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Localizadores eletrônicos do forame (LEF) estão conquistando cada vez mais espaço na terapia endodôntica para a determinação do comprimento de trabalho (CT). O CT delimita a profundidade que os instrumentos devem alcançar durante o tratamento do canal, e sua correta determinação é um ponto chave para o sucesso da terapia endodôntica. O método radiográfico é tradicionalmente utilizado nessa etapa cirúrgica, mas os métodos eletrônicos têm se mostrado mais rápidos, precisos e seguros. Diversos métodos eletrônicos têm sido propostos e estudos foram publicados com o objetivo de avaliar a exatidão destes aparelhos na determinação do CT. Pesquisas também foram conduzidas com o objetivo de avaliar a impedância entre os eletrodos de teste utilizados pelos LEFs: a lima endodôntica e o eletrodo fixado na membrana mucosa oral. No entanto, a literatura ainda é carente de estudos in vivo da impedância do canal radicular dentário. A presente monografia tenta preencher esta lacuna com a apresentação de resultados de estudos realizados para a avaliação in vivo da impedância do canal radicular dentário. Os resultados obtidos nestes estudos foram usados para modelar a resposta em frequência da impedância do canal da raiz do dente e para encontrar circuitos equivalentes que representem a inclinação desta resposta em escala logarítmica. Eles também serviram de base para o desenvolvimento de um LEF inovador baseado em um novo parâmetro de medida, o qual foi denominado coeficiente da atenuação espectral da impedância do canal radicular dentário. O protótipo desenvolvido para os experimentos in vivo possibilitou ainda a realização de um estudo inédito sobre o método da razão, que é uma das técnicas eletrônicas utilizada para a localização do forame apical. Electronic foramen locators are becoming more popular in the endodontic therapy for the determination of the working length. The working length delimits the deepest point in the root canal that instruments may reach during root canal treatment, and its accurate determination is a key factor for the success of endodontic therapy. The radiographic method is traditionally used in this surgical step, but electronic methods have proved to be faster, more precise and safer. Several electronic methods have been proposed and studies assessing the accuracy of these devices were published. The evaluation of the impedance between the two test probes used by the electronic devices, the endodontic file and the hook shape electrode that is attached to the oral mucosa membrane, has also been the subject of several studies. However, there is a lack of in vivo evaluations of the root canal impedance in the literature. The present work tries to fulfill this gap with in vivo investigative studies of the root canal impedance. The results of these studies were used to model the frequency response of the root canal impedance and to find equivalent circuits that represent the inclination of the frequency response in logarithmic scale. They were also employed in the development of an innovative electronic foramen locator based on the spectral attenuation coefficient of the root canal impedance. With the prototype used in the in vivo characterization of the root canal impedance, another study was conducted to assess the ratio method, which is one of the electronic techniques used to locate the apical foramen.

A busca por novas tecnologias para tornar os sistemas de automação de subestações (SAS) mais eficientes é contínua. A norma IEC 61850 têm garantido a melhoria contínua da gestão do sistema de potência em diferentes níveis. A parte 9-2 da norma define o perfil do protocolo Sampled Values (SV) e com ele surge a possibilidade da substituição do método de medição convencional, baseado em cabos de cobre, por uma rede Ethernet chamado de Process Bus (PB). A implementação do PB não depende apenas da mudança da instrumentação convencional do pátio, mas também da adaptação da arquitetura dos dispositivos eletrônicos inteligentes ao novo tipo de entrada de dados. Esta pesquisa tem como objetivo a investigação dos efeitos da implementação do PB sobre o desempenho dos relés de proteção, como, por exemplo, os efeitos sobre a amplitude, o espectro de frequência e defasamento angular dos sinais medidos. Foram apresentados, ainda, os aspectos que devem ser considerados durante o processo de engenharia e de projeto de soluções PB de acordo com o guia de aplicação IEC61850-9-2LE e a norma IEC61869-9. As investigações foram realizadas utilizando uma arquitetura de teste laboratorial composta por um relé convencional de distância e dois relés PB do mesmo modelo. Quanto à sincronização de tempo, os dispositivos foram sincronizados via protocolo IEEE1588 (PTP) para garantir a precisão do tempo necessária. Os estudos de caso realizados incluem a simulação de uma linha de transmissão, sob condição de falta no software ATPDraw, dados coletos em campo, como, a curva de inrush de um transformador de média tensão e os tempos de atuação de uma proteção de distância. A principal contribuição desta pesquisa é, apresentar o efeito de reamostragem do sinal SV, que não é considerado pelas normas de PB, os relés PB apresentam um sinal de entrada deslocado em comparação ao relé convencional o que impacta nas análises e detecção de falhas, principalmente em sistemas mistos. O tempo final de atuação da proteção é aumentado em aproximadamente 9 ms devido ao atraso da rede e o metodo de processamento do relé de PB. Esse atraso precisa ser considerado nos estudos de proteção antes da implementação. Caso contrário, pode resultar em um impacto significativo na coordenação, seletividade e ciclo de vida dos ativos. The pursuit for new technologies to make the substation automation systems (SAS) more efficient is continuous. The IEC 61850 standards have ensured the continuous improvement of the power system management at different levels, the part 9-2 of the standard defines the sampled values protocol’s profile and joint with it the possibility of the replacement of the conventional measurement method by an ethernet-based system called process bus. The implementation of the process bus relies not only on changing the conventional switchyard instrumentation but the adaptation of the intelligent electronic device’s architecture to the new kind of data