Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:13:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 327694.pdf: 10360964 bytes, checksum: f7f6dde50899c63899b90de5bf85e055 (MD5) Previous issue date: 2014 / Nesta pesquisa realizou-se um estudo para a ampliação do uso da técnica de ultrassom, através da definição e aplicação de parâmetros obtidos pelo formato da onda que se propaga pelo material. Pesquisadores internacionais afirmam que parâmetros do formato da onda propagada são potencialmente mais sensíveis do que a análise convencional do ultrassom (via velocidade de pulso) para diversos tipos de danos avaliados. Através dos experimentos destes autores, foi possível definir parâmetros de análise obtidos pelo formato da onda de ultrassom: velocidade de grupo, amplitude máxima, energia (inicial, total e acumulada), magnitude e pico de frequência máxima, e frequência central. O programa experimental foi determinado para avaliar a eficiência destes parâmetros na investigação do estado de fissuração em estruturas de concreto e argamassa. Para isso, fez-se uma análise comparativa entre os resultados dos diversos parâmetros em placas de concreto e de argamassa, fissuradas e não fissuradas por retração plástica, e uma análise da evolução da fissuração ao longo de ensaio de flexão em vigas de concreto armado. Com base nos resultados obtidos, percebeu-se que nem todos os parâmetros mostraram-se adequados para as análises propostas. No entanto, alguns deles revelaram-se promissores na avalição de fissuras, independentemente de suas características. Dentre os parâmetros que manifestaram sensibilidade, em geral, os resultados obtidos foram mais eficientes do que os de velocidade de pulso, confirmando a hipótese de que o formato da onda ultrassônica pode trazer respostas importantes quanto ao comportamento fissurado dos materiais.<br> / Abstract : This research, presents the possibility to enhance expanding ultrasound applications in concrete structures by applying using some waveform parameters other than the conventional ultrasound analysis (pulse velocity). According to international researchers, these waveform parameters are potentially more sensitive when damaged concrete is to be evaluated. Some of waveform parameters used by these researchers were: group velocity, maximum amplitude, (initial, total and cumulative) energy, magnitude and maximum frequency, and central frequency. The experimental program presented in this research was defined to evaluate the efficiency of these waveform parameters to evaluate the extent of cracking in concrete and mortar specimens. A comparative analysis was performed between several waveform parameters both in concrete and mortar slabs, subjected to plastic shrinkage cracking; and also in the development of flexural cracks in reinforced concrete beams. Based on the obtained results, it was noticed that not all the parameters were appropriate for the proposed analysis. However, some of them have revealed to be capable in the evaluation of cracking, regardless their characteristics. Among the parameters that presented overall sensibility, the results were more efficient than the pulse velocity, confirming the hypothesis that the ultrasonic waveform can bring important responses to the cracked behavior of the materials.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil / Made available in DSpace on 2013-06-25T23:31:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 309694.pdf: 12093085 bytes, checksum: 08833e0f49c7571d50643124cf5639f7 (MD5) / Esse trabalho propõe um procedimento alternativo para a estimativa da resistência à compressão do concreto através do método da velocidade de pulsos ultrassônicos (VPU). Este procedimento considera que a velocidade do concreto é dependente da proporção volumétrica e da VPU nos seus constituintes. Considera também, que a VPU nos agregados permanece inalterada durante o processo de hidratação e, em decorrência disso, entende que o único constituinte a sofrer alteração nas propriedades elásticas e, consequentemente, na velocidade de propagação dos pulsos ultrassônicos é a pasta de cimento. Portanto, propõe uma relação baseada na correlação entre a VPU através da pasta do concreto e a resistência à compressão do concreto, tendo como pré-requisito básico o conhecimento prévio da proporção volumétrica dos constituintes e a VPU através dos agregados miúdos e graúdos. Para analisar o procedimento proposto foram produzidas misturas de concreto com três relações água/cimento, 0,48, 0,55 e 0,65, e com três teores de pasta, 28%, 32% e 36%. Empregaram-se cimento CP V-ARI-RS, agregados graúdos granitos e diabásicos, agregados miúdos de britagem, e aditivo polifuncional. Além disso, foram produzidas misturas com cimento CP IV-32, utilizando agregado granítico. Tanto a VPU quanto a resistência à compressão foram determinadas em diversas idades, empregando-se corpos-de-prova cilíndricos de 10 x 20 cm. Empregando-se o procedimento proposto foi possível obter coeficientes de determinação (r2) elevados entre a VPU na pasta e a resistência à compressão do concreto, independente do tipo de agregado, tipo de cimento, teor de pasta e dimensão máxima característica. Este procedimento revela-se apropriado para aplicação em indústrias de pré-moldados, pré-fabricados e em