Development of the Acoustic Emission Based Diagnostics Concept for the Rotary Lime Kiln

Reaaliaikainen, ennakoiva kunnonvalvonta on erittäin tärkeä osa modernin tehtaan tai tuotantolinjan toimintaa. Diplomityön teettäjä haluaa edelleen kehittää akustiseen emissioon perustuvaa kunnonvalvonta järjestelmäänsä, jotta siitä olisi enemmän hyötyä asiakkaalle. Diplomityö sisältää johdannonakustiseen emissioon ja akustisiin emissio sensoreihin. Työn tavoitteena oli kehittää päätöksentekojärjestelmä, jota käytettäisiin työn teettäjän valmistamien sensoreiden antaman tiedon automatisoituun analysointiin. Työssä on vertailtu kolmea eri ohjelmistotoimittajaa ja heidän ohjelmiaan, ja tehty ehdotus hankittavasta ohjelmistosta. Lisäksi työssä on kehitetty ohjeita, joiden avulla ohjelmisto ohjelmoidaan tuottamaan reaaliaikaista tietoa ja huolto-ohjeita sen käyttäjille. Lisäksi työssä annetaan ehdotuksia kunnonvalvonta- ja päätöksentekojärjestelmän edelleen kehittämiseen.

Observations of Acoustic Emission in Power Semiconductors

Industrial, electrical power generation, and transportation systems, to name but a few, rely heavily on power electronics to control and convert electrical power. Each of these systems, when encountering an unexpected failure, can cause significant financial losses, or even an emergency. A condition monitoring system would help to alleviate these concerns, but for the time being, there is no generally accepted and widely adopted method for power electronics. Acoustic emission is used as a failure precursor in many applications, but it has not been studied in power electronics so far. In this doctoral dissertation, observations of acoustic emission in power semiconductor components are presented. The acoustic emissions are caused by the switching operation and failure of power transistors. Three types of acoustic emission are observed. Furthermore, aspects related to the measurement and detection of acoustic phenomena are discussed. These include sensor performance and mechanical construction of experimental setups. The results presented in this dissertation are the outset of a research program where it will be determined whether an acoustic-emission-based condition monitoring method can be developed.

Akustisen emission anturin signaalin esikäsittelypiirin selvittäminen ja prototyypin toteuttaminen

Tämän työn tavoitteena oli selvittää ja toteuttaa esikäsittelypiirin prototyyppi akustisen emission anturin signaalille. Toteutettu esikäsittelypiiri toimii yksipuoleisella käyttöjännitteellä. Työssä käydään läpi esikäsittelypiirin suunnitteluun liittyvät vaiheet laskelmien ja simulaatioiden muodossa. Lisäksi työssä esitetään mittaustulokset esikäsittelypiirin toiminnasta.

Deep-hole drilling process, monitoring system and sensors modifications

 In the drilling processes and especially deep-hole drilling process, the monitoring system and having control on mechanical parameters (e.g. Force, Torque,Vibration and Acoustic emission) are essential. The main focus of this thesis work is to study the characteristics of deep-hole drilling process, and optimize the monitoring system for controlling the process. The vibration is considered as a major defect area of the deep-hole drilling process which often leads to breakage of the drill, therefore by vibration analysis and optimizing the workpiecefixture, this area is studied by finite element method and the suggestions are explained. By study on a present monitoring system, and searching on the new sensor products, the modifications and recommendations are suggested for optimize the present monitoring system for excellent performance in deep-hole drilling process research and measurements.

Venttiilien kunnossapidon optimointi

Tässä työssä tarkastellaan venttiilien kunnossapitoa ja erityisesti niiden kunnonvalvontaa. Työssä on kerrottu perusteita venttiileiden kunnonvalvonnan suorittamiseksi, venttiili- ja toimilaitevikojen perussyistä ja niiden havaitsemisesta. Työn pääpaino on kuitenkin kunnonvalvontamenetelmissä ja niiden käytössä. Mittauksia venttiilivuodon havaitsemiseksi suoritettiin akustisen emission, ultraäänen ja lämpötilan pistemittauksen avulla. Venttiilien yleistä kuntoa määritettiin värähtelyn, venymäliuskojen ja laitoksella jo toimivan moottoritoimilaitteen virtamittauksen avulla. Työssä on annettu suuntaviivat tulosten tulkitsemiselle, mutta yksityiskohtainen ja tarkempi tulosten tulkinnan määrittäminen jätetään laitoksen henkilökunnasta sille henkilölle joka mittauksia tulee tekemään tai jonka työnkuvaan muuten kuuluu kyseisten tulosten tulkitseminen.

