Kalibrointimenetelmä planaaristen siirtojohtojen mittaamiseen

Tässä diplomityössä tutkittiin TRL-kalibroinnin käyttämistä tasomaisten siirtojohtojen sähköisten parametrien määrittämisessä taajuusalueella 0,3 – 12 GHz. Työssä perehdyttiin TRL-kalibroinnin käyttämiseen piirianalysaattorilla toteutettujen mittauksien mittauskalibrointiin sekä kalibrointiin tarvittavien kalibrointistandardien mitoittamiseen. Kalibrointistandardit suunniteltiin ja toteutettiin sekä mikroliuska- että liuskajohdoille, joiden toiminnallisuutta tarkasteltiin sekä taajuustason että aikatason mittausten avulla. Työssä perehdyttiin myös kalibrointistandardien liityntärajapinnan suunniteluun ja toteuttamiseen. Saatujen tulosten perusteella voitiin osoittaa mikroliuskajohtokitin soveltuvan hyvin mittauskalibroinnin toteuttamiseen tarkoissa mittaussovelluksissa.

Prosessiparametrien vaikutus polymeerien diodilaserhitsaukseen

Diplomityössä tutkittiin polymeerien diodilaserhitsausta ja tavoitteena oli selvittää eri prosessiparametrien vaikutus hitsin laatuun. Kokeissa käytettyjä hitsausmenetelmiä olivat jatkuva hitsaus, puolisimultaanihitsaus ja Clearweld-menetelmä. Materiaaleina käytettiin polykarbonaattia ja ABS + PC -seosta. Kokeissa tarkasteltiin prosessiparametrien vaikutusta hitsin lujuuteen, leveyteen sekä hitsin tuhoutumiseen ja huokoisuuteen. Hitsin lujuus kasvoi hitsaustehoa nostettaessa tiettyyn pisteeseen asti, jonka jälkeen hitsi alkoi tuhoutumaan ja lujuus lähti laskuun. Hitsaustehon lisäksi hitsin lujuuteen vaikuttavia prosessiparametreja olivat hitsausnopeus ja ilmarako, joiden kasvaessa hitsin lujuus laski. Lisäksi puolisimultaanihitsauksessa pyyhkäisyjen määrä vaikutti hitsin lujuuteen; suuremmalla pyyhkäisyjen määrällä saatiin lujempi hitsi. Hitsin leveydellä ja lujuudella ei ollut vaikutusta toisiinsa, mutta hitsin tuhoutumisella ja huokosten määrällä hitsissä oli selkeä yhteys hitsin lujuuteen. Kun hitsissä alkoi esiintyä tuhoutumista, hitsin lujuus lähti laskuun. Clearweld-menetelmällä tarvittavat hitsaustehot olivat samaa suuruusluokkaa kuin jatkuvassa hitsauksessa. Hitsausparametrialueeseen, jolla saadaan aikaan laadukas hitsi, vaikuttavat hitsausteho, hitsausnopeus, ilmarako ja säteen tehotiheys sekä puolisimultaanihitsauksessa pyyhkäisyjen määrä. Hitsausnopeuden ja ilmaraon kasvaessa parametrialue kapenee. Paras liitos saadaan aikaiseksi, kun kappaleiden välillä ei ole ilmarakoa. Tällöin myös hitsausparametrialue on laajempi.