concreteiras. / This work presents an alternative procedure to estimate concrete compressive strength based on the ultrasonic pulse velocity method (UPV). The proposed procedure considers that UPV in concrete depends on the volumetric proportions and the individual UPV of its constituents. It also considers that UPV in aggregates remains constant during the hydration process. Thus, cement paste is the only concrete constituent that undergoes changes in its elastic properties, including its UPV. This procedure proposes a relationship based on the dependence of UPV in cement paste and concrete compressive strength. The volumetric proportions of the concrete constituents and the UPV in the aggregates are therefore necessary to have been previously established. In order to verify the proposed procedure, concrete mixtures with water to cement ratios of 0.48, 0.55 and 0.65 were produced. Three paste contents were used within each w/c mixture (28%, 32% and 36%). Brazilian cement type CP V-ARI-RS, granitic and basaltic coarse aggregates, crushed fine aggregates and chemical admixtures were also used in the concrete mixtures. Moreover, some concrete mixtures with Brazilian cement type CP IV-32 were also produced. Both UPV and compressive strength of all concrete mixtures were determined at several ages using 10 x 20 cm cylindrical specimens. The proposed procedure was able to yield high coefficients of determination for the relationship between UPV in cement paste and concrete compressive strength regardless the type of aggregate, the type of cement, the paste content of the concrete mixtures. This procedure may be useful to be applied in precast plants and concrete plants.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2013-12-05T23:06:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 319466.pdf: 1007269 bytes, checksum: d48120caac2cf34a5e4f645d35c4e551 (MD5) Previous issue date: 2013 / Este trabalho apresenta dados experimentais referentes à glicerólise de óleo de soja e óleo de canola utilizando como catalisador a enzima Novozym 435 em sistema livre de solvente e em ultrassom, para a produção de emulsificantes, monoacilgliceróis (MAGs) e diacilgliceróis (DAGs). Os experimentos com ambos os óleos foram realizados em modo batelada visando o estudo do efeito das variáveis de processo: temperatura (40 a 70 ºC), concentração de enzima imobilizada (2,5 a 10%, m/m, em relação aos substratos), relação molar de glicerol: óleo (0,8:1 a 3:1), agitação (0 a 1200 rpm) e potência do ultrassom (0 a 100%) na produção dos compostos de interesse. O ultrassom e a agitação foram estudados com o intuito de melhorar o contato entre os substratos imiscíveis (óleo e glicerol) e a enzima. Os resultados mostraram que a glicerólise catalisada por lipase em meio livre de solvente com auxílio do ultrassom pode ser uma potencial rota para a produção de altos conteúdos de MAGs e DAGs. Os resultados também mostraram que os maiores níveis de produtos, MAGs + DAGs, foram obtidos quando a razão molar utilizada foi de 0,8:1, para ambos os óleos estudados. Altos conteúdos de MAGs e DAGs foram obtidos usando relação molar de glicerol:óleo de 0,8:1 e concentrações de enzima de 10% (m/m), em 3 horas de reação, 70 ºC, 600 rpm e 40% de potência de ultrassom. Os maiores conteúdos da mistura de MAGs + DAGs (~75% m/m) foram obtidos utilizando relação molar de glicerol:óleo de 0,8:1, 70 ºC, 900 rpm, 120 minutos de reação, concentração de enzima de 10% (m/m) e 40% de potência de ultrassom, para o óleo de canola. Já o óleo de soja teve seus melhores resultados de conteúdo de MAGs + DAGs (~65% m/m) quando se utilizou a relação molar de glicerol:óleo de 0,8:1, 70 ºC, 900 rpm, 90 minutos de reação, concentração de enzima de 10% (m/m) e 40% de potência de ultrassom. Este estudo descreve a viabilidade da produção de compostos de alto valor agregado, monoacilgliceróis e/ou diacilgliceróis, utilizando óleos de relativo baixo custo e com ótimas características nutricionais. <br> / Abstract : This work presents experimental data referred to the glycerolysis of soybean and canola oils, using Novozym 435 as catalyst, in a solvent-free system under the effect of ultrasound bath, for the obtainment of monoacylcglycerols (MAGs) and diacylglycerols (DAGs) emulsifiers. The experiments with both oils were carried out in batch mode, focusing the study of the process variables: temperature (40 to 70 degree Celsius), concentration of the immobilized enzyme (2.5 to 10% w/w, related to the substrate amount), glycerol:oil molar ratio (0.8:1 to 3:1), agitation (0 to 1200 rpm) and ultrasound potency (0 to 100%) in the production of the compounds of interest. The ultrasound and the agitation effects were analyzed in order to improve the interaction between the immiscible substrates (oil and glycerol) and the enzyme. The results showed that glycerolysis catalyzed by lipase in a system without solvent with the application of ultrasound can be a potential route for the production of high contents of MAGs and DAGs. The results also revealed that higher levels of the desired products, MAGs + DAGs, were obtained when the molar ratio applied was 0.8:1 to both studied oils. High contents of MAGs and DAGs were obtained using this molar ratio and the enzyme concentration of 10% (m/m), during 3 hours of reaction, 70 degree Celsius, 600 rpm and 40% of ultrasound potency. The highest content of the MAGs + DAGs mixture (~75% m/m) was obtained utilizing the molar ratio glycerol:oil of 0.8:1, 70 °C, 900 rpm, 120 minutes of reaction, enzyme concentration of 10% (w/w) and 40% of the ultrasound potency, for the canola oil. For the soybean oil, the better results of the MAGs + DAGs mixture (~65% w/w) were obtained when it was used the molar ratio glycerol:oil of 0.8:1, 70 °C, 900 rpm, 90 minutes of reaction, enzyme concentration of 10% (w/w) and 40% of the ultrasound potency. This study therefore described the viability of the production of compounds of high value (mono and/or diacylglycerols), using relatively cheap oils with great nutritional characteristics.