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Tipo do documento: Tese
Título: Emprego de técnicas computacionais estocásticas para simulação de diagramas de espectroscopia de impedância eletroquímica
Título(s) alternativo(s): Stochactic computational techniques applied to the simulation of electrochemical impedance spectroscopy diagrams
Autor: Kappel, Marco André Abud 
Primeiro orientador: Bastos, Ivan Napoleão
Primeiro coorientador: Domingos, Roberto Pinheiro
Primeiro membro da banca: Nedjah, Nadia
Segundo membro da banca: Mourelle, Luiza de Macedo
Terceiro membro da banca: D'elia, Eliane
Quarto membro da banca: Pereira, Cláudio Márcio do Nascimento Abreu
Resumo: A espectroscopia de impedância eletroquímica é uma técnica amplamente utilizada na caracterização de sistemas eletroquímicos. Além de possuir aplicações em diversas áreas, a técnica tem grande utilidade no estudo da corrosão, pois é sensível às variações transientes que ocorrem na interface metálica. Os resultados provenientes da técnica podem ser expressos e interpretados de diversas formas, possibilitando diferentes metodologias de modelagem e análise, como o uso de modelos cinéticos ou circuitos elétricos equivalentes. Em corrosão, a técnica é aplicada, normalmente, em poucos potenciais específicos, como o de corrosão, o de maior importância. Com a motivação de aprimorar o procedimento de modelagem e análise de dados de impedância, levando em consideração que os fenômenos eletroquímicos estão fortemente ligados ao potencial, este trabalho introduz a possibilidade de expressar os dados de impedância em uma ampla faixa de potencial, e utilizá-los para ajuste de circuitos equivalentes. Assim, os diferentes fenômenos podem ser modelados, adequadamente, por circuitos elétricos equivalentes correspondentes a diferentes potenciais. Com esta finalidade, o problema inverso associado é resolvido para cada potencial, por meio de um processo de otimização complexa não-linear. Além dos dados transientes obtidos pela espectroscopia, dados estacionários são utilizados na otimização de forma original, como uma regularização do problema, ajudando a garantir a obtenção de uma solução coerente com os fenômenos físicos envolvidos, desde a frequência máxima do ensaio até a frequência nula. Um software de análise, modelagem e simulação foi desenvolvido, com as seguintes funcionalidades: 1) validação dos dados experimentais, por meio das relações de Kramers-Kronig; 2) visualização simultânea dos dados de impedância para ampla faixa de potencial; 3) ajuste de diferentes circuitos equivalentes para diferentes faixas, utilizando dados experimentais transientes e estacionários, em conjunto com métodos determinísticos ou estocásticos; 4) geração de regiões de confiança para os parâmetros ajustados, tornando-os estatisticamente significativos; 5) simulações utilizando os circuitos equivalentes ajustados em cluster de computador; 6) apresentação de análise de sensibilidade dos parâmetros de acordo com o potencial aplicado, revelando características físicas importantes envolvidas nos processos eletroquímicos. Por fim, resultados experimentais dos ajustes e das simulações correspondentes são mostrados e discutidos. Os resultados obtidos mostram que a utilização de um método de otimização estocástico populacional não apenas aumenta as probabilidades de se encontrar uma solução melhor, como também possibilita a geração das regiões de confiança em torno dos valores encontrados. Além disso, apenas o circuito ajustado com a nova função objetivo possui equivalência tanto com os dados transientes quanto com os dados estacionários, para toda a faixa de potencial envolvida.
Abstract: Electrochemical impedance spectroscopy is a widely used technique in electrochemical systems characterization. With applications in several areas, the technique is very useful in the study of corrosion because it is sensitive to transient changes that occur in the metal interface. The results from the technique can be expressed and interpreted in different ways, allowing different modeling and analysis methods, such as the use of kinetic models or equivalent circuits. In corrosion, the technique is usually applied only in a few specific potentials, such as the corrosion potential, the most important. With the motivation of improving the impedance modeling and analysis process, taking into consideration that the electrochemical phenomena are strongly linked to the potential, this work introduces the possibility to express the impedance data in a wide potential range, and use them to equivalent circuits fitting. Thus, different phenomena can be modeled adequately by equivalent circuits corresponding to different potentials. For this purpose, the related inverse problem is solved for each potential through a complex nonlinear optimization process. In addition to the transient data obtained by the spectroscopy, stationary data are also used in the optimization as a regularization factor, supporting a consistent solution to the physical phenomena involved, from the maximum experimental frequency to theoretical zero frequency. An analysis, modeling and simulation software was developed with the following features: 1) validation of experimental data, through the Kramers-Kronig relations; 2) simultaneous visualization of impedance results for a wide potential range; 3) fitting different equivalent circuits for different ranges using transient and stationary experimental data, in conjunction with deterministic or stochastic methods; 4) generation of confidence regions for the estimated parameters, making them statistically significant; 5) simulations using the fitted equivalent circuits in computer cluster; 6) parameter sensitivity analysis according to the applied potential, revealing important physical characteristics involved in the electrochemical processes. Finally, experimental fitting results and the corresponding simulations are shown and discussed. Results show that the use of a population-based stochastic optimization method not only increases the odds of finding the global optimum, but also enables the generation of confidence regions around the found values. Furthermore, only the circuit fitted with the new objective function has equivalence with both transient data and stationary data for the entire potential range involved.
Palavras-chave: Electrochemical impedance spectroscopy
Corrosion
Complex nonlinear optimization
Equivalent electrical circuit
Stochastic methods
Impedância (Eletricidade)
Espectroscopia de impedância eletroquímica
Corrosão
Eletroquímica
Otimização complexa não-linear
Circuito elétrico equivalente
Técnicas estocásticas
Área(s) do CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Idioma: por
País: BR
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto Politécnico
Programa: Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional
Citação: KAPPEL, Marco André Abud. Emprego de técnicas computacionais estocásticas para simulação de diagramas de espectroscopia de impedância eletroquímica. 2016. 169 f. Tese (Doutorado em Modelagem Computacional) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, 2016.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/13692
Data de defesa: 8-Abr-2016
Aparece nas coleções:Doutorado em Modelagem Computacional

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