input. This research focuses on the investigation of the effects of the PB implementation over the protection relays performance such as increasing trip time, measurement, and possible phase shift. This research presents aspects that must be considered through the engineering process and design, considering when using PB according to IEC61850- 9-2LE and IEC61869-9. The investigations were performed using a test architecture composed of a distance conventional relay and two PB relays of the same model, regarding time synchronization, the devices were synchronized via IEEE1588 (PTP) protocol to guarantee the time accuracy needed. The carried-out study cases include simulation of a transmission line under fault using the ATPDraw software, data collected in the field, such as the inrush curve of a medium voltage transformer and the trip times of a line distance protection. The two PB relays presented similar results during the tests. This work has as major contributions, to present the resampling effect of the SV signal that is not considered by the PB standards, the PB relays present a time shift in the input signal compared to the conventional relay, which impacts analysis and failure detection, especially in mixed systems. The final trip time is increased by approximately 9 ms due to network delay, this delay needs to be considered in protection studies before implementation. Otherwise, it can result in a significant impact on the coordination, selectivity, and lifecycle of assets.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta estudos sobre a identificação de vibrações mecânicas e temperatura originadas no núcleo de ferro de um transformador trifásico à seco. Diferentes componentes de frequência podem gerar perdas e danos por meio de vibrações mecânicas. A perda de isolamento provoca falhas como curtos-circuitos, que acabam gerando prejuízos às concessionárias de energia e principalmente aos consumidores finais. Diferentemente dos sensores elétricos comerciais, que são acoplados na carcaça externa do transformador, esse estudo propõe a aplicação de redes de Bragg em fibra ótica (FBG) como elementos sensores aplicados diretamente ao núcleo, monitorando de forma simultânea vibração e temperatura. Também comparados aos sensores elétricos tradicionais (strain gages), os sensores FBGs não sofrem interferência eletromagnética, podendo ser aplicados internamente ao transformador sem atenuações do sinal ótico. Além disso, monitora a vibração diretamente na principal fonte causadora, que é o núcleo de ferro. Como o sensor fica exposto a um ambiente hostil, um dispositivo em compósito reforçado de fibra de carbono foi projetado para proteger a fibra ótica. Os sensores óticos foram revestidos pelo compósito, que também tem a função de melhorar a sensibilidade à deformação do sensor. A geometria da peça tem um formato de mola que garante esse aumento na sensibilidade em aproximadamente 12,3 % para a componente de frequência fundamental mecânica de 120 Hz. Para a medição da temperatura e vibração foram utilizados dois sensores multiplexados com comprimentos de onda diferentes. A compensação da temperatura do sensor de deformação também foi realizada. Ensaios elétricos em um transformador trifásico à seco de 3 kVA foram realizados com diferentes tipos de cargas elétricas. A Função da Resposta em Frequência (FRF) foi utilizada para apresentação dos resultados de deformação e comparação das FRFs de sensores colados livremente no núcleo com os sensores embebidos em fibra de carbono. O dispositivo de engate rápido, nos testes experimentais, obteve uma relação média de incremento de sensibilidade de 32 % em relação ao sensor não encapsulado. Dessa forma, mostrou-se viável a aplicação direta no núcleo de ferro de transformadores trifásicos à seco. This work presents studies on the identification of mechanical vibrations and temperature originating in the iron core of a three-phase dry transformer. Different frequency components can generate losses and damages through mechanical vibrations. The loss of insulation causes major failures such as short circuits, which end up generating losses to energy concessionary and mainly to final consumers. Unlike commercial electrical sensors, which are attached to the transformer’s external housing, this study proposes the application of Bragg gratings in optical fiber (FBG) as sensor elements applied directly to the core, simultaneously monitoring dynamic vibration and temperature. Also compared to traditional electrical sensors (strain gages), FBGs sensors do not suffer electromagnetic interference, and can be applied internally to the transformer without optical signal attenuation. In addition, it monitors vibration directly at the main causative source, which is the iron core. As the sensor is exposed to a hostile environment, a carbon fiber reinforced composite device is designed to protect the optical fiber. The optical sensors were coated by the composite, which also has the function of improving the sensitivity to dynamic deformation of the sensor. The part geometry has a spring shape that guarantees this increase in sensitivity by approximately 12.3 % for the 120 Hz mechanical fundamental frequency component. For the measurement of temperature and vibration, two multiplexed sensors with different wavelengths were used. The temperature compensation of the strain sensor was also performed. Electrical tests on a 3 kVA three-phase dry transformer were carried out with different types of electrical loads. The Frequency Response Function (FRF) was used to present the dynamic deformation results and compare the FRFs of sensors glued freely to the core with the embedded sensors. The quick coupling device, in the experimental tests, obtained an average sensitivity increase ratio of 32 % in relation to the non-encapsulated sensor. Thus, direct application to the iron core of three-phase dry transformers was shown to be feasible.