Submitted by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2013-01-23T15:09:34Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_EstrategiaReducaoConsumo.pdf: 2434652 bytes, checksum: bf2428fb8f0caeaf3737a7f0ba4cd7e5 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva(arosa@ufpa.br) on 2013-01-23T17:11:16Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_EstrategiaReducaoConsumo.pdf: 2434652 bytes, checksum: bf2428fb8f0caeaf3737a7f0ba4cd7e5 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-01-23T17:11:16Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_EstrategiaReducaoConsumo.pdf: 2434652 bytes, checksum: bf2428fb8f0caeaf3737a7f0ba4cd7e5 (MD5) Previous issue date: 2012 / O avanço nas áreas de comunicação sem fio e microeletrônica permite o desenvolvimento de equipamentos micro sensores com capacidade de monitorar grandes regiões. Formadas por milhares de nós sensores, trabalhando de forma colaborativa, as Redes de Sensores sem Fio apresentam severas restrições de energia, devido à capacidade limitada das baterias dos nós que compõem a rede. O consumo de energia pode ser minimizado, permitindo que apenas alguns nós especiais, chamados de Cluster Head, sejam responsáveis por receber os dados dos nós que formam seu cluster e propagar estes dados para um ponto de coleta denominado Estação Base. A escolha do Cluster Head ideal influencia no aumento do período de estabilidade da rede, maximizando seu tempo de vida útil. A proposta, apresentada nesta dissertação, utiliza Lógica Fuzzy e algoritmo k-means com base em informações centralizadas na Estação Base para eleição do Cluster Head ideal em Redes de Sensores sem Fio heterogêneas. Os critérios usados para seleção do Cluster Head são baseados na centralidade do nó, nível de energia e proximidade para a Estação Base. Esta dissertação apresenta as desvantagens de utilização de informações locais para eleição do líder do cluster e a importância do tratamento discriminatório sobre as discrepâncias energéticas dos nós que formam a rede. Esta proposta é comparada com os algoritmos Low Energy Adaptative Clustering Hierarchy (LEACH) e Distributed energy-efficient clustering algorithm for heterogeneous Wireless sensor networks (DEEC). Esta comparação é feita, utilizando o final do período de estabilidade, como também, o tempo de vida útil da rede. / The increase in wireless communication and microelectronic devices enables the development of micro sensors with monitoring capable for large areas. Consisting of thousands of sensor nodes, working collaboratively, the Wireless sensor networks have severe energy constraints, due to the limited capacity of batteries of the nodes that compose the network. The power consumption can be minimized by allowing only a few special nodes, called Cluster Head, are responsible for receiving data from its cluster nodes that form and propagate this data to a collection point called Base Station. The choice of optimum cluster head influence on increasing the period of stability of the network, maximizing their useful life. The proposal, presented in this thesis, uses Fuzzy Logic and k-means algorithm based on centralized information on Base Station for election of ideal Cluster Head for Heterogeneous Wireless Sensors Networks. The criteria used to select the ideal Cluster Head are based on the node centrality, energy level and proximity to the Base Station. This dissertation presents the disadvantages when the local information are used to the cluster leader election and the importance of discriminatory treatment on the energy discrepancies in the network. This proposal is compared with the Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy (LEACH) and Distributed energy-efficient clustering (DEEC) algorithms. This comparison is evaluated using the end of the stability period and the lifetime of the network.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-05-30T14:06:17Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_ModeloFractalResistividade.pdf: 17987582 bytes, checksum: a82d5c2849b2a49742aba13845e8d49b (MD5) / Rejected by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br), reason: Ausência de palavras-chave on 2014-08-07T13:11:01Z (GMT) / Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-09-11T15:39:47Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_ModeloFractalResistividade.pdf: 17987582 bytes, checksum: a82d5c2849b2a49742aba13845e8d49b (MD5) / Approved for entry into archive by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2014-09-15T16:02:14Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_ModeloFractalResistividade.pdf: 17987582 bytes, checksum: a82d5c2849b2a49742aba13845e8d49b (MD5) / Made available in DSpace on 