Taajuusmuuttajan verkkovirran yliaallot pienitehoisissa kolmivaihekäytöissä

Pienitehoisessa taajuusmuuttajassa verkkojännite tasasuunnataan yleisesti diodisillalla. Taajuusmuuttajaa kuormitettaessa diodisilta aiheuttaa sen, että verkosta otettava virta on epäsinimuotoista ja sisältää runsaasti eri kertalukujen yliaaltoja. Tällainen virta vääristää verkon jännitettä sekä aiheuttaa häviöitä, resonansseja ja toimintaepävarmuutta sähkönjakeluverkkoon liitetyissä laitteissa ja komponenteissa. Työssä on tarkasteltu pienitehoisen kolmivaiheisen taajuusmuuttajan tulovirrassa esiintyviä yliaaltoja ja keinoja niiden rajoittamiseksi. Laitevalmistajien osalta syynä aiheen tutkimiseen ja kiinnostavuuteen ovat lähinnä uudet yliaaltoja käsittelevät standardit. Työssä onkin tutustuttu tarvittavin osin standardoinnin nykytilaan sekä seurattu standardeja valmistelevien työryhmien työtä ja tätä kautta perehdytty alaa käsittelevien standardien tulevaisuudennäkymiin Euroopan Unionin alueella. Käsittely on kohdistettu kolmivaiheisiin laitteisiin. Standardi IEC 61000-3-2 asettaa yliaaltorajat ammattikäyttöön tarkoitetuille laitteille, kun laitteen tuloteho on korkeintaan 1 kW. Tällä tehoalueella riittää kolmivaihelaitteille kuristimilla suoritettu passiivinen suodatus täyttämään asetetut viranomaisvaatimukset. Tähän liittyen on suunniteltu kolmivaihekuristin, joka on tarkoitettu käytettäväksi taajuusmuuttajasarjan lisävarusteena tehoalueella 0.12…2.2 kW.

Fusion weld metal solidification:Continuum from weld interface to centerline

We present a brief résumé of the history of solidification research and key factors affecting the solidification of fusion welds. There is a general agreement of the basic solidification theory, albeit differing - even confusing - nomenclatures do exist, and Cases 2 and 3 (the Chalmers' basic boundary conditions for solidification, categorized by Savage as Cases) are variably emphasized. Model Frame, a tool helping to model the continuum of fusion weld solidification from start to end, is proposed. It incorporates the general solidification models, of which the pertinent ones are selected for the actual modeling. The basic models are the main solidification Cases 1…4. These discrete Cases are joined with Sub-Cases: models of Pfann, Flemings and others, bringing needed Sub-Case variables into the model. Model Frame depicts a grain growing from the weld interface to its centerline. Besides modeling, the Model Frame supports education and academic debate. The new mathematical modeling techniques will extend its use into multi-dimensional modeling, introducing new variables and increasing the modeling accuracy. We propose a model: melting/solidification-model (M/S-model) - predicting the solute profile at the start of the solidification of a fusion weld. This Case 3-based Sub-Case takes into account the melting stage, the solute back-diffusion in the solid, and the growth rate acceleration typical to fusion welds. We propose - based on works of Rutter & Chalmers, David & Vitek and our experimental results on copper - that NEGS-EGS-transition is not associated only with cellular-dendritic-transition. Solidification is studied experimentally on pure and doped copper with welding speed range from 0 to 200 cm/min, with one test at 3000 cm/min. Found were only planar and cellular structures, no dendrites - columnar or equiaxed. Cell sub structures: rows of cubic elements we call "cubelettes", "cell-bands" and "micro-cells", as well as an anomalous crack morphology "crack-eye", were detected, as well as microscopic hot crack nucleus we call "grain-lag cracks", caused by a grain slightly lagging behind its neighbors in arrival to the weld centerline. Varestraint test and R-test revealed a change of crack morphologies from centerline cracks to grainand cell boundary cracks with an increasing welding speed. High speed made the cracks invisible to bare eye and hardly detectable with light microscope, while electron microscope often revealed networks of fine micro-cracks.

Piikarbidipuolijohdekomponentit tehoelektroniikassa

Piikarbidi (SiC) on tunnettu korkealuokkaisena hioma-aineena ja hiekkapaperin pin-noitteena yli 100 vuoden ajan. Nykyisin ainetta käytetään pääasiassa puolijohteiden raaka-aineena. Piikarbidi on puolijohteena ylivoimainen tavanomaiseen piihin (Si) verrattuna lähes joka suhteessa johtuen sen kiderakenteesta, mutta sen valmistus on osoittautunut erittäin monimutkaiseksi johtuen pääasiassa vaikeudesta kasvattaa riittävän suuria ja laadukkaita SiC-kiteitä. Siksi tehoelektroniikan SiC-puolijohdekomponenttien laajamittaista käyttöä joudutaan yhä odottamaan. Tässä diplomityössä tehdään perusteellinen selvitys, miten piikarbidin valmistuspro-sessit eroavat normaaleista piin valmistusprosesseista, mitä etuja piikarbidin käytöllä saavutetaan ja vastaavasti mitä varjopuolia sillä on. Työssä selvitetään tällä hetkellä markkinoilla olevien SiC-tehopuolijohdekomponenttien ominaisuuksia, ketkä ovat teh-neet tutkimusta alalla, sekä esitetään arvioita SiC-tekniikan tulevaisuuden näkymistä.

