Pintaemittoivan VCSEL-diodin käyttö aallonpituusmodulaatiospektroskopiaan perustuvissa hapen konsentraation mittauksissa

Teollisuuden sovelluksissa kaasun mittauslaitteilta vaaditaan suurta luotettavuutta sekä niiden huollontarve tulee olla minimaalista. Jatkuva-aikaisissa mittauksissa nämä vaatimuksetlunastaa viritettävän diodilaser-spektroskopian käyttö. Pienen kokonsa, vähäisten tehohäviöiden ja hyvien säätömahdollisuuksien ansiosta, VCSEL:t (vertical cavity surface emitting laser) ovat sopivia vaihtoehtoja valonlähteeksi mitattaessapäästökaasuja, tässä tapauksessa happea. Työssä rakennettiin mittauslaitteisto, jota käytettiin hapen konsentraation määrittämiseen. Mittauslaitteistolla suoritettiin hapen pitoisuusmittauksia ja saatuja tuloksia verrattiin teoreettisen mallin antamien tulosten kesken. Mittaukset perustuvat toisen harmonisen signaalin havainnointiin. Lisäksi tarkasteltiin paineen ja lämpötilanvaikutusta mittaustuloksiin.

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.

Teollisuuskylmälaitoksen tekniikka ja kustannukset

Työssä on tarkasteltu kompressori- ja absorptiokylmälaitoksien teknisiä ratkaisuja ja laitoksien investointi- ja käyttökustannuksia. Työssä on keskitytty laitoksiin, jotka tuottavat alle nolla Celsiusasteen lämpötiloja. Esimerkkitapauksessa on selvitetty panimon ja meijerin kylmälaitoksen tekniikka ja kustannukset. Tutkimus perustuu kirjallisuuteen, haastatteluihin ja mittaustuloksiin. Kirjallisuuden avulla on selvitetty kylmälaitoksien tekniikkaa ja kustannusten muodostumista. Haastattelujen avulla on kerätty tietoa esimerkkikohteen nykyisistä laitteista, tulevaisuuden kylmätarpeesta ja kohteeseen sopivista laiteratkaisuista. Mittaustietojen avulla on arvioitu kylmäenergian tarve. Työn avulla on saatu näkemys esimerkkikohteeseen sopivasta kylmälaitoksesta ja sen aiheuttamista kustannuksista. Näiden tietojen avulla voidaan selvittää mahdollisten kylmäasiakkaiden kiinnostus kylmäenergian ostamiseen. Hankkeen toteutuessa työtä voidaan käyttää pohjana laitoksen ja kylmätoiminnan suunnittelussa.

Unification of Emission Measurements in Paper and Pulp Mills

Tässä diplomityössä tavoitteena on selvittää käytännöt ja menetelmät, joilla UPM-Kymmenen sellu-, paperi- ja vaneritehtaat ympäri maailman mittaavat ja laskevat ilmapäästönsä. Tämä tehdään kyselylomakkeella, joka lähetetään tehtaiden ympäristöpäälliköille. Kaikki tärkeimmät seikat ilmapäästöihin liittyen, kuten vaaditut jatkuvatoimiset mittaukset, jaksottaiset mittaukset, raportointikäytäntö, kalibrointi jne. kysytään lomakkeessa. Kyselylomakkeessa painotetaan mittauskäytäntöä sellutehtaissa sekä energiantuotannossa. Saatujen tulosten perusteella annetaan ehdotuksia sekä ohjeita tulevaisuutta varten, jotta mittaustulosten kokoaminen helpottuisi ja vertailukelpoisuus paranisi. Työn kirjallisuusosuudessa selvitetään yleisimmät päästölähteet sekä päästökomponentit paperi –ja selluteollisuudessa. Näiden ei toivottujen yhdisteiden syntymekanismit sekä menetelmät niiden poistamiseksi savukaasuista on myös lyhyesti kuvailtu. Myös erilaiset analysointi- ja näytteenottomenetelmät on kerrottu. Erot tehtaiden ympäristöluvissa käydään läpi, jakaen tehtaat kolmeen maantieteelliseen ryhmään. Lupakäytäntöjen osalta Suomen osuutta on painotettu, sillä UPM-Kymmene on varsin Suomikeskeinen yhtiö tehtaiden lukumääriin ja sijainteihin katsottuna. Viranomaismääräykset sekä päästörajat muutamista tehtaista on esitetty havainnollistaakseen alueellisia eroja.