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Escoamentos multifásicos são encontrados em diversos processos industriais, como nos processos de produção de petróleo nos quais óleo, água e gás escoam em tubulações. O conhecimento de parâmetros do escoamento, como fração de fases, distribuição de fases e vazão multifásica, é importante para o monitoramento e controle dos processos onde os escoamentos ocorrem. Nesse sentido, diferentes técnicas foram desenvolvidas e testadas no passado. A maioria delas não é aplicada universalmente, mas sim em condições específicas de operação em que são necessários inúmeros procedimentos de calibração ou ajuste. Portanto, o desenvolvimento ou aprimoramento de técnicas de medida para atender diferentes condições de operação é de fundamental importância. Assim, o objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de um medidor de vazão multifásico em linha, não radioativo, simples e com alta resolução temporal. Para a obtenção da vazão individual de fases é necessário estimar a fração volumétrica e a velocidade individual das fases em um escoamento. Para isso diferentes técnicas de medidas precisam ser combinadas em um medidor. Inicialmente foi desenvolvido e validado um sensor capacitivo twin-plane para medir fração de fase em escoamentos gás-líquido. O sensor também é capaz de gerar imagens diretas do escoamento, isto é, imagens da distribuição das fases podem ser geradas sem o uso de algoritmos de reconstrução. Além disso, a geometria gêmea (twin-plane) permite estimar o tempo de trânsito de estruturas de fluxo por meio de sinais de correlação cruzada dos sensores gêmeos. O sensor foi avaliado, em condições estáticas e dinâmicas, comparando seus resultados com medidas de referência e valores simulados. Um segundo sistema foi proposto para estimar as frações de fases e a distribuição de fases em fluxos trifásicos gás-líquido-líquido compostos por um meio altamente condutor de corrente elétrica (como ocorre na produção de petróleo com água de produção). O sistema é baseado em uma nova topologia do difundido sensor wire-mesh. Medições foram realizadas em condições estáticas e dinâmicas de misturas estratificadas e de dispersões água-em-óleo. Ambos os sensores de impedância mencionados acima são capazes de realizar medições com altas taxas de aquisição, sendo que o primeiro tem a vantagem de ser não intrusivo e o último de ter uma melhor resolução espacial. O último sistema proposto (objetivo principal do trabalho) é um medidor de vazão para escoamentos gás-líquido que combina informações do sensor capacitivo e de um tubo de Venturi. A vazão individual das fases é calculada por meio de técnicas de processamento de dados e aproximações algébricas. O medidor proposto não necessita do conhecimento prévio do título do escoamento, nem da obtenção de parâmetros a partir de simulações ou a partir de um banco de dados extenso - como comumente ocorre em diferentes protótipos e sistemas comerciais. O sistema desenvolvido foi validado em uma bancada horizontal para diferentes combinações de vazões de gás e líquido. As principais contribuições deste trabalho para o campo de aplicação é o desenvolvimento e combinação de sensores, que aliados às técnicas de processamento de dados, permitem estimar parâmetros do escoamento. Os resultados bastante promissores podem encorajar, em trabalhos futuros, a expansão do medidor de vazão para escoamentos trifásicos - com a ajuda da nova topologia wire-mesh - e para aplicações industriais. Multiphase flows are present in several areas of industry, such as in petroleum production in which oil, gas and water flow through pipelines. The knowledge of flow parameters – e.g. phase fractions, phase distribution and flow rate – is essential to monitor and control the processes where multiphase flow occur. Several measuring techniques have been developed and tested over the last years. Most of them cannot be applied universally but only in specific operation conditions requiring repeated calibration or adjustment procedures. Therefore, the development and improvement of measurement techniques applied in different operational conditions are of great importance. In this context, the main objective of this work is the development of an inline gas-liquid flow rate meter, non-radioactive, simple (to develop and install in the test facility) and presenting a high temporal resolution. The estimation of the flow rate of individual phases requires the measurement of volumetric fractions and velocities of the phases in a flow. Thus, different sensors have to be combined in a single device. Initially, we developed and evaluated a twin plane capacitive sensor to measure phase fraction in gas-liquid flows. The sensor is also capable of generating direct images of the flow, i.e., images of phase distribution can be generated without the use of reconstruction algorithms. Additionally, the twin geometry allows the estimation of the transit time of flow structures by cross-correlating signals of the twin sensors. We have evaluated the sensor in static and dynamic conditions by comparing the results with reference measurements and simulated values. A second system was proposed to estimate phase fractions and phase distribution in three-phase gas-liquid-liquid flows composed by a high conductive media (as commonly found in petroleum production with produced water). The system is based on a new topology of the well-established wire-mesh sensor. We performed measurements in static and dynamic conditions of stratified mixtures and of water-in-oil dispersions. Both impedance sensors can perform measurements at high acquisition rates. The twin-plane capacitive sensor has the advantage of being non-intrusive, whereas the novel wire-mesh sensor has a better spatial resolution. The last (and the main objective of this thesis) proposed system is a gas-liquid flow rate meter which combines information of the twin plane capacitive sensor and a Venturi meter. The flow rate of individual phases is calculated using data processing techniques and algebraic approximations. Here it is not required the previous knowledge of gas quality neither obtaining parameters from simulations or an extensive database – as commonly occurs in current commercial or prototype systems. The developed flow meter was tested in a horizontal flow loop for different combinations of gas and liquid flow rates. The main contributions of this work to the field of application is the development and combination of sensors, which allied to data processing techniques allows the estimation of flow parameters. The good results may encourage, in future works, the expansion of the flow rate meter to three-phase mixtures - by the aid of the new wire-mesh topology – and to industrial applications.

