- author = "Marco Andre Abud Kappel",
- title_pt = "Emprego de tecnicas computacionais estocasticas para simulacao de diagramasde espectroscopia de impedancia eletroquimica",
- title = "Stochastic computational techniques applied to the simulation of electrochemical impedance spectroscopy diagrams",
- school = "Centro de Tecnologia e Ciencias, Instituto Politecnico, Universidadedo Estado do Rio de Janeiro",
- year = "2016",
- address = "Nova Friburgo, Brazil",
- month = "8 " # apr,
- keywords = "genetic algorithms, genetic programming, Electrochemical impedance spectroscopy, Corrosion, Complex nonlinear optimization, Equivalent electrical circuit, Stochastic methods",
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URL = "
http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/13692",
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URL = "
https://www.bdtd.uerj.br:8443/bitstream/1/13692/1/Tese_MarcoAndreAbudKappel.pdf",
- size = "169 pages",
- 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 regularisation 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.",
- resumo = "A espectroscopia de impedancia eletroquimica e uma tecnica amplamente utilizada na caracterizacao de sistemas eletroquimicos. Alem de possuir aplicacoes em diversas areas, a tecnica tem grande utilidade no estudo dacorrosao, pois e sensivel as variacoes transientes que ocorrem na interface metalica. Os resultados provenientes da tecnica podem ser expressos e interpretados de diversas formas, possibilitando diferentes metodologias de modelagem e analise, como o uso de modelos cineticos ou circuitos eletricos equivalentes. Em corrosao, a tecnica e aplicada, normalmente, em poucos potenciais especificos, como o de corrosao, o de maior importancia. Com a motivacao de aprimoraro procedimento de modelagem e analise de dados de impedancia, levando em consideracaoque os fenomenos eletroquimicos estao fortemente ligadosao potencial, este trabalho introduz a possibilidadede expressar os dados de impedancia em uma ampla faixa de potencial, e utiliza-los para ajuste de circuitos equivalentes. Assim, os diferentes fenomenos podem ser modelados, adequadamente, por circuitos eletricosequivalentes correspondentes a diferentes potenciais. Com esta finalidade, oproblema inverso associado eresolvidopara cada potencial, por meio de um processo de otimizacao complexa nao-linear. Alem dos dados transientes obtidos pela espectroscopia, dados estacionariossao utilizados na otimizacao de forma original, como uma regularizacao do problema, ajudando a garantir a obtencao de uma solucao coerente com os fenomenos fisicos envolvidos,desde a frequencia maxima do ensaio ate a frequencia nula. Um software de analise, modelagem e simulacao foi desenvolvido, com as seguintes funcionalidades: 1) validacaodos dados experimentais, por meio das relacoes de Kramers-Kronig; 2) visualizacao simultanea dos dados de impedanciapara ampla faixa de potencial; 3) ajuste dediferentes circuitos equivalentes para diferentes faixas,utilizando dados experimentais transientes e estacionarios, em conjunto com metodosdeterministicosou estocasticos; 4) geracao deregioes de confianca para os parametros ajustados, tornando-os estatisticamente significativos; 5) simulacoes utilizando os circuitos equivalentesajustadosem cluster de computador; 6) apresentacao de analise de sensibilidade dos parametros de acordo com o potencialaplicado, revelando caracteristicas fisicasimportantes envolvidas nos processos eletroquimicos. Por fim, resultados experimentaisdosajustes e das simulacoes correspondentes sao mostrados e discutidos.Os resultados obtidos mostram que a utilizacao de um metodo de otimizacao estocastico populacional nao apenas aumenta as probabilidades de se encontrar uma solucao melhor, como tambem possibilita a geracao das regioes de confianca em torno dos valores encontrados. Alem disso, apenas o circuito ajustado com a nova funcao objetivo possui equivalencia tanto com os dados transientes quanto com os dados estacionarios, para toda a faixa de potencial envolvida.",
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notes = "In Portuguese.
Supervisors: Ivan Napoleao Bastos and Roberto Pinheiro Domingos",
