Spin-Dynamics in Cold Gases of 87Rb and Atomic Hydrogen. The spins they are a-changin’

In this thesis the dynamics of cold gaseous atoms is studied. Two different atomic species and two different experimental techniques have been used. In the first part of the thesis experiments with Bose-Einstein condensates of Rb-87 are presented. In these experiments the methods of laser cooling and magnetic trapping of atoms were utilized. An atom chip was used as the experimental technique for implementation of magnetic trapping. The atom chip is a small integrated instrument allowing accurate and detailed manipulation of the atoms. The experiments with Rb-87 probed the behaviour of a falling beam of atoms outcoupled from the Bose-Einstein condensate by electromagnetic field induced spin flips. In the experiments a correspondence between the phases of the outcoupling radio frequency field and the falling beam of atoms was found. In the second part of the thesis experiments of spin dynamics in cold atomic hydrogen gas are discussed. The experiments with atomic hydrogen are conducted in a cryostat using a dilution refrigerator as the cooling method. These experiments concentrated on explaining and quantifying modulations in the electron spin resonance spectra of doubly polarized atomic hydrogen. The modifications to the previous experimental setup are described and the observation of electron spin waves is presented. The observed spin wave modes were caused by the identical spin rotation effect. These modes have a strong dependence on the spatial profile of the polarizing magnetic field. We also demonstrated confinement of these modes in regions of strong magnetic field and manipulated their spatial distribution by changing the position of the field maximum.

Power Electronic Converters in Low-Voltage Direct Current Distribution – Analysis and Implementation

Over the recent years, smart grids have received great public attention. Many proposed functionalities rely on power electronics, which play a key role in the smart grid, together with the communication network. However, “smartness” is not the driver that alone motivates the research towards distribution networks based on power electronics; the network vulnerability to natural hazards has resulted in tightening requirements for the supply security, set both by electricity end-users and authorities. Because of the favorable price development and advancements in the field, direct current (DC) distribution has become an attractive alternative for distribution networks. In this doctoral dissertation, power electronic converters for a low-voltage DC (LVDC) distribution system are investigated. These include the rectifier located at the beginning of the LVDC network and the customer-end inverter (CEI) on the customer premises. Rectifier topologies are introduced, and according to the LVDC system requirements, topologies are chosen for the analysis. Similarly, suitable CEI topologies are addressed and selected for study. Application of power electronics into electricity distribution poses some new challenges. Because the electricity end-user is supplied with the CEI, it is responsible for the end-user voltage quality, but it also has to be able to supply adequate current in all operating conditions, including a short-circuit, to ensure the electrical safety. Supplying short-circuit current with power electronics requires additional measures, and therefore, the short-circuit behavior is described and methods to overcome the high-current supply to the fault are proposed. Power electronic converters also produce common-mode (CM) and radio-frequency (RF) electromagnetic interferences (EMI), which are not present in AC distribution. Hence, their magnitudes are investigated. To enable comprehensive research on the LVDC distribution field, a research site was built into a public low-voltage distribution network. The implementation was a joint task by the LVDC research team of Lappeenranta University of Technology and a power company Suur-Savon S¨ahk¨o Oy. Now, the measurements could be conducted in an actual environment. This is important especially for the EMI studies. The main results of the work concern the short-circuit operation of the CEI and the EMI issues. The applicability of the power electronic converters to electricity distribution is demonstrated, and suggestions for future research are proposed.