Os sons cardíacos carregam informações sobre a saúde das estruturas cardíacas e sobre a dinâmica da circulação sanguínea. A auscultação é a atividade dedicada à análise dos sons produzidos espontaneamente pelos órgãos — inclusive os sons cardíacos. Embora seja importante para detecção precoce de doenças e para o aprimoramento do emprego de recursos na área da saúde, tanto humana quanto animal, a prática da auscultação ainda é largamente subjetiva e dependente de fatores como experiência, técnica e habilidade auditiva do profissional, bem como de ruídos ambientais e de fricção. O presente trabalho representa um esforço no sentido de incrementar o ferramental para prática de medicina veterinária ao propor um novo método para estimar automaticamente o grau de sopro cardíaco canino numa escala de 0 a 6 a partir de uma gravação de sons cardíacos com marcação dos principais batimentos cardíacos. Tal método inclui a geração de features a partir dessa gravação (através de algoritmos especialmente adaptados) e o uso de técnicas de aprendizado de máquina para efetuar a estimativa. O método proposto foi desenvolvido a partir de um conjunto de gravações de 56 pacientes, tendo cada um dos quais 9 ciclos cardíacos processados. Das 4032 linhas de dados resultantes do estudo, apenas 0,35% delas não puderam ter o grau de sopro corretamente estimado. Uma análise do perfil de erro permitiu concluir que a estimativa e o grau real do paciente nunca atingem uma diferença de 2 graus ou mais, e que técnicas podem ser pesquisadas para reduzir o erro ou para aumentar a capacidade de generalização do método desenvolvido. Heart sounds carry information about the health of heart structures and about the dynamics of blood circulation. Auscultation is the activity dedicated to the analysis of sounds produced spontaneously by organs — which includes heart sounds. Despite being important to detect diseases early and to improve the use of resources in the health sector, both human and animal, the practice of auscultation is still largely subjective and dependent on factors such as experience, technique and auditory ability of the professional, as well as environmental noise and friction. The present work represents an effort to increase tooling for veterinary medicine practice by proposing a new method to automatically estimate the degree of canine heart murmur on a scale of 0 to 6 from a record of heart sounds marked with the position of the main heartbeats. The method includes the generation of features from this record (through specially adapted algorithms) and the use of machine learning techniques to make the estimation. The proposed method was developed from a set of records of 56 patients, each of which had 9 heart cycles processed. Of the 4032 rows of data resulting from the study, only 0.35% of them could not have the degree of murmur adequately estimated. An analysis of the error profile allows one to conclude that the estimated and the actual degree of murmur of the patient never reach a difference of 2 degrees or more, and that further techniques can be researched to reduce the error even more or to increase the generalization capacity of the developed method.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Os sensores baseados em redes de Bragg em fibras ópticas (FBG) podem ter aplicações significativas na área de biomecânica, devido a suas características de alta sensibilidade aos esforços mecânicos, baixo peso, facilidade de multiplexação dos sensores, e imunidade a interferência eletromagnética. O sensor possui também alta integração com materiais compósitos de matriz polimérica epoxídica. A perspectiva de fabricação de próteses de fibra de carbono com este sensor pode permitir o monitoramento em tempo real de usuário de prótese. Esse sistema pode favorecer o melhor ajuste da prótese ao corpo, antecipando disfunções e prevenindo futuras lesões, principalmente em quadris e coluna. Este trabalho descreve os aspectos construtivos, e as análises do estudo de caracterização de uma prótese em fibra de carbono para pé instrumentada com sensores FBG comerciais. São analisados 9 sensores dispostos em forma de matriz 3 x 3 nos planos coronal e sagital. Dessa maneira a malha de sensores compreende da região anterior à posterior e da região medial à lateral. São apresentadas respostas dos sensores a marchas a velocidades de 1,5 km/h e 3,5 km/h, com adaptação para usuário não-amputado. É discutida e demonstrada a relação da resposta dos sensores com as fases da marcha, em toda sua fase de apoio. Também são descritos ensaios térmicos, para análise de formação de chirp em FBG´s durante o processo de cura do material compósito, que mostraram alargamento máximo de 20% e média de 15% do espectro. Este trabalho valida o conceito de aplicação de sensores FBG em próteses de fibra de carbono para pé, possibilitando novas abordagens em estudos aplicados à melhoria de próteses com detecções de inadequação de marcha em ambiente externo a consultórios. The sensors based on optical fibers Bragg gratings have significant applications in the area of biomechanics, due to its characteristics of high sensitivity to mechanical stresses, lightness, ease of multiplexing of sensors, and immunity to electromagnetic interference. The sensor also has high integration with composites of epoxy polymer matrix. The prospect of fabrication of carbon fiber prostheses with this sensor can enable real-time monitoring of prosthesis user. This system can favor the best fit the prosthesis to body, anticipating dysfunctions and preventing future injuries, especially in hips and spine. This work describes the constructive aspects, and the analyzes of the characterization study of a foot carbon fiber prosthesis instrumented with commercial FBG sensors. It is analyzed 9 sensors arranged in the form of a 3 x 3 matrix in the coronal and sagittal planes. In this way the sensors mesh comprises the anterior to posterior region and the medial to lateral region. Responses of the sensors to the gait are presented at speeds of 1.5 km/h and 3.5 km/h, with adaptation for non-amputated user. The relationship between the response of the sensors and the phases of the gait during the entire support phase is discussed and demonstrated. Thermal tests are also described for the analysis of FBG's chirp formation during the curing process of the composite material, which showed a maximum enlargement of 20% and a mean of 15% of the spectrum. This work validates the concept of FBG sensors application in carbon fiber foot prostheses, allowing new approaches in studies applied to the improvement of prostheses with detections of gait inadequacy outside clinic environments.

