This study describes the construction of a high vacuum station and the instrumentation and testing of two methods for obtaining the first derivative of the current-voltage characteristic of a Langmuir Probe, which is needed to determine the electron speed distribution in rare gases. The theory behind using a lock-in amplifier differentiator to obtain the derivative of the I-V characteristic of a Langmuir Probe is derived and discussed. A test was devised to check the instrumentation for correct operation. / M.S.

State estimation is an important tool for power system monitoring and the present study involves integrating phasor measurement units in the state estimation process. Based on measurements taken throughout the network, the role of a state estimator is to estimate the state variables of the power system while checking that these estimates are consistent with the measurement set. In the case of power system state estimation, the state variables are the voltage phasors at each network bus.\\<p><p>The classical state estimator currently used is based on SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) measurements. Weaknesses of the SCADA measurement system are the asynchronicity of the measurements, which introduce errors in the state estimation results during dynamic events on the electrical network.\\<p><p>Wide-area monitoring systems, consisting of a network of Phasor Measurement Units (PMU) provide synchronized phasor measurements, which give an accurate snapshot of the monitored part of the network at a given time. The objective of this thesis is to integrate PMU measurements in the state estimator. The proposed state estimators use PMU measurements exclusively, or both classical and PMU measurements.\\ <p><p>State estimation is particularly useful to filter out measurement noise, detect and eliminate bad data. A sensitivity analysis to measurement errors is carried out for a state estimator using only PMU measurements and a classical state estimator. Measurement errors considered are Gaussian noise, systematic errors and asynchronicity errors. Constraints such as zero injection buses are also integrated in the state estimator. Bad data detection and elimination can be done before the state estimation, as in pre-estimation methods, or after, as in post-estimation methods. For pre-estimation methods, consistency tests are used. Another proposed method is validation of classical measurements by PMU measurements. Post-estimation is applied to a measurement set which has asynchronicity errors. Detection of a systematic error on one measurement in the presence of Gaussian noise is also analysed. \\<p><p>The state estimation problem can only be solved if the measurements are well distributed over the network and make the network observable. Observability is crucial when trying to solve the state estimation problem. A PMU placement method based on metaheuristics is proposed and compared to an integer programming method. The PMU placement depends on the chosen objective. A given PMU placement can provide full observability or redundancy. The PMU configuration can also take into account the zero injection nodes which further reduce the number of PMUs needed to observe the network. Finally, a method is proposed to determine the order of the PMU placement to gradually extend the observable island. \\<p><p>State estimation errors can be caused by erroneous line parameter or bad calibration of the measurement transformers. The problem in both cases is to filter out the measurement noise when estimating the line parameters or calibration coefficients and state variables. The proposed method uses many measurement samples which are all integrated in an augmented state estimator which estimates the voltage phasors and the additional parameters or calibration coefficients. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

A necessidade de monitoramento do comportamento de substâncias é fundamental em diversas áreas de da indústria atual, como por exemplo, a análise de produções provenientes de reações químicas ou a investigação de escoamentos com múltiplos componentes, como é o caso do sistema de extração de petróleo. A espectroscopia de impedância, onde a impedância elétrica de uma substancia é analisada em diversas frequências, é uma técnica candidata e tem seu uso difundido principalmente em laboratórios voltados para pesquisas na área de química analítica. No entanto, ainda é uma técnica pouco aplicada para monitoração em processos industriais. Este trabalho objetiva o desenvolvimento de um sistema simples e de baixo custo de espectroscopia de impedância contendo uma possível forma de aplicação em atividades industriais. Inicialmente foram revisadas diversas técnicas para obtenção do espectro de impedância. Para a implementação, optou-se pela utilização do sinal de multifrequência chirp para excitação na faixa de 1 Hz a 495 kHz e do circuito amplificador de transimpedância para recepção dos sinais de respostas. Além disso, foram utilizadas duas variações de sensores para uma investigação mais abrangente do funcionamento do sistema. O sistema desenvolvido é composto por um software de recepção de dados no computador, conectado diretamente a um sistema de medição microcontrolado, encarregado pela geração amostragem dos sinais do sensor. Para validação do sistema, realizaram-se medidas com resistores e capacitores de referência assim como o sistema foi testado com diversas substâncias conhecidas, tais como ar, água deionizada, óleo de silicone, isopropanol e etilenoglicol. Em comparação com valores teóricos, os resultados do sistema se mostraram apropriados para que seja possível identificar diferentes substâncias, por meio da medição da resposta em frequência da impedância das mesmas. Como exemplo de aplicação, o sistema foi utilizado para monitoração do processo de formação de gelo, onde pode-se constatar a transição de água líquida para gelo. Desta forma, o sistema pode ser aplicado em trabalhos futuros para monitoração outros processos. / The need to monitor the behavior of substances is fundamental in several areas of the industry, such as the analysis of reactions in chemical reactors or the investigation of flows with multiple components, such as in the oil and gas extraction. Impedance spectroscopy, where the electrical impedance of a substance is analyzed at different frequencies, is a candidate technique and its use is spread mainly in laboratories focused on research in the area of analytical chemistry. However, this technique is still only limitedly applied for monitoring industrial processes. Hence, this work aims at the development of a simple and low-cost system based on impedance spectroscopy with possible applications in industrial activities. Initially several techniques for obtaining the impedance spectrum were reviewed. For the implementation, we opted for the use of the chirp multifrequency signal in the range of 1 Hz to 495 kHz for excitation and the transimpedance amplifier circuit for receiving the signals of substances. In addition, two sensor variations were used for a more comprehensive investigation of the system operation. The developed system consists of data reception software on the computer, connected directly to a microcontrolled sensing electronics, in charge of the generation and sampling of the signals from the sensor. To validate the system, measurements were made with reference impedance (resistors and capacitors) as well as the system was applied to measure various known substances, such as air, water, silicon oil and isopropanol. In comparison with theoretical values, the results of the system proved to be appropriate for the identification of different substances by measuring the frequency response of the impedance. As an example of application, the system was applied to monitor the ice formation process, where was possible to verified the transition from liquid to ice water. In this way, the system can be applied in future work to monitor other processes.