Applying Active Front End To Multilevel Inverter

The aim of this work was to make an active front end from IGBTs for a multilevel inverter. The work was done for Mosart II, a long term still ongoing Vacon Oyj project. The purpose of the AFE is to balance the DC-voltage and to put the returning power back to the grid instead of the breaking chopper and the capacitor. With a diode rectifier the bridge only allows power to pass in one direction and the switching times are not controllable. That means the rectifier always takes the highest phase and the phases are always conducting the same 120◦. With an AFE it is possible to actively change the rectifiers switching pattern. A diode bridge also generates much greater losses than an IGBT bridge. With these arguments it is rational to start researching the possibility of an AFE in a multilevel inverter.

Reconstruction and analysis of surface variation using photometric stereo

In many industrial applications, accurate and fast surface reconstruction is essential for quality control. Variation in surface finishing parameters, such as surface roughness, can reflect defects in a manufacturing process, non-optimal product operational efficiency, and reduced life expectancy of the product. This thesis considers reconstruction and analysis of high-frequency variation, that is roughness, on planar surfaces. Standard roughness measures in industry are calculated from surface topography. A fast and non-contact method to obtain surface topography is to apply photometric stereo in the estimation of surface gradients and to reconstruct the surface by integrating the gradient fields. Alternatively, visual methods, such as statistical measures, fractal dimension and distance transforms, can be used to characterize surface roughness directly from gray-scale images. In this thesis, the accuracy of distance transforms, statistical measures, and fractal dimension are evaluated in the estimation of surface roughness from gray-scale images and topographies. The results are contrasted to standard industry roughness measures. In distance transforms, the key idea is that distance values calculated along a highly varying surface are greater than distances calculated along a smoother surface. Statistical measures and fractal dimension are common surface roughness measures. In the experiments, skewness and variance of brightness distribution, fractal dimension, and distance transforms exhibited strong linear correlations to standard industry roughness measures. One of the key strengths of photometric stereo method is the acquisition of higher frequency variation of surfaces. In this thesis, the reconstruction of planar high-frequency varying surfaces is studied in the presence of imaging noise and blur. Two Wiener filterbased methods are proposed of which one is optimal in the sense of surface power spectral density given the spectral properties of the imaging noise and blur. Experiments show that the proposed methods preserve the inherent high-frequency variation in the reconstructed surfaces, whereas traditional reconstruction methods typically handle incorrect measurements by smoothing, which dampens the high-frequency variation.

Tehokerrointa korjaava skalaariohjaus puoliohjatussa ja kuusikytkintasasuuntaajassa

Verkon harmonisvirtoja rajoittavien standardien tiukentuessa joudutaan etenkin suuritehoisissa tehoelektronisissa laitteissa siirtymään aktiivisiin transistoriohjattuihin tasasuuntaajiin, jotka korjaavat tehokerrointa ja siten pienentävät verkkoon kytkeytyviä häiriövirtoja. Tässä diplomityössä esitellään yleisimpien kolmivaiheisten tasasuuntaajatopologioiden eroja ja vertaillaan puoliohjatun kolmikytkintopologian ja kuusikytkintopologian suorituskykyä tehokertoimen ja harmonissärön osalta, 16 kilowatin teholuokan taajuusmuuttajassa. Tasasuuntaajille tehtiin skalaariohjaukseen perustuva simulointimalli. Työn tavoitteena esitellään simulointitulokset harmonistason sekä tehokertoimen osalta. Työ liittyy Lappeenrannan teknillisen yliopiston sovelletun elektroniikan laboratorion ja Vacon Oyj:n yhteiseen hankkeeseen.