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:19:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 325932.pdf: 5507894 bytes, checksum: 5481a02b2d91ea289eb88ab2319dfe03 (MD5) Previous issue date: 2013 / O objetivo desta dissertação de mestrado é apropriar as metodologias de projeto, utilizadas na pesquisa, para o desenvolvimento de um Portador de Sistemas Ultrassônicos para a Inspeção de Uniões Soldadas. Esse Portador visa suprir uma necessidade identificada em empresas que realizam o serviço de inspeção de soldas, em dutos e chapas planas por meio de tecnologia ultrassônica. Grande parte das empresas que atuam no Brasil fazem a inspeção com equipamentos importados e outros adaptados, mas com limitações em relação a custo, segurança, portabilidade, facilidade de operação, ergonomia, versatilidade operacional etc., que motivaram este desenvolvimento. O Portador foi desenvolvido utilizando metodologias de desenvolvimento de produtos, estruturada em fases de projeto: Planejamento, Projeto Informacional, Projeto Conceitual e Projeto Preliminar. Essas fases são constituídas pelos seguintes elementos de projeto: Atividades, Documentos, Métodos e Técnicas, e Usuários, que se mostraram essenciais à organização da sistemática de desenvolvimento do Portador. O protótipo funcional do Portador foi apresentado e testado por profissionais que atuam na área de ensaios não destrutivos para julgarem características de ser: versátil, portátil, seguro, baixo custo e ergonômico, cumprindo as necessidades declaradas pelos clientes nacionais entrevistados. As soluções desenvolvidas foram julgadas adequadas para o propósito do projeto. Ressalta-se, contudo, que a principal contribuição deste trabalho é a sistematização do Processo de Desenvolvimento do Portador, que pode servir de base para o planejamento, projetação, execução e validação de outros produtos semelhantes.<br>

Dissertação ( mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. / Made available in DSpace on 2012-10-23T15:10:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 247027.pdf: 2792853 bytes, checksum: 2a2d317a79ec5752f7bc33f603269cc3 (MD5) / Técnicas não destrutivas baseadas na propagação de ondas de ultra-som vêm sendo cada vez mais utilizadas para avaliação da homogeneidade do concreto em peças estruturais. Falhas de concretagem não visíveis externamente, por exemplo, podem ser detectadas com a utilização do ultra-som, assim como danos causados por incêndio ou por ciclos de gelo e degelo. O tempo de propagação da onda de ultra-som ao longo das regiões de falhas é superior ao tempo de propagação ao longo do concreto integro, e, como conseqüência, há uma diminuição da velocidade de propagação da onda, nestas situações. Pode-se também utilizar o ultra-som na detecção de fissuras, trincas ou fendas superficiais em elementos estruturais de concreto. O ultra-som, através do modo de transmissão indireto, permite avaliar a localização e estimar a profundidade destas fissuras, trincas ou fendas. Neste trabalho foi estudada detalhadamente esta aplicação do ultra-som, avaliando a capacidade de detecção de fendas superficiais, a estimativa de suas profundidades e a verificação da eficácia de injeções para o preenchimento das mesmas. Para tanto, foi conduzido um programa experimental com a utilização de corpos-de-prova de concreto confeccionados em laboratório com fendas verticais de configurações previamente conhecidas. Inicialmente procurou-se estimar a profundidade destas fendas para diferentes aberturas e profundidades, posteriormente estas foram preenchidas com diferentes resinas de mercado para reparo de estruturas com base epóxi e utilizou-se o ultra-som para verificar se as fendas foram preenchidas por completo. Foi estudada a influência de variáveis como a idade e a presença de barras de aço imersas no concreto, variáveis estas que podem influenciar significativamente os resultados de velocidade de propagação de onda ultra-sônica. A técnica apresentada mostrou-se eficaz na detecção de fendas superficiais, estimativa de suas profundidades, mas nem tanto na verificação do preenchimento com materiais de mercado. Foram discutidas limitações da técnica para a estimativa da profundidade de fendas, a fim de tornar mais clara a aplicação prática do ultra-som na avaliação de fendas superficiais. Este trabalho deverá contribuir para um melhor entendimento, além de proporcionar uma utilização mais ampla, da técnica não destrutiva de ultra-som na avaliação da homogeneidade do concreto e serviços de reparo em elementos estruturais.