Control of Bubbling Fluidized Bed Conditions

The objectives of this master’s thesis were to understand the importance of bubbling fluidized bed (BFB) conditions and to find out how digital image processing and acoustic emission technology can help in monitoring the bed quality. An acoustic emission (AE) measurement system and a bottom ash camera system were evaluated in acquiring information about the bed conditions. The theory part of the study describes the fundamentals of BFB boiler and evaluates the characteristics of bubbling bed. Causes and effects of bed material coarsening are explained. The ways and methods to monitor the behaviour of BFB are determined. The study introduces the operating principles of AE technology and digital image processing. The empirical part of the study describes an experimental arrangement and results of a case study at an industrial BFB boiler. Sand consumption of the boiler was reduced by optimization of bottom ash handling and sand feeding. Furthermore, data from the AE measurement system and the bottom ash camera system was collected. The feasibility of these two systems was evaluated. The particle size of bottom ash and the changes in particle size distribution were monitored during the test period. Neither of the systems evaluated was ready to serve in bed quality control accurately or fast enough. Particle size distributions according to the bottom ash camera did not correspond to the results of manual sieving. Comprehensive interpretation of the collected AE data requires much experience. Both technologies do have potential and with more research and development they may enable acquiring reliable and real-time information about the bed conditions. This information could help to maintain disturbance-free combustion process and to optimize bottom ash handling system.

Effect of soil wetness on air composition and nitrous oxide emission in a loam soil

Selostus: Maan märkyyden vaikutus ilman koostumukseen ja dityppioksidiemissioon hiuemaassa

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.

Emission Trading and Tradable Green Certificates Impacts on the Business Activity of Vattenfall Oy

Ihmisen toiminnan vaikutus ilmakehään johtaa todennäköisesti ilmastonmuutoksiin. Eräs näistä muutoksista on maapallon keskilämpötilan nousu, joka aiheutuu kasvihuonekaasujen lisääntyneestä pitoisuudesta ilmakehässä. Vaikutusten vähentämiseksi on hiilidioksidipäästöjä vähennettävä. Kioton pöytäkirja asettaa allekirjoittaneille maille päästövelvoitteet. Euroopan unionin tulee vähentää kasvihuonekaasupäästöjään 8%:lla. Eräs vähennysmekanismeista on päästökauppa. Päästökauppa on sekä keino suojella ympäristöä että ympäristöpoliittinen instrumentti kasvihuonekaasupäästövähennysten kustannusten keventämiseksi. Päästökauppa ei suoranaisesti vähennä kasvihuonekaasupäästöjä, vaan tasaa niitä maiden ja laitosten välillä. Uusiutuvan energian käytön edistäminen sekä kansainvälisesti että kansallisesti johtaa suoriin kasvihuonekaasupäästöjen vähenemiseen. Euroopan unionin jäsenvaltiot ovat asettaneet kansalliset viitearvot uusituvan sähkön kulutukselle. Saavuttaakseen nämä viitearvot maiden tulee tukea uusiutuvia energialähteitä eri menetelmin kuten vihreillä sertifikaateilla. Päästökauppa ja kaupattavat vihreät sertifikaatit tulevat vaikuttamaan energiantuottajien liiketoimintaan. Työssä on tutkittu päästökaupan ja vihreiden sertifikaattien vaikutuksia Vattenfall Kaukolämpö Oy:n, Vattenfall Sähköntuotanto Oy:n ja Vamy Oy:n liiketoimintaan.

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.

Odor emission control and reduce in betaine manufacture

This thesis was made in Naantali plant of Finnfeeds Finland Oy. In this thesis the main study was in reducing, controlling, measuring and processing odour effluents in various methods. Also are considered legislation, marketing issues and environmental requirements of reducing of odour effluents. The literature review introduces odours complications, legislations and various methods of odour removal. There is also a review of volatile organic compounds detection and measuring methods. The experimental section consists TD-GC-MS-measurements and expansive measurements with electronic nose. Electronic nose is a new solution for recognition and measuring industrial odours. In this thesis the electronic nose was adapted into reliable recognition and measuring method. Measurements with electronic nose was made in betaine factory and main targets were odour removal process and other odours from factory. As a result of experimental work with TD-GC-MS-measurements becomes odour compound of 2-and 3- methylbutanal and dimethyldisulfide, which odour is sweet and fug. Extensive study with electronic nose found many developmental subjects. Odour balance measurements of factory and after calculation made adjustment of odour removal process, over all odour effluent to environment will reduce 25 %.