Agência Nacional do Petróleo (ANP) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) Petróleo Brasileiro (Petrobrás) Este trabalho desenvolve uma técnica para dimensionamento de trincas localizadas no interior de peças metálicas a partir de sinais ultrassônicos gerados por um transdutor phased array (PA). A técnica de dimensionamento faz uso da matriz de espalhamento, da qual pode ser extraída a resposta pulso-eco da descontinuidade. Através de um modelo matemático baseado na aproximação de Born para a amplitude de espalhamento é possível retirar informações valiosas sobre o comportamento da matriz de espalhamento de acordo com os parâmetros da descontinuidade. Por meio da resposta pulso-eco é possível extrair expressões do comprimento e da orientação da descontinuidade. Essas expressões não são aplicáveis em todos os casos, o que requer uma nova abordagem para o dimensionamento de descontinuidades. A nova abordagem proposta nesta dissertação faz uso de uma função custo que avalia as matrizes de espalhamento proveniente de dados experimentais em comparação com as provenientes do modelo matemático através da aproximação de Born. O algoritmo de dimensionamento desenvolvido é testado e validado a partir de dados proveniente de simulações e mostra resultados satisfatórios para descontinuidades pequenas, perdendo desempenho à medida que o comprimento da descontinuidade aumenta. This work presents a sizing method for inner metal bodies flaws, through ultrasonic A-scan signals generated by a phased array probe. The sizing technique makes use of the scattering matrix, from which the flaw pulse-echo response can be extracted. A mathematical model based on Born approximation is developed to analyze and extract valuable information about the scattering matrix related to the flaw. From the scattering matrix, the flaws pulse-echo response is obtained, which can be used to equate expressions for the flaw size and orientation. These expressions are not useful for all situations. Thus a new approach is developed for flaw sizing in the present work. This new approach uses the scattering matrices from experimental data as well as from the mathematical model by Born approximation. These scattering matrices are applied on a cost function to assess the minimum cost for a range of flaw length and frequencies. In this work, the sizing method is tested and validated on simulated data, providing good results for small flaws. However, the algorithm's performance decreases as the flaw size increases.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) Fundação de Apoio à Educação, Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (FUNTEF-PR) Petróleo Brasileiro (Petrobrás) A presente Tese de Doutorado aborda o desenvolvimento e aplicação de duas técnicas ópticas distintas. A primeira técnica tem como objetivo o mapeamento, em duas dimensões, de grandes superfícies (175 x 175 mm), utilizando novo método para cálculo de ângulo de contato que utiliza imagens da vista superior. As medições de ângulo de contato através da vista superior são validadas mostrando-se tão confiáveis quanto métodos tradicionais de medição através da vista lateral. Uma série de amostras, incluindo materiais industrialmente relevantes para coberturas de construções e impressão, são analisadas e os resultados comparados com outros métodos apresentados e a literatura. O mapeamento de superfícies é realizado analisando superfícies diversas como: pastilha de silício recoberta com nanopartículas de prata e papel Aspen (impresso em preto com impressora a laser). O potencial da análise forense e/ou química é demonstrado ao se revelar regiões da superfície do papel Aspen contaminadas e não contaminadas por óleo mineral. O método promete ser uma solução viável para a caracterização em nano escala e o monitoramento industrial, bem como análises químicas, permitindo medições de ângulo de contato rápidas em grandes áreas ou grandes números de amostras, o que não é possível de ser realizado com as técnicas tradicionais apresentadas. Além da possibilidade da sua utilização embarcada em dispositivos eletrônicos móveis e/ou autônomos. A segunda técnica possui como objetivo a elaboração de sensor óptico distribuído para monitoramento acústico – DAS. O sistema utiliza a topologia φ-OTDR e laser com largura de banda de ~2 kHz e comprimento de coerência de ~50 km. A alta coerência do laser propicia a geração do efeito do ruído Rayleigh coerente (CRN) o que colabora para a detecção acústica. É desenvolvida metodologia de processamento para a detecção de frequências e perturbações no DAS. A metodologia de processamento do DAS é confirmada através de testes como a detecção das frequências naturais de oscilação em uma fibra óptica bi-engastada. Testes em campo são apresentados detectando a presença de um cavalo andando sobre pista equestre instrumentada. Por fim é apresentado o “microfone óptico” com o qual é possível reconstruir o áudio e o espectro das vogais “a e i o u”. This PhD thesis describes the development and application of two different optical techniques. The first technique aims the at two-dimensional mapping of large surfaces (175 x 175) mm, using a new method for contact angle calculation named Top-Down Method. The contact angles measurements by Top-Down method have been validated and confirmed to be as good as traditional side-based measurements. A range of samples, including industrially relevant materials for roofing and printing, has been analyzed and the results compared to other introduced methods and literature. The surface mapping is performed by analyzing several surfaces such as: silicon wafer coated with silver nanoparticles (Ag) and Aspen paper printed. The potential of forensic and chemical analysis is shown to reveal regions of the surface of the printed paper Aspen black with a laser printer contaminated and non-contaminated by mineral oil. The method promises to be a viable solution for nanoscale characterization and industrial monitoring as well as chemical analyses by allowing rapid contact angle measurements over large areas or large numbers of samples in ways and times that have not been possible before. Besides the possibility of its use in embedded mobile and/or stand-alone electronic devices. The second technique has as objective the elaboration of a distributed optical sensor for acoustic monitoring – DAS. The system uses the φ-OTDR topology and a laser with ~2 kHz bandwidth and coherence length of 48 km. The high coherence of the laser allows the generation of coherent Rayleigh noise (CRN), which contributes to acoustic detection. On this thesis, is developed the processing methodology for the detection of frequencies and disturbances in DAS. The DAS processing methodology is confirmed by tests such as the detection of natural oscillation frequencies in a fixed optical fiber. Field tests are presented detecting the presence of a horse walking on an instrumented equestrian track. Finalizing the tests, is made "optical microphone" where it is possible to reconstruct the speech of the vowels "a e i o u".