Hienopaperimassojen lujuusominaisuudet nopeassa vetokuormituksessa

Työssä verrattiin koivu-, akaasia- ja eucalyptussellujen käyttökelpoisuutta hienopapereiden kuituraaka-aineena. Kirjallisuusosassa todettiin radan hallinnan paperikoneiden avoimissa vienneissä riippuvan käytetyn geometrian lisäksi lujuus- ja relaksaatio-ominaisuuksista. Kuituverkoston käyttäytymiseen jännityksen alaisena vaikuttavat kuitudimensiot, kosteus ja lämpötila sekä kuituverkostoon kohdistetun jännityksen nopeus ja määrä. Relaksaationopeus ja vetolujuus kasvavat kuivilla papereilla vetonopeuden lisääntyessä. Kosteuspitoisuuden kasvattaminen alentaa puukuiduissa olevien polymeerien lasisiirtymälämpötilaa, jonka seurauksena vetolujuus ja relaksaatiokireys laskevat voimakkaasti. Kosteuspitoisuuden kasvaessa murtovenymä kasvaa lähes lineaarisesti ja repäisylujuus sekä murtotyö saavuttavat maksiminsa tietyssä kosteuspitoisuudessa. Kokeellisessa osassa keskityttiin hienopaperimassojen lujuus- ja relaksaatiokäyttäytymisen selvittämiseen nopeassa vetokuormituksessa. Lisäksi määritettiin laatu-, massa- ja rakenneominaisuuksia valituille koepisteille. Muuttujina kokeissa olivat massojen kuiva-ainepitoisuudet ja jauhatusolosuhteet sekä havusellun osuus hienopaperimassoissa.CSF-tasoon 350 ml jauhetuista näytteistä parhaat lujuus ja relaksaatio-ominaisuudet olivat koivulla ja heikoimmat akaasialla. Erot koepisteiden välillä korostuivat pienellä havusellun määrällä, mutta kaventuivat huomattavasti havusellun määrää lisättäessä. Samaan vetolujuuteen jauhettaessa massojen erot poistuvat kokonaan. Kuivilla näytteillä löydettiin erinomainen korrelaatio myötölujuuden ja relaksaatiokireyden välille. Puristinkuivien näytteiden relaksaatiokireyksiä voidaan kokeiden valossa ennustaa parhaiten kuivien näytteiden vetolujuuksista. Myös elastisten venymien osuuksille ja kuituseinämien paksuuksille löydettiin selvä yhteys.Eucalyptus- ja akaasiamassojen erinomaisuus hienopapereiden raaka-aineena korostui niiden optisissa ominaisuuksissa, erityisesti korkeana valonsirontana. Verrattaessa samassa vetolujuudessa ja relaksaatiokireydessä valonsirontakertoimien arvoja havaittiin akaasian olevan paras koivun jäädessä heikoimmaksi. Lisäksi akaasian ja eucalyptuksen kapeat kuitujakaumat ovat edullisia painokoneessa värin tasaisen imeytymisen kannalta. Akaasian pienet ja taipuisat kuidut antavat paperille tasaisen pinnan ja siten painatuksessa tasaisen painoalustan.

