Blended learning and student time-use in engineering education

Aiheen laajempi artikkeli on julkaistu konferenssi-CD:llä.

Thermal modelling of semiconductor switches in three-level Neutral Point Clamped Medium Voltage DTC-inverter

The aim of this thesis is to investigate the thermal loading of medium voltage three-level NPC inverter’s semiconductor IGCT switches in different operation points. The objective is to reach both a fairly accurate off-line simulation program and also so simple a simulation model that its implementation into an embedded system could be reasonable in practice and a real time use should become feasible. Active loading limitation of the inverter can be realized with a thermal model which is practical in a real time use. Determining of the component heating has been divided into two parts; defining of component losses and establishing the structure of a thermal network. Basics of both parts are clarified. The simulation environment is Matlab-Simulink. Two different models are constructed – a more accurate one and a simplified one. Potential simplifications are clarified with the help of the first one. Simplifications are included in the latter model and the functionalities of both models are compared. When increasing the calculation time step a decreased number of considered components and time constants of the thermal network can be used in the simplified model. Heating of a switching component is dependent on its topological position and inverter’s operation point. The output frequency of the converter defines mainly which one of the switching components is – because of its losses and heating – the performance limiting component of the converter. Comparison of results given by different thermal models demonstrates that with larger time steps, describing of fast occurring switching losses becomes difficult. Generally articles and papers dealing with this subject are written for two-level inverters. Also inverters which apply direct torque control (DTC) are investigated rarely from the heating point of view. Hence, this thesis completes the former material.

Performance analysis of software run-time behaviour using 3D-visualisation

Monimutkaisen tietokonejärjestelmän suorituskykyoptimointi edellyttää järjestelmän ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämistä. Ohjelmiston koon ja monimutkaisuuden kasvun myötä suorituskykyoptimointi tulee yhä tärkeämmäksi osaksi tuotekehitysprosessia. Tehokkaampien prosessorien käytön myötä myös energiankulutus ja lämmöntuotto ovat nousseet yhä suuremmiksi ongelmiksi, erityisesti pienissä, kannettavissa laitteissa. Lämpö- ja energiaongelmien rajoittamiseksi on kehitetty suorituskyvyn skaalausmenetelmiä, jotka edelleen lisäävät järjestelmän kompleksisuutta ja suorituskykyoptimoinnin tarvetta. Tässä työssä kehitettiin visualisointi- ja analysointityökalu ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämisen helpottamiseksi. Lisäksi kehitettiin suorituskyvyn mitta, joka mahdollistaa erilaisten skaalausmenetelmien vertailun ja arvioimisen suoritusympäristöstä riippumatta, perustuen joko suoritustallenteen tai teoreettiseen analyysiin. Työkalu esittää ajonaikaisesti kerätyn tallenteen helposti ymmärrettävällä tavalla. Se näyttää mm. prosessit, prosessorikuorman, skaalausmenetelmien toiminnan sekä energiankulutuksen kolmiulotteista grafiikkaa käyttäen. Työkalu tuottaa myös käyttäjän valitsemasta osasta suorituskuvaa numeerista tietoa, joka sisältää useita oleellisia suorituskykyarvoja ja tilastotietoa. Työkalun sovellettavuutta tarkasteltiin todellisesta laitteesta saatua suoritustallennetta sekä suorituskyvyn skaalauksen simulointia analysoimalla. Skaalausmekanismin parametrien vaikutus simuloidun laitteen suorituskykyyn analysoitiin.