[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.

[pt] Ondas acústicas, sônicas ou ultrassônicas, podem ser empregadas para a telemetria sem fio como alternativa a sistemas eletromagnéticos, transferindo dados e energia ao longo de um canal formado por uma ou mais camadas de sólidos elásticos ou fluidos acústicos. Um exemplo é a interrogação de sensores passivos através de uma parede metálica. Nesta configuração, pelo menos um transdutor acústico é fixado em um lado da parede (face externa), onde uma fonte de alimentação elétrica é disponível. No lado oposto (face interna), onde os sensores estão instalados, são fixados um ou mais transdutores. Na maioria das aplicações estes transdutores são cerâmicas piezelétricas que geram e recebem sinais ultrassônicos. Ondas acústicas ultrassônicas se propagam ao longo do sólido elástico, transferindo energia e dados entre as duas faces, possibilitando a alimentação e interrogação dos sensores. Este tipo de configuração pode ser empregado em aplicações onde o uso de penetradores elétricos ou ópticos não é recomendado. Entretanto, a resposta das piezocerâmicas pode sofrer influências de variações de temperatura e da própria deformação mecânica da parede metálica na qual são fixados. O presente trabalho procurou quantificar a influência da deformação mecânica e da variação de temperatura na comunicação entre dois transdutores piezocerâmicos ultrassônicos, aderidos à uma placa metálica por meio de adesivo epóxi. No estudo, tomou-se como parâmetro quantitativo o sinal S21, que é o logaritmo da razão entre a potência recebida pela saída do sistema (face interna da parede) pela potência transmitida pela entrada (face externa da parede). O trabalho apresenta comparações entre resultados experimentais e simulados através de um modelo numérico de elementos finitos desenvolvido no COMSOL Multiphysics. Os ensaios experimentais foram realizados com pastilhas piezocerâmicas circulares, do tipo PZT4, com diâmetro e espessura de 25 e 2 mm, respectivamente. Os transdutores foram fixados, de forma concentricamente alinhada e por meio de um adesivo epóxi, nas duas superfícies de uma placa de aço inoxidável AISI 316 L com 6 mm de espessura. O trabalho apresenta tabelas e funções para a amplitude do sinal S21 na frequência onde a transferência de potência é maximizada. Para os casos estudados, observou-se que a frequência ideal muda muito pouco com a temperatura ou a deformação da placa sobre a qual os transdutores são fixados, permanecendo com valores entre 0,988 e 0,995 MHz em todas as condições avaliadas. Em função da deformação da placa metálica, a amplitude do sinal S21 também variou muito pouco, de -3,70 para -3,14 dB, desde a condição indeformada da placa até a máxima deformação aplicada, que foi de 1250 (Micro)m/m. Quanto à variação com a temperatura, na faixa de 30 a 100 Graus C, mais uma vez observou-se apenas um pequeno aumento de 0,8 dB na amplitude do sinal S21. Entretanto, para temperaturas acima de 100 Graus C, o sinal passa a cair rapidamente. Em nenhuma das condições estudadas neste trabalho foi observado prejuízo na transferência de potência entre os transdutores, indicando que este tipo de comunicação pode ser uma alternativa robusta ao uso de penetradores elétricos. / [en] Acoustic, sonic or ultrasonic waves can be used for wireless telemetry as an alternative to electromagnetic systems, transferring data and energy along a channel formed by one or more layers of elastic solids or acoustic fluids. An example of this is the interrogation of passive sensors through a metallic wall. In this configuration, at least one acoustic transducer is attached to one face of the wall (external face) where electrical power supply is available. One or more transducers are also attached to its other side (internal face) where the sensors are installed. In most applications, these transducers are piezoelectric ceramics that generate and receive ultrasonic signals. Ultrasonic acoustic waves propagate along the elastic solid, transferring energy and data between both sides, which enables the power supply and interrogation of the sensors. This type of configuration can be used in applications where the use of an electrical or optical penetrator is not suitable. However, the response of piezoceramics may be affected by temperature variations and mechanical deformations of the metallic wall on which they are attached. The present work sought to quantify the influence of mechanical deformation and temperature changes on the communication between two ultrasonic piezo ceramic transducers, adhered to a metal plate by using an epoxy adhesive. The parameter