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Secretaria da Ciência, Tecnologia e Ensino Superior (SETI) Monitoramento da vazão de fluidos é essencial em processos industriais. Métodos de medição de vazão volumétrica tradicionais não são viáveis em algumas aplicações, como, por exemplo, em ambientes sujeitos a explosões ou sujeitos a campos eletromagnéticos intensos. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um transdutor a fibra ótica para medição de escoamento em tubulações industriais. A força criada pelo fluido em deslocamento resulta na deformação do cantilever tubular, no interior do qual estão coladas quatro fibras óticas, duas como elemento sensor, utilizando redes de Bragg, e duas para garantir o correto posicionamento das redes. A vazão é obtida monitorando a diferença dos dois comprimentos de onda de cada FBG, o que corrige também o problema da sensibilidade cruzada de temperatura e de deformação dos sensores. Além disso, o uso de abraçadeiras agrega outro ponto forte ao sensor, pois permite a fácil instalação e manutenção em tubulações industriais. Foram realizados ensaios estáticos e dinâmicos a fim de calibrar e validar o transdutor. A maior sensibilidade na calibração dinâmica do Transdutor 1 é de 14,7 pm⁄mh³ ± 2,9 pm(t95% = 2,0) e do Transdutor 2 de 19,2 pm⁄mh³ ± 4,5 pm(t95% = 2,0). Para a calibração estática, a maior sensibilidade do Transdutor 1 é de 2,34 nm⁄N ± 31 pm(t95% = 2,1) e do Transdutor 2 de 3,2 nm⁄N ± 35 pm(t95% = 2,1). A diferença de sensibilidade entre os transdutores deve-se à rotação da sonda do Transdutor 1 durante o período de secagem da cola epóxi. O transdutor foi capaz de medir vazão na faixa de 0,5 m³⁄h a 6,0 m³⁄h, além de caracterizar escoamento gás-liquido. Diversas são as vantagens de utilizar fibras óticas como sensores de vazão e o desenvolvimento de dispositivos robustos permite sua utilização em ambientes agressivos como os industriais. Fluid flow monitoring is essential in industrial processes. Volumetric flow measurement methods are not feasible in some applications, such as in environments subject to explosions or subject to intense electromagnetic fields. The present work shows the development of an optical fiber transducer for flow measurement in industrial pipes. The force created by the displacing fluid results in the tubular cantilever deformation, within which are adhered four optical fibers, two as a sensor element using Fiber Bragg Grating and two to ensure the optimal geometrical positioning of FBGs. The flow rate is obtained by monitoring the two wavelengths difference of each FBG, which also corrects the cross sensitivity trouble of sensor temperature and strain. Furthermore, the use of clamps adds another strong point to the sensor as it allows easy installation and maintenance on industrial pipes. Static and dynamic tests were performed for transducer calibration and validation. The highest sensitivity in Transducer 1 dynamic calibration is 14,7 pm⁄mh³ ± 2,9 pm(t95% = 2,0) and Transducer 2, 19,2 pm⁄mh³ ± 4,5 pm(t95% = 2,0). For the static calibration the Transducer 1 highest sensitivity is 2,34 nm⁄N ± 31 pm(t95% = 2,1) and Transducer 2, 3,2 nm⁄N ± 35 pm(t95% = 2,1). The difference in sensitivity between the transducers is due to the rotation to the probe of Transducer 1 during the drying period of the epoxy adhesive.The transducer was able to measure flow rate in the range of 0,5 m³⁄h to 6,0 m³⁄h. Furthermore, the gas-liquid flow. There are several advantages of using optical fibers such as flow rate sensors and the development of robust devices allows them to be used in an aggressive industrial environments.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Neste trabalho apresenta-se o projeto e a construção de um protótipo de câmara escura para o estudo e a realização de experiências baseadas nas emissões ultrafracas de fótons provenientes de amostras biológicas que tem demonstrado ser um campo promissor de pesquisas em áreas como a agricultura, meio ambiente e biomedicina, cujos estudos das fotoemissões vêm demonstrando ser uma forma eficiente para indicar as condições ambientais através da análise das amostras biológicas, tornando-se uma alternativa de análise de baixo custo e diagnóstico não invasivo. O desenvolvimento mecânico da câmara para fácil operação, com dimensões suficientes para comportar uma placa de Petri em seu interior, integração de um sistema de estimulação luminosa utilizando anel iluminador com fibra óptica e fonte luminosa externa, montagem de um sistema de suporte móvel para seleção de até sete filtros ópticos de quartzo para fazer análise espectral acionado através de um motor de passo e controlado por um micro controlador AVR recebendo e enviando comandos através de interface serial/USB para um computador pessoal. O sistema utiliza instrumentação virtual em LabVIEW e integrado com o módulo de aquisição de dados myDAQ da NI, permitindo a integração entre os diversos equipamentos diferentes. Montagem de um sistema de aquecimento e resfriamento do módulo PMT na câmara para manter as amostras biológicas a temperaturas fisiológicas e diminuir a temperatura do módulo PMT respectivamente. In this work it is present the design and construction of a dark chamber for the study and the realization of experiments based on the ultra-low emission of photons from biological samples that has been shown to be a promising field of research in areas such as agriculture, environment and biomedicine, whose studies of photo emissions have been proving to be an efficient way to indicate the environmental conditions through the analysis of the biological samples, becoming an alternative of low cost analysis and noninvasive diagnosis. The mechanical development of the chamber for easy operation, with dimensions sufficient to accommodate a petri dish inside, integration of a light stimulation system using illuminator ring with fiber optic and external light source, assembly of a mobile support system for selection of up to seven quartz optical filters to perform spectral analysis triggered by a stepper motor and controlled by an AVR microcontroller receiving and sending commands via serial/USB interface to a personal computer. The system uses virtual instrumentation in LabVIEW and is integrated with NI data acquisition module myDAQ, allowing integration between the different devices. Assembling a heating and cooling system of the PMT module in the chamber to maintain the biological samples at physiological temperatures and decrease the temperature of the PMT module respectively.