2014-09-15T16:02:14Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_ModeloFractalResistividade.pdf: 17987582 bytes, checksum: a82d5c2849b2a49742aba13845e8d49b (MD5) Previous issue date: 1996 / UFPA - Universidade Federal do Pará / PETROBRAS - Petróleo Brasileiro S.A. / FADESP - Fundação de Amparo e Desenvolvimento da Pesquisa / FINEP - Financiadora de Estudos e Projetos / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Rochas contendo metálicos disseminados ou partículas de argila em ambiente natural onde soluções eletrolíticas normalmente preenchem os poros das rochas, exibem um tipo de polarização em baixas freqüências conhecido como polarização induzida. Nesta tese foi desenvolvido um novo modelo para descrever o fenômeno de polarização das rochas, não apenas em baixas freqüências, mas compreendendo todo o espectro eletromagnético, possível de utilização na prospecção geoelétrica. Este novo modelo engloba a maioria dos modelos utilizados até o momento como casos especiais, além de superar as limitações dos mesmos. Seu circuito analógico inclui uma impedância não linear do tipo r (iwtf)-n que simula o efeito das superfícies rugosas das interfaces entre os grãos bloqueadores (partículas metálicas e/ou de argilas) e o eletrólito. A impedância de Warburg generalizada está em série com a resistência dos grãos bloqueadores da passagem de corrente e em paralelo com a impedância da dupla camada associada a essas interfaces. Esta combinação está em série com a resistência do eletrólito nas passagens dos poros bloqueados. Os canais não bloqueados são representados por uma resistência que corresponde à resistividade normal CC da rocha. A combinação desta resistência com a capacitância "global" da rocha é finalmente conectada em paralelo ao resto do circuito mencionado acima. Os parâmetros deste modelo incluem a resistividade CC (p0), a cargueabilidade (m), três tempos de relaxação (t, Tf and T2), um fator de resistividade de grãos (δr), e o expoente de freqüência (η). O tempo de relaxação fractal (Tf), e o expoente de frequencia (η) estão relacionados à geometria fractal das interfaces rugosas entre os minerais condutivos (grãos metálicos e/ou partículas de argila bloqueando os canais dos poros) e o eletrólito. O tempo de relaxação (T) é um resultado da relaxação em baixa freqüência das duplas camadas elétricas formadas nas interfaces eletrólito-cristais, enquanto (T0) é o tempo de relaxação macroscópico da amostra como um todo. O fator de resistividade dos grãos (δr) relaciona a resistividade dos grãos condutivos com o valor de resistividade CC da rocha. A resistividade CC da rocha (p0), e δr estão relacionados à porosidade, à condutividade do eletrólito e às relações mineralógicas entre a matriz e os grãos condutivos. O modelo foi testado sobre um intervalo largo de freqüências contra dados experimentais de amplitude e fase da resistividade bem como para dados de constante dielétrica complexa. Os dados utilizados neste trabalho foram obtidos a partir da digitalização de dados experimentais publicados, obtidos por diversos autores e englobando amostras de rochas sedimentares, ígneas e metam6rficas. É mostrado neste trabalho que os parâmetros deste modelo permitem identificar diferenças texturais e mineralógicas nas rochas. Bote modelo foi introduzido, primeiramente, como propriedade intrínseca de um semiespaço homogêneo sendo demonstrado, neste trabalho, que a resposta observada em superfície reflete as propriedades intrínsecas do meio polarizável, sendo o acoplamento eletromagnético desprezível em freqüências menores que 104 Hz. Em seguida, o meio polarizável foi embebido em um pacote de N camadas sendo demonstrado que os parâmetros fractais do meio polarizável podem ser obtidos do levantamento em superfície para diferentes espessuras dessa camada. Isto justifica a utilização pura e simples de modelos de polarização desenvolvidos para amostras em laboratório para ajustar dados de campo, o que vem sendo feito sem uma justificativa bem fundamentada. Estes resultados demonstram a importância para a prospecção geolétrica do modelo proposto nesta tese. / Rocks containing disseminated metallics or clay particles in natural environment where electrolytic solutions fill the pore spaces, show a certain type of polarization at low frequencies known as induced electrical polarization. In this thesis, a new model to describe the electrical polarization on rocks was developed, not only for low frequencies, but spanning the entire electromagnetic spectrum used in geolectric prospection. This new model encompasses most of the other commonly used models as special cases, and overcomes some of the known limitations. The proposed circuit analog includes a non-linear impedance r(iwtf)-1 which simulates the effects of the rough