used to quantify this influence was the S21 signal, which is the logarithm of the ratio between the power received from the output of the system (internal face of the wall) to the power transmitted by the input (external face of the wall). The work presents comparisons between experimental and simulated results obtained by using a finite element model developed through the commercial software COMSOL Multiphysics. In the configuration experimentally tested, two PZT-4 disks with diameter and thickness of, respectively, 25 and 2 mm were concentrically attached to both sides of a 6 mm thick, AISI 316 L stainless steel plate. Amplitudes of the S21 signal measured at the frequency where power transfer is maximized were obtained for different temperature and strain levels. Results for all of the evaluated conditions showed that the impedance matching frequency suffers little influence from temperature variations or strain in the plate on which the transducers are attached, having remained within a range from 0.988 to 0.995 MHz in all tests. As mechanical strains were applied to the metal plate, the amplitude of the S21 signal varied from -3.70 dB to -3.14 dB, from the undeformed condition to the maximum applied deformation (1250 (Micro)m/m). Regarding temperature changes, a small increase of 0.8 dB in the amplitude of the S21 signal was observed when increasing temperature from 30 C Degrees to 100 C Degrees. However, for temperatures above 100 C Degrees, the signal was found to quickly decay. None of the conditions studied in this work brought any impairment to the power transfer between the transducers, indicating that this type of communication can be a robust alternative to electrical penetrators.

[pt] Ondas ultrassônicas guiadas são usadas em larga escala em ensaios não destrutivos (END) e Structural Health Monitoring (SHM), permitindo a inspeção de estruturas e equipamentos de forma não invasiva. A partir da transmissão de um sinal acústico sobre uma estrutura e a captação dos sinais de onda propagados por meio de sensores posicionados estrategicamente, é possível obter informações materiais do objeto inspecionado. Na área de óleo e gás, o uso desse tipo de ondas acústicas é de grande importância no levantamento do perfil da camada de cimento que reveste poços, que tem função de conferir integridade estrutural e isolar a estrutura interna de produção do poço das regiões freáticas do entorno. No processo de desativação e abandono do poço, é fundamental avaliar a qualidade do isolamento hidráulico do cimento, assim como identificar possíveis defeitos. A propagação de ondas guiadas em uma estrutura se dá, em geral, por meio de múltiplos modos e apresenta característica dispersiva, que se traduz numa dependência da velocidade de fase das ondas com a frequência, e uma relação não linear entre número de onda e frequência. A relação de dispersão carrega informações do meio de propagação, tal como constantes elásticas e dimensões, e pode ser visualizada a partir de curvas no plano frequência-número de onda (f-k). Diferentes técnicas vêm sendo exploradas para a obtenção das relações de dispersão a partir de sinais no domínio do tempo captados por sensores ultrassônicos em posições espaciais distintas. Este trabalho explora três métodos distintos para a extração das curvas de dispersão, ou seja, obter os pontos f-k associados aos modos de propagação, a partir de um conjunto de sinais dependentes do espaço-tempo. O primeiro algoritmo se baseia em uma técnica pré-existente que usa uma Transformada de Fourier bidimensional (2-D FT) sobre a matriz de dados de sinais de sensores ultrassônicos no espaço-tempo, gerando uma matriz de amplitudes no plano f-k onde os máximos locais representam pontos pertencentes a curvas de dispersão. A representação da matriz como uma imagem f-k permite a visualização das curvas de dispersão como conjuntos contíguos de pixels de maior claridade. Propõe-se um novo algoritmo baseado em operações morfológicas de processamento de imagem para a identificação de pixels relativos aos pontos das curvas de dispersão na imagem f-k, após um préprocessamento da mesma. A segunda técnica consiste no pré-processamento dessa mesma imagem f-k, obtida pela 2-D FT, e uso de um algoritmo préexistente de detecção de estruturas curvilíneas em imagens para identificar os pontos correspondentes às curvas f-k. O terceiro método é uma adaptação, proposta aqui, de um algoritmo pré-existente para estimar os números de onda das curvas de dispersão relativos a cada frequência através de uma matriz Pencil. Propõe-se também um algoritmo original para a separação dos pontos f-k encontrados