resultados de simulação dos estudos apresentaram níveis de amplitude condizentes com o esperado, e não apresentaram oscilações numéricas ou instabilidade. Os parâmetros do MEP são de fácil determinação, e todas as informações necessárias estão contidas nos datasheets dos fabricantes. / This work proposes an electric model of ZnO surge arresters that represents accurately the ZnO surge arresters in a wide range of frequencies and amplitudes. The Proposed Electric Model (PEM) was validated from a database, containing results of voltage and current measurements. This database are based in twelve ZnO varistors of five different manufacturers, with different physical dimensions and electrical characteristics. In the lab tests, the varistors were submitted to different voltage levels in the low current region. There were also applied to the varistors multilevel amplitude of switching current impulses (30/60 µs), lightning current impulses (8/20 µs), high current impulses (4/10 µs) and current impulses with very fast front time (1.5/26 µs and 3/6 µs), addressing the highly nonlinear and high current regions. In addition, other lab tests were conducted in order to verify the presence of inductive coupling and the infuence of the surge arrester housing in the residual voltage measuring. From the database, simulations were performed with the PEM, with the Conventional and IEEE models which are already consolidated in the scientific community. The results of the models were compared among themselves, and with the measurement results. The PEM presented best results in practically all cases, in all three operating regions. The PEM was also evaluated in real studies of transmission line energization, load shedding and insulation coordination. The simulation results of the studies presented amplitude levels as expected and did not presented numerical oscillations or instability. The PEM parameters are easily determined, besides that all necessary information is contained in the manufacturers datasheet.

This work presents an analysis of a Piezoelectric Transformer (TP), showing the main types of devices, characteristics, operation modes, among others important points. The parameters of Mason Classic Model are determined by frequency response analysis. The nominal load is determined considering the maximum power transfer and the efficiency from the load tests. In order to obtain a more accurate equivalent model, an optimization methodology of equivalent model is proposed. The criterion used to optimize the model is the minimum standard square error between frequency response of TP and model. To prove the results obtained by the optimization meth-odology, it is presented, in impedance graphs, the curves of model obtained by fre-quency response, optimized model and TP. The optimized model is obtained for dif-ferent segments configurations of TP. The analysis of segments has the goal to adapt the TP to specific applications, enabling the parameters adjust, to different condi-tions of load impedance to maximum power transfer, voltage gain and efficiency, among others. The Half-Bridge practical results with nominal load are presented to all segments configurations, using as resonant converter. / Este trabalho apresenta uma análise sobre Transformador Piezelétrico (TP), mostrando os principais tipos de dispositivos, características, modos de operação, en-tre outros pontos importantes. Os parâmetros do modelo clássico de Mason são de-terminados pela análise da resposta em frequência. A carga nominal é determinada levando em conta a máxima transferência de potência e o rendimento a partir de tes-tes de carga. Para obter o modelo equivalente mais preciso é proposto uma metodolo-gia de otimização do modelo equivalente. O critério utilizado para otimizar o modelo é do menor erro quadrático normalizado e ponderado entre a resposta em frequência do modelo e a resposta experimental do TP. Para comprovar os resultados obtidos pela metodologia de otimização, são apresentados gráficos de resposta em frequência do modelo obtido pela resposta em frequência, do modelo otimizado e a resposta ex-perimental do TP. O modelo otimizado é estendido para diferentes configurações de segmentos do TP. A análise dos segmentos tem como objetivo adequar o TP para aplicações específicas, possibilitando o ajustes de parâmetros, para diferentes condi-ções de resistência de carga para máxima transferência de potência, ganho de tensão e rendimento, entre outros. Resultados práticos com carga nominal são apresentados para todas configurações de segmentos, utilizando como conversor ressonante o con-versor Half-Bridge.