surface of the interfaces between the blocking grains (metallic or clay particles) and the electrolyte. This generalized Warburg impedance is in series with the resistance of the blocking grains and both are shunted by the double layer capacitance. This combination is in series with the resistance of the electrolyte in the blocked pore passages. The unblocked pore paths are represented by a. resistance which corresponds to the normal DC resistivity of the rock. The parallel combination of this resistance with the "bulk" sample capacitance is finally connected in parallel to the rest of the above-mentioned circuit. The parameters of this model include the DC resistivity (p0), the chargeability (m), three relaxation times (T, Tf and T0), a grain resistivity factor (δr) and the frequency exponent (η). The fractal relaxation time (Tf) and the frequency exponent (η) are related to the fractal geometry of the rough pore interfaces between the conductive grains (metallic or clay minerals which are blocking the pore paths) and the electrolyte. The relaxation time T is a result of the low-frequency relaxation of the electrical double layers formed between the electrolyte and the crystals, whereas T0 is a macroscopic relaxation time of the "bulk" sample. The grain resistivity factor (δr) relates the resistivity of the conductive grains with the DC resistivity value of the rock. The DC resistivity of the rock and δr are related to the porosity, the electrolyte conductivity and the volumetric ratios between the matrix and the conductive grains. The model was tested over a wide range of frequencies against experimental data obtained for amplitude and phase of resistivity or conductivity as well as for the complex dielectric constant. The data used in this work were obtained from digitizing published experimental data, obtained by several authors from sedimentary, metamorphic and igneous rocks. The results show that the parameters of this model are related to textural and mineralogical aspects of the rocks. This model was introduced firstly as the intrinsic electric property of a homogeneous and polarizable half-space, and it was demonstrated, in this thesis, that the response observed at the surface is equivalent to the intrinsic property of the polarizable medium, been the electromagnetic coupling irrelevant to frequencies lower than 104 Hz. Next, the polarizable medium was embedded as an intermediate layer between two non-polarizable layers with the same De resistivity. The response obtained shows that the frequency exponent of the fractal medium could be determined even when the polarizable medium is at a considerable depth in relation to the dipole-dipole length. This justifies the use of simple models developed to explain the response of laboratory samples to fit field data, and that is being used without a right justification. These results shows the importance of the proposed model to the geoelectric prospection.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-03-07T15:58:58Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ProjetoAvaliacaoExperimental.pdf: 1801259 bytes, checksum: 4031abdf53d2619b2e814c79172b0343 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-05-15T12:54:23Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ProjetoAvaliacaoExperimental.pdf: 1801259 bytes, checksum: 4031abdf53d2619b2e814c79172b0343 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-05-15T12:54:23Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ProjetoAvaliacaoExperimental.pdf: 1801259 bytes, checksum: 4031abdf53d2619b2e814c79172b0343 (MD5) Previous issue date: 2013 / Neste trabalho, são apresentados a metodologia de projeto e resultados de testes experimentais de um estabilizador de sistema de potência (ESP), implementado em um sistema de geração em escala reduzida de 10 kVA, localizado no Laboratório de Controle e Sistema de Potência (LACSPOT) da Universidade Federal do Pará (UFPA). O projeto do ESP é baseado em uma estratégia de controle robusto com ênfase em incertezas paramétricas estruturadas, as quais são tratadas com ferramentas da teoria de análise intervalar. Estas incertezas são decorrentes de mudanças do ponto de operação do sistema, que provocam variações nos parâmetros de um modelo matemático linearizado referente ao comportamento dinâmico do sistema elétrico de potência no referido ponto de operação. Para o projeto do ESP robusto intervalar, são realizados uma serie de ensaios experimentais com o propósito de estimar os parâmetros de modelos linearizados da planta, representando satisfatoriamente a dinâmica dos modos poucos amortecidos do sistema de geração interligado. O método de identificação é baseado em técnica de identificação paramétrica, baseado em mínimos