pelas três técnicas de extração em curvas distintas. Os algoritmos utilizados para a obtenção das curvas de dispersão têm seu desempenho avaliado em três conjuntos de dados distintos de simulações por elementos finitos, a saber, uma de placa de alumínio fina sob distintos valores de tração axial aplicada paralelamente à direção de propagação das ondas; um poço multicamada sem tubing possuindo diferentes tipos de defeito de cimentação-channeling, qualidade de cimento baixa, descolamento interno e externo -, assim como sem defeito; e um pouco multicamada com tubing sob os mesmos defeitos de cimentação e também sem defeito. Compara-se a capacidade dos algoritmos de extração das curvas de dispersão de oferecer informações sobre mudanças materiais entre os casos simulados. Avalia-se também a precisão e custo computacional dos mesmos. / [en] Ultrasonic guided waves are widely used in the fields of Non-Destructive Evaluation (END) and Structural Health Monitoring (SHM), allowing the inspection of structures and pieces of equipment in a non-invasive manner. Through the transmission of an acoustic signal over a given object and the acquisition of the signal from the propagated waves using a group of sensors in predefined positions, it is possible to obtain material information regarding the investigated structure. In the Oil & Gas industry, the use of this type of wave is integral to the logging of the cement layer that outlines the walls of wellbores, which has the purpose of guaranteeing structural support and protecting the well’s internal production structure and the surrounding groundwater from each other. During the deactivation and abandonment of a production well, it is necessary to evaluate the hydraulic isolation of the cement layer, as well as identify possible defects. The propagation of guided waves in a structure is usually multi-modal and of dispersive characteristic. The latter means that the propagating waves phase velocity is dependent on the frequency, translating into a non-linear relationship between wavenumber and frequency. This dispersion relation contains information about the propagating medium, such as elastic constants and dimensions, and can be represented as curves in the frequency-wavenumber (f-k) plane. Different methods are currently being explored for obtaining the dispersion relation from time-domain signals acquired by ultrasonic sensors in different spatial positions. This work explored three different methods for the extraction of the dispersion curves, that is, obtaining the f-k points associated with the modes of propagation, from a dataset composed of space-time signals. The first algorithm is based on a pre-existing technique that uses the bidimensional Fourier Transform (2-D FT) over the matrix containing the space-time signals from the ultrasonic sensors, generating an f-k matrix whose local maximas correspond to points belonging to dispersions curves. The representation of the matrix as an f-k image shows the dispersion curves as contiguous groups of pixels with elevated brightness. A new algorithm is proposed, based on morphological operations from image-processing, to identify the pixels relative to the f-k points of the dispersion curves in the image, after pre-processing is performed. The second technique consists of pre-processing the same fk image, obtained from the 2-D FT, and the use of an existing algorithm for the detection of curvilinear structures in images to identify the points corresponding to the f-k curves. The third method proposes the adaptation of an existing method of estimation of the wavenumbers associated with the dispersion curves for different frequencies, using a matrix Pencil. This work also proposes an original algorithm to separate the f-k points, retrieved by the three techniques, in different curves associated with each mode of propagation. The algorithms used here for the estimation of the dispersion curves are evaluated over three distinct datasets of finite elements simulation: a thin aluminum plate under different values of axial traction parallel to the direction of propagation of the waves; a multilayer wellbore without tubing, with different types of cement defects-channeling, low cement quality, internal and external decoupling-, and without defect; a multilayer wellbore with tubing with the same cement defects and with no defect. Finally, a comparison is drawn over the capacity of the extraction algorithms of providing information regarding changes in the material qualities of the simulated objects. The work also evaluates the precision and computational performance of the aforementioned algorithms.