A necessidade de monitoramento do comportamento de substâncias é fundamental em diversas áreas de da indústria atual, como por exemplo, a análise de produções provenientes de reações químicas ou a investigação de escoamentos com múltiplos componentes, como é o caso do sistema de extração de petróleo. A espectroscopia de impedância, onde a impedância elétrica de uma substancia é analisada em diversas frequências, é uma técnica candidata e tem seu uso difundido principalmente em laboratórios voltados para pesquisas na área de química analítica. No entanto, ainda é uma técnica pouco aplicada para monitoração em processos industriais. Este trabalho objetiva o desenvolvimento de um sistema simples e de baixo custo de espectroscopia de impedância contendo uma possível forma de aplicação em atividades industriais. Inicialmente foram revisadas diversas técnicas para obtenção do espectro de impedância. Para a implementação, optou-se pela utilização do sinal de multifrequência chirp para excitação na faixa de 1 Hz a 495 kHz e do circuito amplificador de transimpedância para recepção dos sinais de respostas. Além disso, foram utilizadas duas variações de sensores para uma investigação mais abrangente do funcionamento do sistema. O sistema desenvolvido é composto por um software de recepção de dados no computador, conectado diretamente a um sistema de medição microcontrolado, encarregado pela geração amostragem dos sinais do sensor. Para validação do sistema, realizaram-se medidas com resistores e capacitores de referência assim como o sistema foi testado com diversas substâncias conhecidas, tais como ar, água deionizada, óleo de silicone, isopropanol e etilenoglicol. Em comparação com valores teóricos, os resultados do sistema se mostraram apropriados para que seja possível identificar diferentes substâncias, por meio da medição da resposta em frequência da impedância das mesmas. Como exemplo de aplicação, o sistema foi utilizado para monitoração do processo de formação de gelo, onde pode-se constatar a transição de água líquida para gelo. Desta forma, o sistema pode ser aplicado em trabalhos futuros para monitoração outros processos. / The need to monitor the behavior of substances is fundamental in several areas of the industry, such as the analysis of reactions in chemical reactors or the investigation of flows with multiple components, such as in the oil and gas extraction. Impedance spectroscopy, where the electrical impedance of a substance is analyzed at different frequencies, is a candidate technique and its use is spread mainly in laboratories focused on research in the area of analytical chemistry. However, this technique is still only limitedly applied for monitoring industrial processes. Hence, this work aims at the development of a simple and low-cost system based on impedance spectroscopy with possible applications in industrial activities. Initially several techniques for obtaining the impedance spectrum were reviewed. For the implementation, we opted for the use of the chirp multifrequency signal in the range of 1 Hz to 495 kHz for excitation and the transimpedance amplifier circuit for receiving the signals of substances. In addition, two sensor variations were used for a more comprehensive investigation of the system operation. The developed system consists of data reception software on the computer, connected directly to a microcontrolled sensing electronics, in charge of the generation and sampling of the signals from the sensor. To validate the system, measurements were made with reference impedance (resistors and capacitors) as well as the system was applied to measure various known substances, such as air, water, silicon oil and isopropanol. In comparison with theoretical values, the results of the system proved to be appropriate for the identification of different substances by measuring the frequency response of the impedance. As an example of application, the system was applied to monitor the ice formation process, where was possible to verified the transition from liquid to ice water. In this way, the system can be applied in future work to monitor other processes.