quadrados. A partir de um conjunto de dados de entrada e saída, para cada ponto de operação, um modelo linear, do tipo auto-regressivo com entrada exógenos (ARX), estimado para fim de uso do projeto do ESP. Por fim, uma série de testes experimentais é realizada no sistema de geração interligado a rede elétrica local, com o propósito de verificar a efetividade da técnica de controle robusto intervalar proposta para a sintonia do ESP. A partir da análise da função custo do sinal de erro de desvio de potência elétrica na saída do gerador síncrono e a função custo do sinal de controle do ESP comprova-se experimentalmente o bom desempenho obtido pela técnica de controle proposta em comparação com uma técnica de controle clássica. / In this paper, are presented the design methodology and the experimental test results of a power system stabilizer (PSS), implemented in a small-scale generation system of 10 kVA, located in the Control and Power System Laboratory (LACSPOT) at the Para Federal University (UFPA). The PSS design is based on a robust control strategy with emphasis on the structured parametric uncertainties, which are treated with tools of the interval analysis theory. These uncertainties are arising from the system operation point, which cause variations in the parameters of a linearized mathematical model referent on the dynamic behavior of the power electric system in the operation point. For the interval robust PSS design, are performed experimental tests with the purpose of estimating the linearized plant models parameters, representing the low damped modes dynamic of the interconnected generation system. The identification method is based on parametric identification technique based on least squares. From a set of input and output data, for each operation point, a ARX linear model is estimated with the purposed of the PSS design. Finally, a set of experimental tests is performed in the interconnected generation system, with the purpose of analyze the effectiveness of the interval robust control technique proposed to the PSS design. From the analysis of the active power deviation signal cost function at the synchronous generator terminal and the PSS control signal cost function, proves experimentally the good performance achieved by robust control technique proposed in comparison with a classic control technique.

Neste trabalho é apresentado um método para a identificação de falha causada por barras quebradas em rotores de motores de indução trifásicos através da análise de sua deformação dinâmica, utilizando redes de Bragg em fibra óptica (FBG) como elemento sensor. A análise da deformação dinâmica permite a detecção e diagnóstico de uma série de falhas mecânicas como desalinhamento, desbalanceamento, falhas em rolamentos e folga mecânica. Além de falhas mecânicas é possível identificar falhas elétricas como quebras ou trincas em anéis ou barras do rotor. Para as medidas de deformação dinâmica foram utilizados sensores baseados em redes de Bragg em fibra óptica que possuem como características principais a grande capacidade de multiplexação, imunidade à radiação eletromagnética e capacidade de operação a longas distâncias. Ensaios foram feitos em um motor de indução de pequeno porte (3 CV) afim de validar o método e futuramente aplicar em máquinas de médio e grande porte. O motor foi alimentado por três diferentes fontes de alimentação: rede elétrica da concessionária, geradores síncronos e inversor de frequência, para condições de 75% e 100% de sua carga nominal. Nos ensaios foram utilizados um rotor sem defeito de barra e, posteriormente, um rotor com uma barra interrompida. Através dos ensaios foi possível identificar a falha para as duas condições de carga ensaiadas e com as três diferentes fontes de alimentação. A falha de barra quebrada no rotor é identificada em duas regiões do espectro de frequência obtidos com os três conjuntos de ensaios realizados. A primeira região em torno da frequência mecânica de rotação do rotor e a segunda em torno do dobro da frequência elétrica da fonte de alimentação. O sistema se mostrou bastante sensível, com boa relação sinal ruído e com vantagens em relação aos principais métodos e sensores comumente utilizados para a identificação da falha de barras quebradas em motores de indução. / This work presents the rotor broken bar failure identification through strain analysis using fiber Bragg gratings (FBG) as sensor. The dynamic strain analysis allow the diagnostic and detect several mechanical failures like misalignment, unbalances, bearing failures and mechanical clearance, also electrical failures like rotor broken rings and rotor broken bar. Fiber Bragg gratings sensors were used to measure the dynamic deformation, some advantages of FBG