[pt] Ondas ultrassônicas guiadas de cisalhamento horizontal (do inglês, shear horizontal SH) são comumente usadas para avaliação não destrutiva de placas e tubos. Em dutos de aço, uma camada de revestimento é frequentemente aplicada à superfície externa dos mesmos para evitar a corrosão. O material do revestimento apresenta impedância acústica consideravelmente menor que a do material principal dos dutos, a saber aço; todavia, sua presença pode alterar significativamente as características de propagação dos modos de onda SH guiada, haja vista que se trata de um problema de propagação em guia de onda multicamadas. Devido às propriedades viscoelásticas do material do revestimento, comumente utilizado, os modos de onda guiada que conhecidamente se propagam de maneira adequada em um duto cru, podem se tornar uma escolha inadequada em um duto revestido devido à alta atenuação, impossibilitando inspeções corriqueiras. Nesta dissertação, investiga-se quais modos SH são mais adequados para uma inspeção circunferencial de um tubo revestido de interesse, a saber, um duto de aço de espessura de 6.35 mm com revestimento de polietileno de espessuras variáveis. Um modelo semi-analítico foi utilizado para calcular as curvas de dispersão e atenuação e um modelo numérico de elementos finitos foi explorado para investigar os modos de propagação em um guia de onda revestidos e sob a presença de defeitos. Resultados mostram que, no regime de espessura de alta frequência, o modo quasi-SH0 no comprimento de onda 10 mm é a escolha mais adequada para uma primeira avaliação, sem conhecimento prévio do espécime. No entanto, com o conhecimento das características do espécimen avaliado, pode-se selecionar outros modos que possam ter menor atenuação. Conclui-se que, uma seleção cuidadosa do modo de operação mais adequado é fundamental para inspecionar defeitos em dutos revestidos de interesse. Para os casos analisados, a saber, SH0 e SH1 com comprimentos de onda de 25 mm, 20 mm, 15 mm e 10 mm, os modos de mais adequados são SH1 em 25mm - 285 kHz, SH0 em 20 mm - 160 kHz, SH0 em 15 mm - 210 kHz, SH1 em 15 mm - 330 kHz, SH0 em 10 mm - 310 kHz e SH1 em 10 mm - 400 kHz, apresentando atenuação aproximada de 21 dB/m, 3 dB/m, 15 dB/m, 13 dB/m, 4 dB/m e 17 dB/m, respectivamente, e clara identificação do defeito através de sua refletividade. Portanto, o presente estudo é útil no projeto de um setup experimental confiável ao analisar um duto cujo revestimento possui propriedades viscoelásticas. / [en] Shear horizontal (SH) ultrasonic guided waves are commonly used for non-destructive evaluation of plates and pipes. In steel pipes, a coating layer is often applied to the outer surface in order to prevent it from corrosion. The applied coating layer presents considerably lower acoustic impedance than the pipe main material, namely, steel, nevertheless, its presence significantly affects the propagation characteristics of SH guided wave modes, since one deals with a multilayered waveguide problem. Due to the viscoelastic properties of the coating layer, ultrasonic guided wave modes that adequately propagate in an equivalent bare pipe can become an unsuitable choice in a coated pipe, due to high attenuation, rendering pipe inspection unfeasible. In this thesis, it was investigated which SH guided wave modes are more adequate for circumferential inspections of a coated pipe of interest, namely, a 6.35 mm thick steel pipe and a polyethylene coating whose thicknesses varies. A semi-analytical model was used to calculate the dispersion and attenuation curves and a finite element numerical model was further exploited to investigate the propagating modes in coated waveguided under the presence of defects. Results show that, in the analyzed cases, at the high-frequency-thickness regime, the quasi-SH0 mode at 10 mm wavelength is the most suitable choice for an evaluation with no previous knowledge of the specimen. However, with knowledge of the characteristics of the evaluated specimen, it is possible to select other modes that can have a lower attenuation. Therefore, a careful selection of the most suitable operating mode is paramount in order to inspect a defect with ultrasonic guided waves in pipes with coating. Considering the studied cases, namely, SH0 and SH1 at of 25 mm, 20 mm, 15 mm, and 10 mm wavelength, the most suitable SH guided wave modes are SH1 at 25mm - 285 kHz, SH0 at 20 mm - 160 kHz, SH0 at 15 mm - 210 kHz, SH1 at 15 mm - 330 kHz, SH0 at 10 mm - 310 kHz and SH1 at 10 mm - 400 kHz, showing approximated attenuation of 21 dB/m, 3 dB/m, 15 dB/m, 13 dB/m, 4 dB/m and 17 dB/m, respectively, and clear defect identification by mean of its reflectivity. Therefore, the present study is useful in order to design a reliable experimental setup when analyzing a pipe whose coating has viscoelastic properties.