Use of field measurements in fatigue analysis of forestry cranes

Tässä työssä on esitetty väsyttävän kuormituksen mittaamiseen ja mittausdatan jälkikäsittelyyn sekä väsymismitoitukseen liittyviä menetelmiä. Menetelmien sovelluskohteena oli metsäkoneen kuormain, joka on väsyttävästi kuormitettu hitsattu rakenne. Teoriaosassa on kuvattu väsymisilmiötä ja väsymismitoitusmenetelmiä sekä kuormitusten tunnistamiseen ja mittausten jälkikäsittelyyn liittyviä menetelmiä. Yleisimmin käytettyjen väsymismitoitusmenetelmien rinnalle on esitetty luotettavuuteen perustuvaa väsymismitoitusmenetelmää. Kuormainten suunnittelussa on keveys- j a kestoikävaatimusten takia erityisen suuri merkitys väsymisen huomioimisella. Rakenteille on ominaista tietyt toiminnan kannalta välttämättömät hitsatut yksityiskohdat, jotka usein määräävät koko rakenteen kestoiän. Koska nämä ongelmakohdat pystytään useimmiten tunnistamaan jo suunnitteluvaiheessa, voidaan yksityiskohtien muotoilulla usein parantaa huomattavasti koko rakenteen kestoikää. Näiden yksityiskohtien optimointi on osittain mahdollista toteuttaa ilman kuormituskertymätietoa, mutta useimmiten kuormitusten tunnistaminen on edellytys parhaan ratkaisun löytymiselle. Tällöin toistaiseksi paras keino todellisen väsyttävän kuormituksen tunnistamiseksi on pitkäaikaiset kenttämittaukset. Kenttämittauksilla selvitetään rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset venymäliuskojen avulla. Kuormitusten tunnistamisella on erityisen suuri merkitys kun halutaan määrittää rakenteen kestoikä. Väsyminen ja väsyttävä kuormitus ovat kuitenkin tilastollisia muuttujia j a yksittäiselle rakenteelle ei ole mahdollista määrittää tarkkaa k estoikää. Tilastollisia menetelmiä käyttäen on kuitenkin mahdollista määrittää rakenteen vaurioitumisriski. Laskettaessa vaurioitumisriskiä suurelle määrälle yksittäisiä rakenteita voidaan muodostaa tarkkojakin ennusteita mahdollisten vaurioiden lukumäärästä. Tällöin kuormituskertymätiedosta voi olla tavanomaisen suunnittelun lisäksi laajempaa hyötyä esimerkiksi takuukäsittelyssä. Tässä työssä on sovellettu esitettyjä teorioita käytännössä metsäkoneen harvesterin puomiston väsymistarkasteluun. Kyseisen rakenteen kuormituksia mitattiin kahden viikon aikana yhteensä 35 tuntia, jonka perusteella laskettiin väsyttävän kuormituksen tilastollinen jakauma esimerkkitapaukselle. Mittauksen perusteella ei voitu tehdä kuitenkaan johtopäätöksiä tuotteen koko elinkaaren kuormituksista eikä muiden samanlaisten tuotteiden kuormituksista, koska mitattu otos oli suhteellisen lyhyt ja rajoittui vain yhteen käyttäjään ja muutamaan käyttökohteeseen. Menetelmien testaamiseksi kyseinen otos oli kuitenkin riittävä. Kuormituskertymätietoa käytettiin hyväksi myös laatumääritysten muodostamisessaesimerkkitapaukselle. Murtumismekaniikkaan perustuvalla menetelmällä arvioitiinharvesteripilarin valun mahdollisten valuvirheiden suurin sallittu koko. Luotettavuuteen pohjautuvan mitoitusmenettelyn tarve näyttää olevanlisääntymässä, joten pitkäaikaisten kenttämittausten tehokas hyödyntäminen tulee olemaan keskeinen osa väsymismitoitusta lähitulevaisuudessa. Menetelmiä olisi mahdollista tehostaa yhdistämällä kuormituskertymään erilaisia kuormitusten suhteen riippuvia tunnettuja suureita kuten käsiteltävän puun halkaisija. Todellisettuotekohtaiset tilastolliset jakaumat kuormituksista voitaisiin muodostaa mahdollisesti tehokkaammin, jos esimerkiksi kuormitusten riippuvuus metsätyypistä pystyttäisiin ensin määrittämään.

Welding time models for cost calculations in the early stages of the design process

It is generally accepted that between 70 and 80% of manufacturing costs can be attributed to design. Nevertheless, it is difficult for the designer to estimate manufacturing costs accurately, especially when alternative constructions are compared at the conceptual design phase, because of the lack of cost information and appropriate tools. In general, previous reports concerning optimisation of a welded structure have used the mass of the product as the basis for the cost comparison. However, it can easily be shown using a simple example that the use of product mass as the sole manufacturing cost estimator is unsatisfactory. This study describes a method of formulating welding time models for cost calculation, and presents the results of the models for particular sections, based on typical costs in Finland. This was achieved by collecting information concerning welded products from different companies. The data included 71 different welded assemblies taken from the mechanical engineering and construction industries. The welded assemblies contained in total 1 589 welded parts, 4 257 separate welds, and a total welded length of 3 188 metres. The data were modelled for statistical calculations, and models of welding time were derived by using linear regression analysis. Themodels were tested by using appropriate statistical methods, and were found to be accurate. General welding time models have been developed, valid for welding in Finland, as well as specific, more accurate models for particular companies. The models are presented in such a form that they can be used easily by a designer, enabling the cost calculation to be automated.