CAPES O presente trabalho tem por objetivo apresentar uma nova técnica de instrumentação para estudo dos diferentes tipos de andaduras realizadas por equinos, utilizando sistemas baseados na tecnologia de sensoriamento ótico quase-distribuído, redes de Bragg em fibra ótica-FBG. Essa técnica poderá ser usada como ferramenta auxiliar de diagnóstico precoce de lesões relacionadas ao sistema locomotor do cavalo, principalmente na porção distal do dígito, uma das causas mais comuns de aposentadoria destes quando atletas. São apresentadas, portanto, duas técnicas de instrumentação in vivo: a primeira t´técnica consiste na fixação de FBGs sem encapsulamento, diretamente na parede dorsal do casco em cada um dos membros de três cavalos atletas em treinamento; a segunda técnica apresentada ´e o desenvolvimento de um protótipo sensor com formato de ferradura encapsulado em material compósito reforçado com fibra de carbono, este método foi utilizado na instrumentação de dois equinos também em fase de treinamento. O primeiro método permite avaliar o comportamento do casco em diferentes fases da passada, durante as andaduras passo e trote. A segunda técnica, com o elemento sensor encapsulado, permite avaliar diferentes tipos de andadura, como passo, trote e galope sob condições de treinamento. Estas duas técnicas de instrumentação, utilizando sensores FBGs, se mostram promissoras para o estudo clínico e biomecânico de equinos, em avaliações m´médicas ou até mesmo durante treinamentos ou competições. The main goal of this paper is to study the viability of the application of the system based on the optic sensing almost distribute (Fiber Bragg Gratings-FBG) technology, to study different kinds of equine gaits and how it is a possible helpful tool to early diagnose of injuries related to the locomotor system of the horse, mainly the distal part of the digit, which is one of the most common reasons for retire of athlete horses. Two different technics are presented in vivo: The first one consists in the attachment of the FBGs without encapsulation, directly on the wall of the hoof of each member of three athlete horses during training; the second technic presented, is the development of a prototype sensor with the same form of a horse shoe, encapsulated in a composite material reinforced with Carbon Fiber, this method was used in two horses during training as well. The first method allowed evaluate the behavior of the hoof in different phases of the horse gaits, such as walk and trot. The second technic, with the sensor element now encapsulated, allowed to evaluate different types of equine gaits, like walk, trot and run under training conditions. Both of the instrumentation using FGBs sensors technics were considered promising to clinical and biomechanics equine study in the medical evaluations or even during training or competition.