RFID-tekniikan käyttö betonielementtien tunnistamiseen

RFID on 2000-luvulla yleisesti saatavilla tullut tekniikka erilaisten kohteiden tunnistamiseen. RFID-tekniikassa tunnistamiseen käytetään pienikokoisia tunnisteita, joiden tietosisältö pystytään lukemaan langattomasti ilman näköyhteyttä tarkoitukseen soveltuvalla lukulaitteella. Tunnisteet ovat halpoja ja yksinkertaisia. Yleensä ne eivät sisällä omaa virtalähdettä, vaan ne toimivat ainoastaan lukulaitteen luoman kentän voimalla. Tässä työssä tutkitaan RFID-tekniikan soveltuvuutta betonista valmistettujen rakennuselementtien tunnistamiseen. Ympäristön vaikutukset tekniikan käyttöön tutkitaan ja selvitetään, mitkä ovat parhaat toimintatavat elementtien tunnistamiseen nämä vaikutukset huomioon ottaen. Työssä esitellään ensin RFID-tekniikan toimintaperiaatteet sekä tunnisteiden ja lukulaitteiden rakenne. Tunnisteiden jaottelu erilaisten ominasisuuksien perusteella käydään läpi ja sovellusalan kannalta tärkeimmät standardit esitellään. Käytännön osuudessa esitellään RFID-tekniikan soveltamista betonista valmistettujen rakennuselementtien tunnistamiseen. Työssä esitellään saavutetut mittaustulokset sekä betonielementtien tunnistamiseen ja tietojen hallintaan toteutetun järjestelmän rakenne.

Langattoman tiedonsiirron käyttö juoma-astioiden palautusautomaatissa

Työssä selvitetään radiotaajuustunnistamisen (RFID) toimintaperiaatteita ja radiotaajuustunnisteen käyttömahdollisuuksia juoma-astioiden palautusautomaatissa ja sen ympäristössä. Samoin työssä selvitetään Bluetooth:in, lyhyen kantaman radioteknologian, toimintaperiaatetta ja sen käyttömahdollisuuksia juoma-astioiden palautusautomaatissa ja sen ympäristössä. Radiotaajuustunnisteen käytöstä juoma-astioiden palautusautomaatissa käsitellään astioiden tunnistamista RFID-tunnisteen avulla ja RFID-tunnisteen käyttämistä paperisen kuitin korvaajana. Bluetooth-teknologian käytössä juoma-astioiden palautusautomaatin ympäristössä käsitellään nykyisten langallisten yhteyksien korvaamista Bluetooth-yhteydellä ja uusia käyttömahdollisuuksia.

Lääkintähuollon ja materiaalihallinnon yhtenäisen RFID-seurannan perusteita

Tässä diplomityössä tarkastellaan radiotaajuisen tunnistamisteknologian (RFID) seurannan yhtenäisiä perusteita puolustusvoimien lääkintähuollolle ja materiaalihallinnolle. Nykytilaa selvitettiin pääpainona lääkintähuollon ja materiaalihallinnon osa-alueet ja samalla tarkasteltiin koko puolustusvoimien RFIDtekniikan käyttöä. Puolustusvoimissa RFID-teknologiaa käytetään myös vaatehuollon ja kulunvalvonnan toiminnoissa. Tämän työn teoriaosuudessa tarkastellaan RFID-tekniikkaa ja sen komponentteja sekä niiden hyödyntämistä eri sektoreilla ja logistiikassa. Työn empiirisessä osuudessa selvitetään, mitkä ovat puolustusvoimien tarpeet RFID:n käytöllä ja vaatimuksia ensihoidon kiireellisyysluokittelulle (TRIAGE) sekä materiaalihallinnon ja niiden kautta saatavalle tilannekuvalle. Työn tuloksena saadaan perusteita puolustusvoimien RFID-ratkaisujen suunnittelun pohjaksi.