are high multiplexing capability, electromagnetic interference immunity and long distance operation capability. Tests were conducted in a small induction motor (3 HP) in order to validate the method and allow it to be applied inthe future in medium and big size machines. The motor was fed through three different sources (directly from the electrical grid, synchronous generators and by one frequency inverter) at 75% and 100% of rated load condition. Tests were conducted with one healthy rotor and then with a rotor with a broken bar. The tests allow identifying the rotor broken bar failure in both load conditions. Rotor broken bar failure could be identified in two spectrum regions for all conducted tests. The first one was the region around the motor mechanical rotational frequency and the second one was the region around twice times power supply frequency. The system have been presented a high sensibility, a god signal to noise relationship (SNR) and some advantages over the main common sensors and methods used to identify and analyze the dynamic eccentricity and rotor broken bar failures in induction motors.

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.

ANP; FINEP; MCT; PETROBRAS / Escoamentos multifásicos estão presentes em diversos processos da natureza bem como em atividades industriais como em reatores químicos, plantas de geração de energia, e também na exploração, produção e transporte de petróleo e gás. Na produção de petróleo, é comum encontrar-se escoando pelos dutos, uma mistura que pode conter duas ou mais fases compostas por óleo, gás e água, assumindo diversos padrões de escoamentos com configurações espaciais distintas. Em muitos casos o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos e equipamentos onde ocorrem. Em função disso, várias técnicas já foram desenvolvidas para realizar a investigação experimental de escoamentos em tubulações ou componentes industriais, no entanto, no caso específico do óleo cru, poucas técnicas foram desenvolvidas devido a suas particularidades, como por exemplo, sua alta viscosidade, que em alguns casos impossibilita o uso de técnicas intrusivas, bem como, por ser uma substância isolante eletricamente não é possível o uso de algumas técnicas de medição por impedância. O uso de técnicas ópticas, como por exemplo câmera de vídeo ou sensores ópticos no espectro visível também não pode ser utilizado devido a opacidade natural do petróleo nessa faixa do espectro. No entanto, o uso de técnicas de espectroscopia óptica demonstra ser uma importante técnica para a análise de diversas substâncias devido ao fato do espectro óptico ser único para cada substância, com isso, escolhendo-se um comprimento de onda apropriado, é possível fazer a investigação de uma determinada substância. No caso do óleo cru, ele possui uma alta transparência na faixa do infravermelho médio e distante, o que possibilitaria sua investigação. Juntamente com a espectroscopia óptica, a tomografia óptica é uma importante técnica para a análise de escoamentos bifásicos, por ser não intrusiva e não invasiva, juntamente com uma boa resolução espacial e temporal. Com isso, foram desenvolvidos nesse trabalho dois tomógrafos ópticos na faixa do infravermelho próximo (950 nm) com o intuito de demonstrar a aplicabilidade dessa técnica em escoamentos bifásicos água-ar vertical e horizontal. Também foram realizados diversos testes da transmitância no infravermelho médio (MIR), e testes iniciais de tomografia óptica no petróleo. Os resultados obtidos mostram que essa é uma técnica viável para o desenvolvimento de sensores que possam realizar a investigação de escoamentos que envolvem óleo cru. / Multiphase flows are present in many processes of nature as well as in industrial activities for instance in chemical reactors, power generation plants, as well as in exploration, production and transportation of oil and gas. In oil production, a mixture of two or more phases composed by oil, gas and/or water is commonly found. Such multiphase mixtures stream in pipes and equipment assuming different patterns with different spatial configurations. In numerous situations, flow behavior determines the efficiency and safety of processes and equipment inside which they occur. As a result, various techniques have been developed to investigate multiphase flows. However, in the specific case of crude oil, only a few techniques have been developed and even fewer found use in industrial applications so far. Crude oil is a substance completely opaque in the visible light spectrum. However, optical spectroscopy has proven an important technique for the analysis of several substances due to the fact that the optical spectrum is unique for each substance. In this way, it is possible to