Performance and Methodological Aspects in Positron Emission Tomography

Performance standards for Positron emission tomography (PET) were developed to be able to compare systems from different generations and manufacturers. This resulted in the NEMA methodology in North America and the IEC in Europe. In practices, the NEMA NU 2- 2001 is the method of choice today. These standardized methods allow assessment of the physical performance of new commercial dedicated PET/CT tomographs. The point spread in image formation is one of the factors that blur the image. The phenomenon is often called the partial volume effect. Several methods for correcting for partial volume are under research but no real agreement exists on how to solve it. The influence of the effect varies in different clinical settings and it is likely that new methods are needed to solve this problem. Most of the clinical PET work is done in the field of oncology. The whole body PET combined with a CT is the standard investigation today in oncology. Despite the progress in PET imaging technique visualization, especially quantification of small lesions is a challenge. In addition to partial volume, the movement of the object is a significant source of error. The main causes of movement are respiratory and cardiac motions. Most of the new commercial scanners are in addition to cardiac gating, also capable of respiratory gating and this technique has been used in patients with cancer of the thoracic region and patients being studied for the planning of radiation therapy. For routine cardiac applications such as assessment of viability and perfusion only cardiac gating has been used. However, the new targets such as plaque or molecular imaging of new therapies require better control of the cardiac motion also caused by respiratory motion. To overcome these problems in cardiac work, a dual gating approach has been proposed. In this study we investigated the physical performance of a new whole body PET/CT scanner with NEMA standard, compared methods for partial volume correction in PET studies of the brain and developed and tested a new robust method for dual cardiac-respiratory gated PET with phantom, animal and human data. Results from performance measurements showed the feasibility of the new scanner design in 2D and 3D whole body studies. Partial volume was corrected, but there is no best method among those tested as the correction also depends on the radiotracer and its distribution. New methods need to be developed for proper correction. The dual gating algorithm generated is shown to handle dual-gated data, preserving quantification and clearly eliminating the majority of contraction and respiration movement

Clinically occult metastases in patients with cutaneous melanoma. Detection with sentinel lymph node biopsy and whole body positron emission tomography

Objective: The aim of this study was to investigate the use of sentinel lymph node biopsy (SLNB) and whole body positron emission tomography (PET), with emphasis on surgical treatment and prognosis, in the detection of clinically occult metastases in patients with clinically localized cutaneous melanoma. Patients and methods: The study population consisted of 1255 patients with clinical stage I–II cutaneous melanoma, operated at Turku University Hospital between 1983 and 2007. 334 patients underwent SLNB and they were compared to 921 retrospective patients. A subgroup of 30 symptom-free patients with high risk melanoma underwent prospectively whole body PET 6–24 months postoperatively. Results: Overall, the disease-specific survival rate was 84.4 % at five years. Sex, Breslow thickness, age and nodal status were independent prognostic factors for survival. SLNB revealed occult nodal metastases in 17 % of the patients. There was no significant difference in disease-specific overall survival between SLNB patients and controls, but the nodal disease-free time was significantly longer suggesting better local control after SLNB and subsequent completion lymph node dissection. The followup time was different between the study cohorts and initial surgery was performed during different time periods. SLNB detected micrometastases in seven of 155 patients (4.5 %) with thin T1 primary melanoma and in four of 25 patients (16 %) with head and neck melanoma. In six of 30 asymptomatic patients with high risk melanoma (20 %), whole body PET detected occult distant metastases. Conclusion: Both SLNB and whole body PET were reliable methods to detect clinically occult metastases in patients with cutaneous melanoma. This upstaging altered the treatment in each case.

Small scale energy production in Helsinki Metropolitan area in emission trading point of view

Emission trading with greenhouse gases and green certificates are part if the climate policy the main target of which is reduce greenhouse gas emissions. The carbon dioxide and fine particle emissions of energy production in Helsinki Metropolitan area are calculated in this study. The analysis is made mainly by district heating point of view and the changes of the district heating network are assessed. Carbon dioxide emissions would be a bit higher, if the district heating network is expanded, but then the fine particle emissions would be much lower. Carbon dioxide emissions are roughly 10 % higher, if the district heating network is expanded at same rate as it has in past five years in the year 2030. The expansion of district heating network would decrease the fine particle emissions about 40 %. The cost of the expansion is allocated to be reduction cost of the fine particle emissions, which is considerably higher than the traditional reduction methods costs. The possible new nuclear plant would reduce the emissions considerably and the costs of the nuclear plant would be relatively low comparing the other energy production methods.