RFID-teknologian hyödyntäminen puolustusvoimien yksilöseurattavan materiaalin hallinnassa - CASE: maavoimat, Karjalan Prikaati

RFID-teknologian käyttöönotto on vakaassa kasvussa ja kiinnostus tekniikan soveltami-seen on erityisesti yksilöseurannan alueella. Diplomityössä on tutkittu RFID -teknologian mahdollisuuksia puolustusvoimien normaaliolojen kriittisen yksilöseurattavan materiaalin hallintaan. Case-joukko-osastona tutkimuksessa on toiminut Karjalan Prikaati. Tutkimus-aihetta on tarkasteltu prosessiajattelun näkökulmasta, mutta myös tiedon keräämistä on käsitelty. RFID-pohjainen tieto eroaa perinteisellä tavalla kerätystä tiedosta. RFID-teknologian hyödyntäminen tarjoaa kuitenkin entistä monipuolisemman ja virheettö-mämmän tiedon keräämisen reaaliajassa, joten se tukee hyvin prosessimaista toimintaa. Tutkimuksen painopisteenä on ollut logistiikan resurssien käytön tehostaminen RFID-teknologiaan tukeutuvan prosessimaisen toiminnan kautta. Tehokas prosessimainen toi-minta soveltuu hyvin sotilasorganisaatioihin. Prosessien määrittely ja kuvaaminen autta-vat tunnistamaan niissä ilmeneviä ongelmia ja samalla kuvaamaan mahdollisten muutos-ten vaikutukset prosesseihin sekä organisaatioihin. Perusteet prosessien uudelleen suun-nittelulle lähtevät prosessimaisen toiminnan tunnistamisesta ja kuvaamisesta. Case-joukko-osaston nykytilan kartoituksessa havaittiin, että joukko-osastotasolta on tähän asti puuttunut kokonaisvaltainen prosessimainen toimintatapa. Nykytila-analyysin pohjalta tutkimustyössä rakennettiin yksilöseurattavan materiaalin käsittelyä kuvaava toimintaprosessi, joka muodostui kuudesta eri osaprosessista. Tutki-mustyölle valitun painopisteen mukaisesti osaprosesseista viisi liittyi logistiikkaan ja kun-nossapitoon yksi. Tämän jälkeen keskityttiin tutkiman RFID-tekniikan avulla saavutetta-via keskeisiä hyötyjä. RFID-teknologian ja prosessimaisen toiminnan avulla joukko-osastotasolla on saavutettavissa useita hyötyjä verrattuna nykytilan toimintaan. Uudessa toimintatavassa keskeisiä tunnistettuja hyötyjä ovat toiminnan automatisoituminen, teho-kas tiedonkeruu, toiminnan hyvä laatu ja tehokkuus. Toiminnan tehokkuutta organisaati-on logistisissa toiminnoissa on siis mahdollista kasvattaa ja samalla lisätä näkyvyyttä toimitusketjun sisälle ja sen eri vaiheisiin. Lisäksi RFID-teknologian käyttöönotolla pys-tytään tukemaan hyvin puolustusvoimien kunnossapidon strategista kumppanuutta.

Broadband excitation in the system identification of active magnetic bearing rotor systems

One of the targets of the climate and energy package of the European Union is to increase the energy efficiency in order to achieve a 20 percent reduction in primary energy use compared with the projected level by 2020. The energy efficiency can be improved for example by increasing the rotational speed of large electrical drives, because this enables the elimination of gearboxes leading to a compact design with lower losses. The rotational speeds of traditional bearings, such as roller bearings, are limited by mechanical friction. Active magnetic bearings (AMBs), on the other hand, allow very high rotational speeds. Consequently, their use in large medium- and high-speed machines has rapidly increased. An active magnetic bearing rotor system is an inherently unstable, nonlinear multiple-input, multiple-output system. Model-based controller design of AMBs requires an accurate system model. Finite element modeling (FEM) together with the experimental modal analysis provides a very accurate model for the rotor, and a linearized model of the magneticactuators has proven to work well in normal conditions. However, the overall system may suffer from unmodeled dynamics, such as dynamics of foundation or shrink fits. This dynamics can be modeled by system identification. System identification can also be used for on-line diagnostics. In this study, broadband excitation signals are adopted to the identification of an active magnetic bearing rotor system. The broadband excitation enables faster frequency response function measurements when compared with the widely used stepped sine and swept sine excitations. Different broadband excitations are reviewed, and the random phase multisine excitation is chosen for further study. The measurement times using the multisine excitation and the stepped sine excitation are compared. An excitation signal design with an analysis of the harmonics produced by the nonlinear system is presented. The suitability of different frequency response function estimators for an AMB rotor system are also compared. Additionally, analytical modeling of an AMB rotor system, obtaining a parametric model from the nonparametric frequency response functions, and model updating are discussed in brief, as they are key elements in the modeling for a control design. Theoretical methods are tested with a laboratory test rig. The results conclude that an appropriately designed random phase multisine excitation is suitable for the identification of AMB rotor systems.