Simulations of 3D Stripixel Detectors

Large Hadron Collider (LHC) is the main particle accelerator at CERN. LHC is created with main goal to search elementary particles and help science investigate our universe. Radiation in LHC is caused by charged particles circular acceleration, therefore detectors tracing particles in existed severe conditions during the experiments must be radiation tolerant. Moreover, further upgrade of luminosity (up to 1035 cm-2s-1) requires development of particle detector’s structure. This work is dedicated to show the new type 3D stripixel detector with serious structural improvement. The new type of radiation-hard detector has a three-dimensional (3D) array of the p+ and n+ electrodes that penetrate into the detector bulk. The electrons and holes are then collected at oppositely biased electrodes. Proposed 3D stripixel detector demonstrates that full depletion voltage is lower that that for planar detectors. Low depletion voltage is one of the main advantages because only depleted part of the device is active are. Because of small spacing between electrodes, charge collection distances are smaller which results in high speed of the detector’s response. In this work is also briefly discussed dual-column type detectors, meaning consisting both n+ and p+ type columnar electrodes in its structure, and was declared that dual-column detectors show better electric filed distribution then single sided radiation detectors. The dead space or in other words low electric field region in significantly suppressed. Simulations were carried out by using Atlas device simulation software. As a simulation results in this work are represented the electric field distribution under different bias voltages.

Dimensioning DC-voltage capacitor for a DC-distribution system and dynamic analysis

Technical analysis of Low Voltage Direct Current (LVDC) distribution systems shows that in LVDC transmission the customer voltage quality is higher. One of the problems in LVDC distribution networks that converters both ends of the DC line are required. Because of the converters produce not pure DC voltage, but some fluctuations as well, the huge electrolytic capacitors are required to reduce voltage distortions in the DC-side. This thesis master’s thesis is focused on calculating required DC-link capacitance for LVDC transmission and estimation of the influence of different parameters on the voltage quality. The goal is to investigate the methods of the DC-link capacitance estimation and location in the transmission line.

Tasajännitetason nosto polttokennosovelluksessa

Polttokennojen, erityisesti SOFC-kennojen, tutkimuksessa on viime vuosina saavutettu merkittäviä edistysaskelia ja mahdollisuudet kennojen laajamittaiseen hyödyntämiseen paranevat koko ajan. Polttokennojen yleistyessä tarvitaan tehoelektroniikkaa muokkaamaan kennojen tasajännite verkkoon sopivaksi vaihtojännitteeksi. Verkkovaihtosuuntaaja vaatii korkeamman jännitetason, kuin polttokennosta on saatavissa, joten tasajännitetasoa on ensin nostettava. Tässä diplomityössä esitellään kolme eri hakkuritopologiaa ja perehdytään kokosiltahakkurin optimointiin. Hakkurin pääasialliset häviölähteet olivat toision diodisilta ja transistorit. Diodien vaihtaminen piidiodeista piikarbididiodeihin ei parantanut hyötysuhdetta, koska toision jännite tarkastellussa sovelluksessa oli matala. Muuntajan käämiminen litz-johtimella paransi hyötysuhdetta merkittävästi.

3D Stripixel Detectors Simulation

Solid-state silicon detectors have replaced conventional ones in almost all recent high-energy physics experiments. Pixel silicon sensors don't have any alternative in the area near the interaction point because of their high resolution and fast operation speed. However, present detectors hardly withstand high radiation doses. Forthcoming upgrade of the LHC in 2014 requires development of a new generation of pixel detectors which will be able to operate under ten times increased luminosity. A planar fabrication technique has some physical limitations; an improvement of the radiation hardness will reduce sensitivity of a detector. In that case a 3D pixel detector seems to be the most promising device which can overcome these difficulties. The objective of this work was to model a structure of the 3D stripixel detector and to simulate electrical characteristics of the device. Silvaco Atlas software has been used for these purposes. The structures of single and double sided dual column detectors with active edges were described using special command language. Simulations of these detectors have shown that electric field inside an active area has more uniform distribution in comparison to the planar structure. A smaller interelectrode space leads to a stronger field and also decreases the collection time. This makes the new type of detectors more radiation resistant. Other discovered advantages are the lower full depletion voltage and increased charge collection efficiency. So the 3D stripixel detectors have demonstrated improved characteristics and will be a suitable replacement for the planar ones.