Real-time Linux in electric drive systems

Reaaliaikaisten käyttöjärjestelmien käyttö sulautetuissa järjestelmissä on kasvamassa koko ajan. Sulautettuja tietokoneita käytetään yhä useammassa kohteessa kuten sähkökäyttöjen ohjauksessa. Sähkökäyttöjen ohjaus hoidetaan nykyisin yleensä nopealla digitaalisella signaaliprosessorilla (DSP), jolloin ohjelmointi ja päivittäminen on hidasta ja vaikeaa johtuen käytettävästä matalan tason Assembler-kielestä. Ratkaisuna yleiskäyttöisten prosessorien ja reaaliaikakäyttöjärjestelmien käyttö. Kaupalliset reaaliaikakäyttöjärjestelmät ovat kalliita ja lähdekoodin saaminen omaan käyttöön jopa mahdotonta. Linux on ei-kaupallinen avoimen lähdekoodin käyttöjärjestelmä, joten sen käyttö on ilmaista ja sitä voi muokata vapaasti. Linux:iin on saatavana useita laajennuksia, jotka tekevät siitä reaaliaikaisen käyttöjärjestelmän. Vaihtoehtoina joko kova (hard) tai pehmeä (soft) reaaliaikaisuus. Linux:iin on olemassa valmiita kehitysympäristöjä mutta ne kaipaavat parannusta ennen kuin niitä voidaan käyttää suuressa mittakaavassa teollisuudessa. Reaaliaika Linux ei sovellus nopeisiin ohjauslooppeihin (<100 ms) koska nopeus ei riitä vielä mutta nopeus kasvaa samalla kun prosessorit kehittyvät. Linux soveltuu hyvin rajapinnaksi nopean ohjauksen ja käyttäjän välille ja hitaampaan ohjaukseen.

Bone Mineral Accrual in Physically Active Girls. With Special Reference to Reduction in Physical Activity Level and Use of Oral Contraceptives

Adolescence is an important time for acquiring high peak bone mass. Physical activity is known to be beneficial to bone development. The effect of estrogen-progestin contraceptives (EPC) is still controversial. Altogether 142 (52 gymnasts, 46 runners, and 42 controls) adolescent women participated in this study, which is based on two 7-year (n =142), one 6-year (n =140) and one 4-year (n =122) follow-ups. Information on physical activity, menstrual history, sexual maturation, nutrition, living habits and health status was obtained through questionnaires and interviews. The bone mineral density (BMD) and content (BMC) of lumbar spine (LS) and femoral neck (FN) were measured by dual- energy X-ray absoptiometry. Calcaneal sonographic measurements were also made. The physical activity of the athletes participating in this study decreased after 3-year follow-up. High-impact exercise was beneficial to bones. LS and FN BMC was higher in gymnasts than in controls during the follow-up. Reduction in physical activity had negative effects on bone mass. LS and FN BMC increased less in the group having reduced their physical activity more than 50%, compared with those continuing at the previous level (1.69 g, p=0.021; 0.14 g, p=0.015, respectively). The amount of physical activity was the only significant parameter accounting for the calcaneal sonography measurements at 6-year follow-up (11.3%) and reduced activity level was associated with lower sonographic values. Long-term low-dose EPC use seemed to prevent normal bone mass acquisition. There was a significant trend towards a smaller increase in LS and FN BMC among long-term EPC users. In conclusion, this study confirms that high-impact exercise is beneficial to bones and that the benefits are partly maintained even after a clear reduction in training level at least for 4 years. Continued exercise is needed to retain all acquired benefits. The bone mass gained and maintained can possibly be maximized in adolescence by implementing high-impact exercise for youngsters. The peak bone mass of the young women participating in the study may be reached before the age of 20. Use of low-dose EPCs seems to suppress normal bone mass acquisition.