Automatic system identification and optimization of centrifugal pump operation

Centrifugal pumps are a notable end-consumer of electrical energy. Typical application of a centrifugal pump is the filling or emptying of a reservoir tank, where the pump is often operated at a constant speed until the process is completed. Installing a frequency converter to control the motor substitutes the traditional fixed-speed pumping system, allows the optimization of rotational speed profile for the pumping tasks and enables the estimation of rotational speed and shaft torque of an induction motor without any additional measurements from the motor shaft. Utilization of variable-speed operation provides the possibility to decrease the overall energy consumption of the pumping task. The static head of the pumping process may change during the pumping task. In such systems, the minimum rotational speed changes during reservoir filling or emptying, and the minimum energy consumption can’t be achieved with a fixed rotational speed. This thesis presents embedded algorithms to automatically identify, optimize and monitor pumping processes between supply and destination reservoirs, and evaluates the changing static head –based optimization method.

Tunable lumped-element bandpass filters for Cognitive Radio application

In this thesis the design of bandpass filters tunable at 400 MHz – 800 MHz was under research. Microwave filters are vital components which provide frequency selectivity in wide variety of electronic systems operating at high frequencies. Due to the occurrence of multi-frequency bands communication and diverse applications of wireless devices, requirement of tunable filters exists. The one of potential implementation of frequency-agile filters is frontends and spectrum sensors in Cognitive Radio (CR). The principle of CR is to detect and operate at a particular available spectrum without interfering with the primary user’s signals. This new method allows improving the efficiency of utilizing allocated spectrum such as TV band (400 MHz – 800 MHz). The focus of this work is development of sufficiently compact, low cost tunable filters with quite narrow bandwidth using currently available lumped-element components and PCB board technology. Filter design, different topologies and methods of tuning of bandpass filters are considered in this work. As a result, three types of topologies of bandpass filter were simulated and realised. They use digitally tunable capacitors (DTCs) for adjusting central frequency at TV "white space" spectrum. Measurements revealed that schematics presented in this work have proper output response and filters are successfully tuned by DTCs.

Viivakoodien ja RFID-tunnisteiden vertailu Fetek Oy:n käyttöön

Työn tavoitteena oli vähentää levyaihioiden hakuun käytettävää aikaa varastossa. Tutkimus perustuu kirjallisuuteen ja tieteellisiin lähteisiin. Fetek Oy:n levyvarastoon soveltuvaksi tunnistusjärjestelmäksi osoittautui viivakooditekniikkaan perustuva QR-koodi. QR-koodien valmistus onnistuu yrityksessä ja koodiin saadaan mahtumaan kaikki tarvittava tieto levyistä. Koodien lukeminen onnistuu työpuhelimella tai erillisellä lukijalla. Koodien käyttöönotto ja päivittäminen oli kustannustehokkain ratkaisu yrityksen tarpeisiin. Olemassa olevaa varastoa myös päätettiin selkeyttää käyttämällä väritunnistusta hyllyissä ja ottamalla käyttöön LEAN 5S. Värikoodaus nopeuttaa tunnistusta huomattavasti ja LEAN 5S puolestaan auttaa pitämään tuotantotilat aina järjestyksessä. Jatkotutkimuksessa tulisi parantaa tuotantotilojen järjestelyä ja miettiä yrityksen käytössä olevan varastonhallintaohjelmiston soveltuvuutta.