Painatuksen UV-stabiilisuuden optimointi fenolihartsatussa paperissa

Tässä diplomityössä tutkittiin painetun paperin ja siitä fenoliformaldehydihartsilla impregnoimalla valmistetun pinnoituskalvon UV-stabiilisuuden parantamis-mahdollisuuksia. Työn kirjallisuusosassa käsitellään painetun pinnoituskalvon valmistusprosessia ja painatuksen UV-valonkestoon vaikuttavia tekijöitä. Painovärin pigmentti, sen määrä ja käsittely, painovärin sideaine sekä fenoliformaldehydihartsi ja sen lisäaineet vaikuttavat pinnoitetun betonoimisvanerin säänkesto-ominaisuuksiin. Erilaisilla epäorgaanisilla valkoisilla pigmenteillä ja kidemuodoilla on erilainen UV-valonkesto ja taitekerroin. Päällystämällä titaanidioksidi esimerkiksi alumiini- tai zirkoniumoksideilla sen UV-valonkestoa voidaan parantaa merkittävästi. UV-hajoaminen voidaan havaita painetun pinnoitteen liituuntumisena. Liituuntumista voidaan pitää veden ja hapen välisenä reaktiona, jota titaanidioksidi ja UV-säteily katalysoivat. Sen takia myös muiden valkoisten epäorgaanisten pigmenttien ominaisuuksia ja käyttöä selvitettiin. Kokeissa käytettiin yhdeksää eri painoväriä, kahta eri paksuista paperia ja kahta eri tyyppistä hartsia. Painovärejä ohennettiin vedellä ja paperin painopuolta vaihdeltiin. Kaikissa painatuksissa käytettiin kolmea eri rasterointiasteen laattaa, jolloin painovärin määrää paperissa saatiin vähennettyä. Painetuista papereista mitattiin densiteetti, värimäärä, pisara-absorptio vedellä ja kontaktikulma hartsilla. Myös painovärin tunkeumaa selvitettiin paperin poikkileikeistä tehtyjen SEM-kuvien avulla. Painetut paperit impregnoitiin fenoliformaldehydihartsilla kalvoksi. Pinnoituskalvot puristettiin vanerin pinnalle laboratoriopuristimella. Koekappaleet altistettiin UV-valolle, sateelle ja pakkaselle sääkaapissa 400 h ajan, mikä vastaa noin 1,5 vuotta ulkona Suomen oloissa. Kappaleista mitattiin kiilto, värinmuutos ja liituuntuminen. Pinnoitteen liituuntumista tapahtui vähiten niissä koepisteissä, joissa painatus oli tehty 30 % rasteroidulla laatallaSäänkestävä TiO2 osoittautui hyväksi, mutta myös ZnO-pigmentillä saatiin hyviä tuloksia. ZnO-koepisteessä liituuntumisreaktio ei ole niin voimakkaasti katalysoitu kuin TiO2-koepisteissä. Paksun paperin painatuspuolella näytti olevan merkitystä säänkestoon. Huopapuolelle painettuna pinnoitteen liituuntuminen oli vähäisempää

Haulikkoratamelun minimoinnin suunnittelu

Työn tavoitteena oli tutkia kilpa- ja harjoitusammuntaan käytettävällä haulikkoradalla käytettäväksi soveltuvia passiivisia meluntorjuntamenetelmiä ja suunnitella niistä toimiva kokonaisuus kohderadoille siten, että rata-alueen läheisillä asuinalueilla alitetaan 50 dB LAIMax-taso sekä muilla alueilla ampumaratamelun ohjearvot. Aluksi tarkasteltiin kohderatojen vanhoja menetelmiä ja radan meluntorjunnan kannalta olennaiset suunnat selvitettiin mittauksilla. Myös laukausmelun spektriä tutkittiin mittauksilla. Olemassa oleville menetelmille etsittiin korvaavia ja täydentäviä menetelmiä. Radan sijoittaminen maastoon on tärkeä osa meluntorjuntaa uutta rataa suunniteltaessa, mutta kohteena olleiden ratojen sijoittamista ei voitu enää muuttaa. Koska haulikkoammunnan säännöt eivät mahdollista aliääniammusten tai äänenvaimentimien käyttöä, ei varsinaista melupäästöä pystytä pienentämään. Melulle altistuvan kohteen sisätilojen suojaaminenkin on käytännössä hyödytöntä, koska ampumamelun ohjearvot ovat ulkoalueille. Ainoastaan melun absorptio, etenemisen estäminen ja ohjaaminen ovat kelvollisia menetelmiä kohderadoilla. Rata-alueelle suunniteltiin uudet ratojen väliset meluseinät, joiden ääneneristävyys ja -absorptio on vanhoja seiniä parempi. Taustavallille suunniteltiin jatkamista maavallina ja korottamista meluaitana, joka toimii myös haulienkierrätysjärjestelmän runkona. Alueen maaperä suunniteltiin muutettavaksi akustisesti pehmeämmäksi. Käytettävien menetelmien suunnittelussa tehtiin eri vaihtoehdoille laskennallisia arvioita, tietokonemallinnuksia ja laboratoriokokeita. Myös uusia menetelmiä haulikkoradan meluntorjunnassa tutkittiin. Tutkimusten perusteella näitä menetelmiä tutkitaan jatkossa käytännössä.

Imprecise measurements in quantum mechanics

In this thesis the structure and properties of imprecise quantum measurements are investigated. The starting point for this investigation is the representation of a quantum observable as a normalized positive operator measure. A general framework to describe measurement inaccuracy is presented. Requirements for accurate measurements are discussed, and the relation of inaccuracy to some optimality criteria is studied. A characterization of covariant observables is given in the case when they are imprecise versions of a sharp observable. Also the properties of such observables are studied. The case of position and momentum observables is studied. All position and momentum observables are characterized, and the joint positionmomentum measurements are discussed.