Escoamentos bifásicos do tipo gás-líquido são encontrados em diversas aplicações. Na indústria petrolífera esses escoamentos são comumente encontrados em tubulações, como por exemplo, na extração e processamento de óleo e gás. No passado, diversos estudos foram realizados para investigar escoamentos bifásicos sobre condições controladas em pequenas e médias plantas de teste, onde os fluidos utilizados são frequentemente água e gás. Esses estudos dão suporte para o desenvolvimento de modelos de escoamento e correlações de engenharia. Nesse trabalho é descrito um sistema de aquisição e gerenciamento de dados experimentais, que possui 4 sensores distribuídos (expansível para até 32) conectados através de um barramento CAN (Controller Area Network). O sistema de gerenciamento foi desenvolvido utilizando tecnologias web, permitindo conexões simultâneas e acesso remoto através do navegador, provendo uma plataforma completa para aquisição, armazenamento, e compartilhamento de dados experimentais. O princípio de funcionamento dos sensores é baseado na medição da variação da condutividade elétrica do meio, permitindo diferenciar as fases líquida e gasosa num escoamento bifásico água-ar. Os sensores resistivos possuem baixo custo de fabricação, são minimamente invasivos, e possuem alta resolução temporal (2 kHz). O protocolo CAN foi escolhido por cobrir grandes distâncias, ter alta velocidade de transferência e baixo custo de implementação. Todos os dados experimentais coletados são armazenados em um banco de dados centralizado, permitindo visualização e acesso de qualquer computador que tenha acesso ao sistema. Resultados iniciais constataram o potencial da plataforma como um sistema flexível e confiável para investigação de escoamentos e gerenciamento de dados experimentais. Two-phase gas-liquid flows are found in many industrial applications. In the petroleum industry, two phase flow are usually encountered confined to pipes, for instance, in oil and gas extraction and processing. In the past, several studies have been performed to investigate two-phase flows under controlled conditions at small and medium scale test facilities, whereas working fluids are often water and air. Such studies support the development of flow models and engineering correlations. In this work, a data acquisition and management system is introduced, in which 4 distributed sensors (expansible to up 32 sensors) are connected through a CAN bus. The data management system was developed using web technologies, allowing multiple simultaneous connections, providing a complete platform to acquire, store, visualize and share experimental data. The sensors’ operating principle is based on measurement of electrical conductivity of flowing media in order to distinguish liquid and gaseous phase in a two-phase air-water flow. The resistive sensors are low cost, minimally invasive, and have high temporal resolution (2 kHz). CAN bus protocol was chosen due to its robustness and possibility to cover long distances at high data transfer. All collected data are stored in a centralized database, allowing online visualization, and access to experimental data from external network. Initial results have shown the potential of the proposed platform as a flexible and reliable system for two-phase flow investigation and the associated data management.

CAPES Pesquisadores têm concentrado esforços, nos últimos 20 anos, aplicando a transformada wavelet no processamento, filtragem, reconhecimento de padrões e na classificação de sinais biomédicos, especificamente em sinais de eletroencefalografia (EEG) contendo eventos característicos da epilepsia, as espículas. Várias famílias de wavelets-mães foram utilizadas, mas sem um consenso sobre qual wavelet-mãe é a mais adequada para essa finalidade. Os sinais utilizados apresentam uma gama muito grande de eventos e não possuem características padronizadas. A literatura relata sinais de EEG amostrados entre 100 a 600 Hz, com espículas variando de 20 a 200 ms. Nesse estudo foram utilizadas 98 wavelets. Os sinais de EEG foram amostrados de 200 a 1 kHz. Um neurologista marcou um conjunto de 494 espículas e um conjunto de 1500 eventos não-espícula. Esse estudo inicia avaliando a quantidade de decomposições wavelets necessárias para a detecção de espículas, seguido pela análise detalhada do uso combinado de wavelets-mães de uma mesma família e entre famílias. Na sequência é analisada a influência de descritores e o uso combinado na detecção de espículas. A análise dos resultados desses estudos indica que é mais adequado utilizar um conjunto de wavelets-mães, com vários níveis de decomposição e com vários descritores, ao invés de utilizar uma única wavelet-mãe ou um descritor específico para a detecção de espículas. A seleção desse conjunto de wavelets, de níveis de decomposição e de descritores permite obter níveis de detecção elevados conforme a carga computacional que se deseje ou a plataforma computacional disponível para a implementação. Como resultado, esse estudo atingiu níveis de desempenho entre 0,9936 a 0,9999, dependendo da carga computacional. Outras contribuições desse estudo referem-se à análise dos métodos de extensão de borda na detecção de espículas; e a análise da taxa de amostragem de sinais de EEG no desempenho do classificador de espículas, ambos com resultados significativos. São também apresentadas como contribuições: uma nova arquitetura de detecção de espículas, fazendo uso da análise de discriminante linear; e a apresentação de um novo descritor, energia centrada, baseado na resposta dos coeficientes das sub-bandas de decomposição da transformada wavelet, capaz de melhorar a discriminação de eventos espícula e não-espícula. Researchers have concentrated efforts in the past 20 years, by applying the wavelet transform in processing, filtering, pattern recognition and classification of biomedical signals, in particular signals of electroencephalogram (EEG) containing events characteristic of epilepsy, the spike. Several families of mother-wavelets were used, but there are no consensus about which mother-wavelet is the most adequate for this purpose. The signals used have a wide range of events. The literature reports EEG signals sampled from 100 to 600 Hz with spikes ranging from 20 to 200 ms. In this study we used 98 wavelets. The EEG signals were sampled from 200 Hz up to 1 kHz. A neurologist has scored a set of 494 spikes and a set 1500 non-spike events. This study starts evaluating the amount of wavelet decompositions required for the detection of spikes, followed by detailed analysis of the combined use of mother-wavelets of the same family and among families. Following is analyzed the influence of descriptors and the combined use of them in spike detection. The results of these studies indicate that it is more appropriate to use a set of mother-wavelets, with many levels of decomposition and with various descriptors, instead of using a single mother-wavelet or a specific descriptor for the detection of spikes. The selection of this set of wavelets, decomposition level and descriptors allows to obtain high levels of detection according to the computational load desired or computing platform available for implementation. This study reached performance levels between 0.9936 to 0.9999, depending on the computational load. Other contributions of this study refer to the analysis of the border extension methods for spike detection; and the influences of the EEG signal sampling rate in the classifier performance, each one with significant results. Also shown are: a new spike detection architecture by making use of linear discriminant analysis; and the presentation of a new descriptor, the centred energy, based on the response of the coefficients of decomposition levels of the wavelet transform, able to improve the discrimination of spike and non-spike events.