Positron emission tomography in the diagnosis and staging of pancreatic and neuroendocrine tumors

Tutkimuksen tausta ja tavoitteet: Viimeaikaisesta perinteisten kuvantamismenetelmien kehityksestä huolimatta sekä haima- että neuroendokriinisten (NE) kasvaimien diagnostiikka on haastavaa. Uudentyyppinen kuvantamismenetelmä, fuusio positroniemissiotomografia-tietokonetomografia (PET/TT), on lupaava näiden kasvainten erotusdiagnostiikassa ja levinneisyyden arvioinnissa. Huolimatta alustavista lupaavista tutkimustuloksista, PET/TT:n rooli on toistaiseksi vielä epäselvä sekä haima- että NE-kasvaimissa eikä se näin ollen ole vakiintunut kliiniseen hoitokäytäntöön. Väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää PET/TT -menetelmän käyttökelpoisuutta haima- ja NE-kasvaimien diagnostiikassa. Kahden ensimmäisen osatyön prospektiivisessa tutkimuksessa potilaat, joilla epäiltiin haimakasvainta, kuvannettiin PET/TT:llä käyttäen merkkiaineena fluorideoxyglukoosia (¹⁸F-FDG) kasvaimen aineenvaihdunnan arvioimiseksi ja kasvaimen verenvirtausta arviointiin käyttäen merkkiaineena radiovettä (¹⁵O-H₂O). Kolmen muun osatyön tavoitteena oli selvittää dihydroxyfenylalaniini (18F-DOPA) PET -menetelmää erilaisten NE-kasvaimien diagnostiikassa ja levinneisyyden arvioinnissa. Tulokset: Haimakasvaimien ensivaiheen diagnostiikassa ¹⁸F-FDG-PET/TT:llä oli korkeampi diagnostinen tarkkuus verrattuna titokoneleike- (TT) ja magneettikuvantamiseen (MK) (89% vs. 76% ja 79%). Etenkin pahanlaatuiseksi epäillyn sappitiehytahtauman erotusdiagnostiikassa ¹⁸F-FDG-PET/TT:n positiivinen ennustearvo (92%) oli korkea. Haimasyövän levinneisyyden arvioinnissa ¹⁸F-FDG-PET/TT:n herkkyys oli huono (30%) paikallisen taudin osoittamisessa. Sen sijaan etäpesäkkeiden osoittamisessa ¹⁸F-FDG-PET/TT oli merkittävästi herkempi menetelmä verrattuna TT ja magneettikuvantamiseen (88% vs. 38%). Verrattaessa erilaisten haimakasvaimien ja normaalin haimakudoksen aineenvaihduntaa ja verenvirtausta, aineenvaihdunta/verenvirtaus suhde oli merkittävästi korkeampi pahanlaatuisissa haimakasvaimissa (P<0.05). Lisäksi kasvaimen korkea aineenvaihdunta/verenvirtaus suhde viittasi huonompaan taudin ennusteeseen. ¹⁸F-DOPA-PET löysi seitsemän kahdeksasta insulinoomasta ja oli positiivinen myös kahdella potilaalla, joilla todettiin haiman saarakesoluhyperplasia. Perustuen alustaviin tuloksiin, rutiinikäytössä oleva karbidopa esilääke ennen ¹⁸F-DOPA-PET kuvantamista peitti insulinooma löydöksen kahdella potilaalla kolmesta. NE-kasvaiminen diagnostiikassa 82 potilaan aineisto osoitti ¹⁸F-DOPA PET kuvantamisen tarkkuudeksi 90%. Etenkin feokromosytoomien ensivaiheen diagnostiikassa ja NE-kasvaimen uusiutumaa epäiltäessä menetelmän tarkkuus oli korkea. Kokonaisuudessaan 59%:lla aineiston potilaista ¹⁸F-DOPA-PET kuvantamisella oli vaikutusta kliinisiin hoitoratkaisuihin. Johtopäätökset: PET/TT käyttäen merkkiaineena ¹⁸F-FDG:tä ja radiovettä osoittautui käyttökelpoiseksi menetelmäksi haimakasvaimien erotusdiagnostiikassa. Lisäksi ¹⁸F-FDG-PET/TT oli hyödyllinen haimasyövän etäpesäkkeiden arvioinnissa. Tutkimus osoitti myös ¹⁸F-DOPA-PET kuvantamisen olevan luotettava menetelmä insulinoomien ja muiden vatsan alueen NE-kasvaimien ensivaiheen diagnostiikassa sekä levinneisyyden arvioinnissa, etenkin muiden kuvantamislöydösten ollessa ristiriitaisia. PET kuvantamisella oli merkittävä vaikutus potilaiden kliiniseen hoitokäytäntöön sekä haima- että NE-kasvaimissa.