investigate different substances by choosing a suitable wavelength. In the case of crude oil, it presents a high transparency in the range of mid and far infrared, which allows for the development of non-invasive measuring techniques. Along with optical spectroscopy, optical tomography has proved an alternative technique for the analysis of flow. Thus, in this work two optical tomograph in the near infrared range (950 nm) were developed in order to demonstrate the feasibility of its use in the investigation of two-phase air-water flows. Several tests of light transmittance through crude oil were conducted in mid-infrared (MIR), as well as initial test of optical tomography in crude oil. The results obtained shown that this is a viable option for flow investigation involving crude oil.

CAPES / A análise do comportamento dos fluidos em escoamentos multifásicos possui grande relevância para garantia de segurança em instalações industriais. O uso de equipamentos para monitorar tal comportamento fica sujeito a fatores tais como, alto investimento e mão de obra especializada. Neste contexto, a aplicação de técnicas de processamento de imagens na análise do escoamento seria de grande auxílio, no entanto, poucas pesquisas foram desenvolvidas. Nesta tese, uma nova abordagem para segmentação de imagens baseada no método Level Set que une contornos ativos e conhecimento a priori é desenvolvida. Para tanto, um modelo da forma do objeto alvo é treinado e definido por meio do modelo de distribuição de pontos e então inserido como uma função de velocidade de extensão para evolução da curva de nível zero do método Level Set. A abordagem proposta cria um framework que consiste em três termos de energia e uma função de velocidade de extensão λLg(θ)+vAg(θ)+muP(0)+θf. Os três primeiros termos desta equação são os mesmo introduzidos em (LI CHENYANG XU; FOX, 2005) e a última parcela θf é baseada na representação da forma do objeto proposta nesta tese. Duas variações do método são utilizadas: uma com restrição (Restrict Level Set - RLS) e outra sem restrição (Free Level Set - FLS). A primeira será utilizada na segmentação de imagens que contem alvos com pouca variação na forma e pose. A segunda deve ser utilizada para a identificação correta da forma de bolhas de gás no escoamento bifásico gás-líquido. A robustez e eficiência da abordagem RLS e FLS são apresentados em imagens do escoamento bifásico gás-líquido e na base de dados HTZ (FERRARI et al., 2009). Os resultados promissores confirmam o bom desempenho do algoritmo proposto (RLS e FLS) e indicam que a abordagem pode ser utilizada como um método eficiente para validação e/ou calibração de diversos equipamentos utilizados como medidores das propriedades do escoamento bifásico, bem como, em outros problemas de segmentação de imagens. / The analysis of fluid behavior in multiphase flow is very relevant to guarantee system safety. The use of equipment to describe such behavior is subjected to factors such as the high level of investments and of specialized labor. The application of image processing techniques to flow analysis can be a good alternative, however, very little research has been developed. In this subject, this study aims at developing a new approach to image segmentation based on Level Set method that connects the active contours and prior knowledge. In order to do that, a model shape of the targeted object is trained and defined through a model of point distribution and later this model is inserted as one of the extension velocity functions for the curve evolution at zero level of level set method. The proposed approach creates a framework that consists in three terms of energy and an extension velocity function λLg(θ)+vAg(θ)+muP(0)+θf. The first three terms of the equation are the same ones introduced in (LI CHENYANG XU; FOX, 2005) and the last part of the equation θf is based on the representation of object shape proposed in this work. Two method variations are used: one restricted (Restrict Level Set - RLS) and the other with no restriction (Free Level Set - FLS). The first one is used in image segmentation that contains targets with little variation in shape and pose. The second will be used to correctly identify the shape of the bubbles in the liquid gas two phase flows. The efficiency and robustness of the approach RLS and FLS are presented in the images of the liquid gas two phase flows and in the image dataset HTZ (FERRARI et al., 2009). The results confirm the good performance of the proposed algorithm (RLS and FLS) and indicate that the approach may be used as an efficient method to validate and/or calibrate the various existing equipment used as meters for two phase flow properties, as well as in other image segmentation problems.