Time-lapse -intervallikuvaaminen

Miltä sinusta tuntuisi nähdä vanhenevasi viisikymmentä vuotta minuutissa? Time-lapse -kuvaus on nykytekniikalla ainoa keino ihmisille matkustaa ajassa. Tällä kuvaustavalla on mahdollista hidastaa elämää tai vastaavasti nopeuttaa sitä. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on käydä läpi ne keinot ja tekniikat kuinka time-lapse -kuvia voidaan tehdä. Työn tavoitteena on ollut ymmärtää time-lapse -kuvaamista ja tutustua eri efekteihin, joita voi tehdä intervallikuvauksen avulla. Työhön on tehty kuvamateriaalia kirjallisen osan tueksi, jotta lukijan olisi mahdollisimman helppo ymmärtää kuvaustapaa. Työhön on tehty kaavoja ja kuvia, jotka antavat lukijalle mahdollisuuden myös kokeilla kuvien ottamista. Työssä on kerrottu kuvien ottamisesta ja siinä helposti tehtävistä virheistä, jotta lukijan ei tarvitsisi omissa kokeiluissaan ajaa samoihin ansoihin, kuin opinnäytetyötä tehdessä on ajettu. Time-lapse -kuvaaminen on kiehtova tapa tuoda kaikki valokuvauksen keinot elokuvaan. Tämä työ on tehty sitä varten, että tekijä itse on syventänyt ymmärrystään kuvaustapaan ja siksi, että lukija voisi suunnitella kuvauksiaan monipuolisemmin. Tämä työ käy time-lapse -kuvaamisen pinnalla. Syvemmällä kuvaustavan sisällä on miljoonia keinoja, joita on mahdollista löytää, kokeilla ja käyttää. Tämän työn tarkoituksena on olla alku matkalle, joka vie mukanaan kokeilemaan uusia keinoja, joita ei ehkä kuvien digitaalisuuden tuomien mahdollisuuksien myötä ole vielä edes löydetty.

Wavelets in real-time paper web analysis

Online paper web analysis relies on traversing scanners that criss-cross on top of a rapidly moving paper web. The sensors embedded in the scanners measure many important quality variables of paper, such as basis weight, caliper and porosity. Most of these quantities are varying a lot and the measurements are noisy at many different scales. The zigzagging nature of scanning makes it difficult to separate machine direction (MD) and cross direction (CD) variability from one another. For improving the 2D resolution of the quality variables above, the paper quality control team at the Department of Mathematics and Physics at LUT has implemented efficient Kalman filtering based methods that currently use 2D Fourier series. Fourier series are global and therefore resolve local spatial detail on the paper web rather poorly. The target of the current thesis is to study alternative wavelet based representations as candidates to replace the Fourier basis for a higher resolution spatial reconstruction of these quality variables. The accuracy of wavelet compressed 2D web fields will be compared with corresponding truncated Fourier series based fields.

Calcination of aluminum hydroxide over pressure and residence time

This work investigates the possible effect of pressure and residence time to the reaction of aluminum hydroxide into aluminum oxide. Various pressurized conditions are used as well as the help of various residence times. The aim is to increase the conversion of the reaction with the use of different pressures and residence times. The tests were performed with a laboratory scale fluidized bed reactor at the Outotec R&D Center in Frankfurt. Additional test work such as particle size analysis and differential thermal analysis were also carried out. Some calcined samples were also characterized with X-ray diffraction at the University of Auckland to obtain a reaction pathway when using pressurized conditions. All of the results are then compared with previous results.