[pt] A necessidade de transmitir energia e dados através de barreiras metálicas tem sido cada vez maior em aplicações industriais, onde não é possível a penetração de cabos elétricos, ou o uso de ondas eletromagnéticas, tais como, por exemplo, em sistemas de sensoriamento de cimentação em poços de petróleo. Ondas acústicas podem ser uma solução para esse problema, porque não são afetadas pelo efeito gaiola de Faraday, além de possuírem baixa atenuação ao atravessarem metais. Diversos esforços foram feitos para realizar a transmissão de dados através de camadas metálicas, com abordagens que variam em composição do canal acústico, taxa de transmissão, transmissão simultânea de dados e energia e complexidade dos circuitos empregados; existe, porém, carência de trabalhos que envolvam camadas metal-fluído-metal. Este trabalho apresenta uma possível solução utilizando ondas acústicas como meio de transportar energia e dados em um canal composto de barreiras com duas camadas metálicas e uma de fluído. Aqui propõe-se uma inovadora técnica de controle automático de ganho e um melhor aproveitamento da largura de banda do canal acústico, que permite maior taxa de transmissão de dados. É ainda proposta uma técnica para controle dinâmico da portadora enviada ao lado passivo do sistema. Inicialmente, foi feita uma análise de um modelo numérico, baseado em trabalhos anteriores, fundamentado na propagação de ondas acústicas e baseado na analogia acustoelétrica. Em seguida, desenvolveu-se um sistema eletrônico para receber / transmitir energia e dados digitais, modulados em frequência, de um lado ao outro do sistema. Por fim, análises experimentais foram feitas utilizando como canal acústico, um conjunto de duas placas planas de aço (de 5 mm) separadas por uma camada de fluído (de 100 mm) e dois transdutores alinhados axialmente, realizando a transferência de energia e dados digitais modulados em frequência. O sistema foi capaz de realizar a transferência de dados a uma taxa de 19200 bps e simultaneamente uma transferência de energia de 66 mW, com essa energia foi possível alimentar o modulo eletrônico e um sensor de pressão e temperatura. Durante os testes foi constatado um aproveitamento de 5,5 por cento da energia aplicada ao canal, e foi possível atingir uma taxa de erro de bit de 5 por cento em um teste com 2 h e 30 min de duração, utilizando o canal acústico com camadas de múltiplos materiais propostos. O sistema de controle de portadora funcionou adequadamente, permitindo uma redução de consumo de até 53 por cento. O controle automático de ganho permitiu uma redução de 50 por cento na taxa de erro de decodificação. Demonstra-se, então, a viabilidade de tais sistemas de controle propostos, os quais podem ser úteis em casos onde existam variações nas características acústicas do canal em questão que, em conjunto com a transferência não intrusiva, pode prover solução para sistemas de sensoriamento. / [en] The need for energy and data transmission through metallic barriers is increasing in industrial applications, where the penetration of electrical waves or the use of electrical waves is not possible. An example of such a scenario is the monitoring of cementing in wellbore applications. Acoustic waves are promising to solve this problem, since they are not affected by the Faraday cage effect, in addition, they present low attenuation when propagating in metals. Several efforts have been made to carry out data transmission through metallic layers, with approaches that vary in composition of the acoustic channel, transmission speed, simultaneous transmission of data and energy and the complexity of the circuits used, but there is a lack of works involving metal-fluid-metal layers. This work presents a possible solution using acoustic waves as a mean of transporting energy and data in a channel composed of barriers with two metallic layers and one fluid layer. Here, it is proposed a novel technique for automatic gain control and better use of the available bandwidth of the acoustic channel, which allows higher data transmission speed. Also, a technique for dynamic control of the carrier sent to the passive side of the system is proposed. Initially, an analysis with a numerical model was made, following previous works, which is based on the propagation of acoustic waves and relying on the acoustoelectric analogy. Then, an electronic system was developed to receive/transmit power and digital data, frequency modulated, from one side of the system to the other. Finally, experimental analyzes were performed using as an acoustic channel, a set of two flat steel plates (5 mm) separated by a fluid layer (100 mm) and a pairs of axially aligned transducers, performing the energy transfer and frequency modulated digital data. The system was able to transfer data at a rate of 19200 bps and simultaneously a transfer of energy of 66 mW, with this energy it was possible to feed the inside block module and a pressure and temperature sensor. During the tests, it was verified that 5.5 per cent of the energy applied to the channel was used, and it a bit error rate down to of 5 per cent was reached in a test with 2 h and 30 min of duration, using the multi-layered acoustic. The automatic carrier control system worked as expected and allowed one to reduce energy consumption in 53 per cent. The automatic gain control allowed one to reduce the error rate in 50 per cent. These control systems prove the feasibility of the proposed system and further show the usefulness of the system in scenarios that are subject to variations in the acoustic characteristics of the channel.