CAPES; CNPQ; FINEP; FA; SETI / Este trabalho tem como objetivo implementar, caracterizar, calibrar e testar um acelerômetro óptico biaxial para o monitoramento de vibrações em máquinas elétricas. São apresentados os métodos convencionais de sensoriamento e sistemas ópticos para a análise de vibrações. O acelerômetro proposto tem como elemento sensor as redes de Bragg em fibra óptica, onde a oscilação da massa inercial provoca a alteração do comprimento de onda de Bragg conforme o deslocamento da base do sensor. O acelerômetro óptico biaxial permite a medição da aceleração em duas direções ortogonais, onde a frequência natural para o eixo x é 747,5 Hz e para o eixo y é 757,5 Hz, podendo assim realizar medições com sensibilidade constante até aproximadamente um terço dessas frequências. A caracterização em resposta em frequência denominado massa dinâmica, foi obtido com os ensaios experimentais utilizando o martelo de impacto e o atuador eletromecânico. Este último ensaio permitiu que o acelerômetro fosse exposto a uma excitação harmônica de 10 Hz a 750 Hz. A comparação da resposta obtida com o acelerômetro piezoelétrico utilizado como referência e o sistema óptico possibilitou obter a curva de sensibilidade em pm por g ao longo da frequência de análise. A análise em frequência está em consonância com a NBR 60034-14 a qual especifica os limites de vibração para máquinas elétricas girantes quando desacopladas de qualquer carga ou acionamento. Os ensaios realizados para validar a resposta do acelerômetro óptico biaxial para o monitoramento das frequências de vibrações em máquinas elétricas, foram desenvolvidos em três momentos. Primeiro foi analisado um grupo-gerador de 500 kVA no Hospital Pequeno Príncipe em Curitiba. Segundo foi utilizado um motor de indução conectado a um inversor de frequência e por último foi analisado um motor de indução operando com o rotor com a barra quebrada, onde foi acoplado um gerador síncrono para prover a carga ao motor. / The means focus of this study is to implement, characterize, calibrate and test of a biaxial optical fiber accelerometer for vibration monitoring in electrical machines. The conventional methods of the sensing as well as the optical systems for analysis of the vibrations are presents. The accelerometer proposed uses fiber Bragg gratings to measure the displacement of the na inertial mass, where cause the change of Bragg wavelength relatively to a displacement of the support base. The biaxial optical accelerometer allows the measurement of the acceleration in two ortogonal directions, where the natural frequency for the x-axis is 747,5 Hz and for y-axis is 757,5 Hz, being able to perform measurements with constant sensitivity up to one third of these frequencies. The characterization in frequency response called dynamic mass was obtained with the experimental tests using the impact hammer and electromechanical actuator. The last test allowed the accelerometer was exposed to a harmonic excitation of the 10 Hz to 750 Hz. The comparison of the response between the optical system and the piezoelectric accelerometer used as reference allowed to get the sensibility in pm by g regarding the analysis of the frequency. The analysis frequency is in line with the NBR 60034-14 wich specifies the limits of the vibration for rotating electrical machines when uncoupled from any load or drive. The tests perfomed to validate the response of the biaxial optical accelerometer for a monitoring of the vibration frequencies in electrical machines were developed in three moments. First it was tested a group-generator, 500 kVA at the Hospital Pequeno Príncipe in Curitiba. Second was used an induction motor connected to a frequency inverter and finally was analyzed na operating induction motor with broken rotor bar where was also used a synchronous generator to provide the load for motor.