Validation of plant dynamic model by online and laboratory measurements – a tool to predict online COD loads out of production of mechanical printing papers

COD discharges out of processes have increased in line with elevating brightness demands for mechanical pulp and papers. The share of lignin-like substances in COD discharges is on average 75%. In this thesis, a plant dynamic model was created and validated as a means to predict COD loading and discharges out of a mill. The assays were carried out in one paper mill integrate producing mechanical printing papers. The objective in the modeling of plant dynamics was to predict day averages of COD load and discharges out of mills. This means that online data, like 1) the level of large storage towers of pulp and white water 2) pulp dosages, 3) production rates and 4) internal white water flows and discharges were used to create transients into the balances of solids and white water, referred to as “plant dynamics”. A conversion coefficient was verified between TOC and COD. The conversion coefficient was used for predicting the flows from TOC to COD to the waste water treatment plant. The COD load was modeled with similar uncertainty as in reference TOC sampling. The water balance of waste water treatment was validated by the reference concentration of COD. The difference of COD predictions against references was within the same deviation of TOC-predictions. The modeled yield losses and retention values of TOC in pulping and bleaching processes and the modeled fixing of colloidal TOC to solids between the pulping plant and the aeration basin in the waste water treatment plant were similar to references presented in literature. The valid water balances of the waste water treatment plant and the reduction model of lignin-like substances produced a valid prediction of COD discharges out of the mill. A 30% increase in the release of lignin-like substances in the form of production problems was observed in pulping and bleaching processes. The same increase was observed in COD discharges out of waste water treatment. In the prediction of annual COD discharge, it was noticed that the reduction of lignin has a wide deviation from year to year and from one mill to another. This made it difficult to compare the parameters of COD discharges validated in plant dynamic simulation with another mill producing mechanical printing papers. However, a trend of moving from unbleached towards high-brightness TMP in COD discharges was valid.

Three Wavelength Optical Probe for Surface Roughness Measurements of Paper Samples

In the present diploma work optical inspection methods were used to investigate surface roughness of paper samples. A special measurement setup, which includes three laser light sources of three different wavelengths, photodetector and goniometer, was used to measure the reflected laser light properties. The intensity of the light reflected in specular direction was measured versus the laser incidence angle for reference metal sample. The value of roughness was estimated and compared to initially known value of metal sample roughness. Thus, the measurement equipment and method were validated. Then the reflected intensity was measured versus reflection angle at constant incidence angle for the same metal sample and paper samples under investigation. The final values of the surface roughness were obtained from the analysis of the reflected intensity dependence. The results are in good correlation with other research groups.

Inversion and assimilation methods with applications in geophysical remote sensing

Stratospheric ozone can be measured accurately using a limb scatter remote sensing technique at the UV-visible spectral region of solar light. The advantages of this technique includes a good vertical resolution and a good daytime coverage of the measurements. In addition to ozone, UV-visible limb scatter measurements contain information about NO2, NO3, OClO, BrO and aerosols. There are currently several satellite instruments continuously scanning the atmosphere and measuring the UVvisible region of the spectrum, e.g., the Optical Spectrograph and Infrared Imager System (OSIRIS) launched on the Odin satellite in February 2001, and the Scanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CartograpHY (SCIAMACHY) launched on Envisat in March 2002. Envisat also carries the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) instrument, which also measures limb-scattered sunlight under bright limb occultation conditions. These conditions occur during daytime occultation measurements. The global coverage of the satellite measurements is far better than any other ozone measurement technique, but still the measurements are sparse in the spatial domain. Measurements are also repeated relatively rarely over a certain area, and the composition of the Earth’s atmosphere changes dynamically. Assimilation methods are therefore needed in order to combine the information of the measurements with the atmospheric model. In recent years, the focus of assimilation algorithm research has turned towards filtering methods. The traditional Extended Kalman filter (EKF) method takes into account not only the uncertainty of the measurements, but also the uncertainty of the evolution model of the system. However, the computational cost of full blown EKF increases rapidly as the number of the model parameters increases. Therefore the EKF method cannot be applied directly to the stratospheric ozone assimilation problem. The work in this thesis is devoted to the development of inversion methods for satellite instruments and the development of assimilation methods used with atmospheric models.

Design of Installation for Transport Measurements

In the present work the aim was to prepare an automatic installation for studies of galvanomagnetic effects in solids and to test it by calibration measurements. As a result required automatic installation was created in this work and test measurements were performed. Created setup automatically provides measurements of the magnetoresistance of the Hall effect with an accuracy of ± 2 µV in the temperature range 2 – 300 K and steady magnetic fields up to 6 T. The test measurements of the glassy carbon samples showed that the setup is reliable, has high sensitivity and is easy to use. The results obtained in the research process are pioneer and will be separately analyzed.