Use of the Optical Cantilever Microphone in Photoacoustic Spectroscopy

A novel cantilever pressure sensor was developed in the Department of Physics at the University of Turku in order to solve the sensitivity problems which are encountered when condenser microphones are used in photoacoustic spectroscopy. The cantilever pressure sensor, combined with a laser interferometer for the measurement of the cantilever movements, proved to be highly sensitive. The original aim of this work was to integrate the sensor in a photoacoustic gas detector working in a differential measurement scheme. The integration was made successfully into three prototypes. In addition, the cantilever was also integrated in the photoacoustic FTIR measurement schemes of gas-, liquid-, and solid-phase samples. A theoretical model for the signal generation in each measurement scheme was created and the optimal celldesign discussed. The sensitivity and selectivity of the differential method were evaluated when a blackbody radiator and a mechanical chopper were used with CO₂, CH4, CO, and C2H4 gases. The detection limits were in the sub-ppm level for all four gases with only a 1.3 second integration time and the cross interference was well below one percent for all gas combinations other than those between hydrocarbons. Sensitivity with other infrared sources was compared using ethylene as an example gas. In the comparison of sensitivity with different infrared sources the electrically modulated blackbody radiator gave a 35 times higher and the CO2-laser a 100 times lower detection limit than the blackbody radiator with a mechanical chopper. As a conclusion, the differential system is well suited to rapid single gas measurements. Gas-phase photoacoustic FTIR spectroscopy gives the best performance, when several components have to be analyzed simultaneously from multicomponent samples. Multicomponent measurements were demonstrated with a sample that contained different concentrations of CO₂, H₂O, CO, and four different hydrocarbons. It required an approximately 10 times longer measurement time to achieve the same detection limit for a single gas as with the differential system. The properties of the photoacoustic FTIR spectroscopy were also compared to conventional transmission FTIR spectroscopy by simulations. Solid- and liquid-phase photoacoustic FTIR spectroscopy has several advantages compared to other techniques and therefore it also has a great variety of applications. A comparison of the signal-to-noise ratio between photoacoustic cells with a cantilever microphone and a condenser microphone was done with standard carbon black, polyethene, and sunflower oil samples. The cell with the cantilever microphone proved to have a 5-10 times higher signal-to-noise ratio than the reference detector, depending on the sample. Cantilever enhanced photoacoustics will be an effective tool for gas detection and analysis of solid- and liquid-phase samples. The preliminary prototypes gave good results in all three measurement schemes that were studied. According to simulations, there are possibilities for further enhancement of the sensitivity, as well as other properties, of each system.

Osteoclastic tartrate-resistant acid phosphatase 5b. Diagnostic use and biological significance in bone physiology

The skeleton undergoes continuous turnover throughout life. In women, an increase in bone turnover is pronounced during childhood and puberty and after menopause. Bone turnover can be monitored by measuring biochemical markers of bone resorption and bone formation. Tartrate-resistant acid phosphatase (TRACP) is an enzyme secreted by osteoclasts, macrophages and dendritic cells. The secreted enzyme can be detected from the blood circulation by recently developed immunoassays. In blood circulation, the enzyme exists as two isoforms, TRACP 5a with an intact polypeptide chain and TRACP 5b in which the polypeptide chain consists of two subunits. The 5b form is predominantly secreted by osteoclasts and is thus associated with bone turnover. The secretion of TRACP 5b is not directly related to bone resorption; instead, the levels are shown to be proportional to the number of osteoclasts. Therefore, the combination of TRACP 5b and a marker reflecting bone degradation, such as C-terminal cross-linked telopeptides of type I collagen (CTX), enables a more profound analysis of the changes in bone turnover. In this study, recombinant TRACP 5a-like protein was proteolytically processed into TRACP 5b-like two subunit form. The 5b-like form was more active both as an acid phosphatase and in producing reactive oxygen species, suggesting a possible function for TRACP 5b in osteoclastic bone resorption. Even though both TRACP 5a and 5b were detected in osteoclasts, serum TRACP 5a levels demonstrated no change in response to alendronate treatment of postmenopausal women. However, TRACP 5b levels decreased substantially, demonstrating that alendronate decreases the number of osteoclasts. This was confirmed in human osteoclast cultures, showing that alendronate decreased the number of osteoclats by inducing osteoclast apoptosis, and TRACP 5b was not secreted as an active enzyme from the apoptotic osteoclasts. In peripubertal girls, the highest levels of TRACP 5b and other bone turnover markers were observed at the time of menarche, whereas at the same time the ratio of CTX to TRACP 5b was lowest, indicating the presence of a high number of osteoclasts with decreased resorptive activity. These results support the earlier findings that TRACP 5b is the predominant form of TRACP secreted by osteoclasts. The major source of circulating TRACP 5a remains to be established, but is most likely other cells of the macrophage-monocyte system. The results also suggest that bone turnover can be differentially affected by both osteoclast number and their resorptive activity, and provide further support for the possible clinical use of TRACP 5b as a marker of osteoclast number.