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.

ANP; FINEP; MCT; PETROBRAS / Escoamentos multifásicos estão presentes em diversos processos da natureza bem como em atividades industriais como em reatores químicos, plantas de geração de energia, e também na exploração, produção e transporte de petróleo e gás. Na produção de petróleo, é comum encontrar-se escoando pelos dutos, uma mistura que pode conter duas ou mais fases compostas por óleo, gás e água, assumindo diversos padrões de escoamentos com configurações espaciais distintas. Em muitos casos o tipo de escoamento determina a eficiência e segurança dos processos e equipamentos onde ocorrem. Em função disso, várias técnicas já foram desenvolvidas para realizar a investigação experimental de escoamentos em tubulações ou componentes industriais, no entanto, no caso específico do óleo cru, poucas técnicas foram desenvolvidas devido a suas particularidades, como por exemplo, sua alta viscosidade, que em alguns casos impossibilita o uso de técnicas intrusivas, bem como, por ser uma substância isolante eletricamente não é possível o uso de algumas técnicas de medição por impedância. O uso de técnicas ópticas, como por exemplo câmera de vídeo ou sensores ópticos no espectro visível também não pode ser utilizado devido a opacidade natural do petróleo nessa faixa do espectro. No entanto, o uso de técnicas de espectroscopia óptica demonstra ser uma importante técnica para a análise de diversas substâncias devido ao fato do espectro óptico ser único para cada substância, com isso, escolhendo-se um comprimento de onda apropriado, é possível fazer a investigação de uma determinada substância. No caso do óleo cru, ele possui uma alta transparência na faixa do infravermelho médio e distante, o que possibilitaria sua investigação. Juntamente com a espectroscopia óptica, a tomografia óptica é uma importante técnica para a análise de escoamentos bifásicos, por ser não intrusiva e não invasiva, juntamente com uma boa resolução espacial e temporal. Com isso, foram desenvolvidos nesse trabalho dois tomógrafos ópticos na faixa do infravermelho próximo (950 nm) com o intuito de demonstrar a aplicabilidade dessa técnica em escoamentos bifásicos água-ar vertical e horizontal. Também foram realizados diversos testes da transmitância no infravermelho médio (MIR), e testes iniciais de tomografia óptica no petróleo. Os resultados obtidos mostram que essa é uma técnica viável para o desenvolvimento de sensores que possam realizar a investigação de escoamentos que envolvem óleo cru. / Multiphase flows are present in many processes of nature as well as in industrial activities for instance in chemical reactors, power generation plants, as well as in exploration, production and transportation of oil and gas. In oil production, a mixture of two or more phases composed by oil, gas and/or water is commonly found. Such multiphase mixtures stream in pipes and equipment assuming different patterns with different spatial configurations. In numerous situations, flow behavior determines the efficiency and safety of processes and equipment inside which they occur. As a result, various techniques have been developed to investigate multiphase flows. However, in the specific case of crude oil, only a few techniques have been developed and even fewer found use in industrial applications so far. Crude oil is a substance completely opaque in the visible light spectrum. However, optical spectroscopy has proven an important technique for the analysis of several substances due to the fact that the optical spectrum is unique for each substance. In this way, it is possible to investigate different substances by choosing a suitable wavelength. In the case of crude oil, it presents a high transparency in the range of mid and far infrared, which allows for the development of non-invasive measuring techniques. Along with optical spectroscopy, optical tomography has proved an alternative technique for the analysis of flow. Thus, in this work two optical tomograph in the near infrared range (950 nm) were developed in order to demonstrate the feasibility of its use in the investigation of two-phase air-water flows. Several tests of light transmittance through crude oil were conducted in mid-infrared (MIR), as well as initial test of optical tomography in crude oil. The results obtained shown that this is a viable option for flow investigation involving crude oil.