Ledivalaisimet rautatiealueiden valaistuksessa

Leditekniikan kehitys viime vuosina on mahdollistanut niiden käytön yleisvalaistuksessa. Tässä työssä tehdään katsaus leditekniikan nykytilaan ja tulevaisuuteen, sekä osoitetaan, että ledivalaisimien energiankulutuksessa ja huoltokustannuksissa tehdyillä säästöillä voidaan kattaa suuremmat hankintakustannukset ja päästä yhtä suuriin tai pienempiin elinkaarikustannuksiin verrattuna perinteisiin kaasupurkausvalaisimiin. Valaisimien määrät on laskettu Dialux-valaistuslaskentaohjelmalla siten että rautatieasemien avolaitureiden ja katettujen laitureiden valaistusvaatimukset täyttyvät. Tuloksia voi soveltaa muihin vastaaviin tiloihin kuten asematunneleihin tai kevyen liikenteen väylille.

Happidispersion karakterisointi laboratoriosekoittimessa

Työn tarkoituksena oli tarkastella uutta kuvantamistekniikkaa käyttäen happikaasun dispergointia keskisakeuksisen massasuspension joukkoon laboratoriosekoittimessa. Työssä pyrittiin tarkastelemaan muodostuvan dispersion homogeenisuutta neljästä eri kuvauspisteestä sekoittimen kannesta ja kyljestä. Samalla tarkasteltiin myös sekoittimen tehonkulutusta sekä tehonkulutuksen ja aikaansaadun dispersion välistä yhteyttä. Työn yhtenä tarkoituksena oli myös tarkastella uuden kuvantamistekniikan mahdollisuuksia tämäntyyppisissä sovellutuksissa, sillä työ kuuluu PulpVision-projektiin, jossa kehitetään massa- ja paperiteollisuuden uusia konenäkösovellutuksia. Työn kokeellinen osuus koostui sekoituskokeista, joissa tarkasteltiin neljästä kuvauspisteestä kahdella sekoittimen nopeudella mänty- ja koivususpensioihin muodostuvaa kuplakokojakaumaa. Sekoituskokeiden lisäksi tehtiin tehonkulutuskokeita, joissa tarkasteltiin sekoittimen tehonkulutusta sekoittimen täyttöasteen funktiona koivu- ja mäntysuspensioilla sekä vedellä. Työn tuloksien perusteella todettiin, että koivususpensiosta havaittujen kuplien pinta-ala oli noin puolet mäntysuspensiosta havaittujen kuplien pinta-alasta. Sekoittimen roottorin pyörimisnopeuden puolittuessa suspensioon dispergoidun hapen kuplakoko kasvoi huomattavasti. Neljästä kuvausyhteestä tarkasteltuna havaittiin pienimpien kuplien esiintyvän sekoittimen alaosassa. Mäntysuspension tehonkulutuksen havaittiin kasvavan viidenneksellä, kun sekoittimen täyttöaste kasvoi 10 %, kun taas koivususpension tehonkulutuksen kasvu oli tästä vain puolet. Kuvantamislaitteiston todettiin olevan tämänkaltaiseen sovellutukseen riittävä, varsinkin kun valonlähteenä käytetään pulssilaseria.

Design and characterization of large area position sensitive radiation detectors

Planar, large area, position sensitive silicon detectors are widely utilized in high energy physics research and in medical, computed tomography (CT). This thesis describes author's research work relating to development of such detector components. The key motivation and objective for the research work has been the development of novel, position sensitive detectors improving the performance of the instruments they are intended for. Silicon strip detectors are the key components of barrel-shaped tracking instruments which are typically the innermost structures of high energy physics experimental stations. Particle colliders such as the former LEP collider or present LHC produce particle collisions and the silicon strip detector based trackers locate the trajectories of particles emanating from such collisions. Medical CT has become a regular part of everyday medical care in all developed countries. CT scanning enables x-ray imaging of all parts of the human body with an outstanding structural resolution and contrast. Brain, chest and abdomen slice images with a resolution of 0.5 mm are possible and latest CT machines are able to image whole human heart between heart beats. The two application areas are presented shortly and the radiation detection properties of planar silicon detectors are discussed. Fabrication methods and preamplifier electronics of the planar detectors are presented. Designs of the developed, large area silicon detectors are presented and measurement results of the key operating parameters are discussed. Static and dynamic performance of the developed silicon strip detectors are shown to be very satisfactory for experimental physics applications. Results relating to the developed, novel CT detector chips are found to be very promising for further development and all key performance goals are met.