Electrical Equivalent Circuit for Dry Bacteriorhodopsin Sensor

Bacteriorhodopsin (BR) is a photosensitive protein which functions as a light-driven proton pump. Due to its photoactivity, BR could be used in photosensing and information processing which has inspired researchers to study the photoelectric response and the appropriate measurement instrumentation for BR. In this thesis, the measurement instrumentation connected to a dry BR sensor was confirmed to affect the photovoltage response measured by using voltage amplifiers. Changing of the input impedance of the measurement instrumentation was shown to alter a part of the measured photovoltage response. The photocurrent measurements using transimpedance amplifier and the presented electrical equivalent circuit were used to show that the photocurrent measurements have no significant effect on the photoelectric response. The photocurrent was shown to be a derivate of the photovoltage response measured from the dry BR sensor when it was compared to the response measured with a voltage amplifier. This confirmed that another part of the photovoltage response was not affected by the measurement instrumentation. The time-variant behavior of the dry BR sensor was confirmed in both the photocurrent and the photovoltage measurements. This was caused by the fact that the capacitance of the dry BR sensor changes with the excitation light intensity.

Optimization and Measuring Techniques for Collect-and-Place Machines in Printed Circuit Board Industry

This thesis considers optimization problems arising in printed circuit board assembly. Especially, the case in which the electronic components of a single circuit board are placed using a single placement machine is studied. Although there is a large number of different placement machines, the use of collect-and-place -type gantry machines is discussed because of their flexibility and increasing popularity in the industry. Instead of solving the entire control optimization problem of a collect-andplace machine with a single application, the problem is divided into multiple subproblems because of its hard combinatorial nature. This dividing technique is called hierarchical decomposition. All the subproblems of the one PCB - one machine -context are described, classified and reviewed. The derived subproblems are then either solved with exact methods or new heuristic algorithms are developed and applied. The exact methods include, for example, a greedy algorithm and a solution based on dynamic programming. Some of the proposed heuristics contain constructive parts while others utilize local search or are based on frequency calculations. For the heuristics, it is made sure with comprehensive experimental tests that they are applicable and feasible. A number of quality functions will be proposed for evaluation and applied to the subproblems. In the experimental tests, artificially generated data from Markov-models and data from real-world PCB production are used. The thesis consists of an introduction and of five publications where the developed and used solution methods are described in their full detail. For all the problems stated in this thesis, the methods proposed are efficient enough to be used in the PCB assembly production in practice and are readily applicable in the PCB manufacturing industry.

Analytic evaluation of three-phase short circuit demagnetization and hysteresis loss risk in rotor-surface-magnet Permanent-Magnet Synchronous Machines

Permanent magnet synchronous machines (PMSM) have become widely used in applications because of high efficiency compared to synchronous machines with exciting winding or to induction motors. This feature of PMSM is achieved through the using the permanent magnets (PM) as the main excitation source. The magnetic properties of the PM have significant influence on all the PMSM characteristics. Recent observations of the PM material properties when used in rotating machines revealed that in all PMSMs the magnets do not necessarily operate in the second quadrant of the demagnetization curve which makes the magnets prone to hysteresis losses. Moreover, still no good analytical approach has not been derived for the magnetic flux density distribution along the PM during the different short circuits faults. The main task of this thesis is to derive simple analytical tool which can predict magnetic flux density distribution along the rotor-surface mounted PM in two cases: during normal operating mode and in the worst moment of time from the PM’s point of view of the three phase symmetrical short circuit. The surface mounted PMSMs were selected because of their prevalence and relatively simple construction. The proposed model is based on the combination of two theories: the theory of the magnetic circuit and space vector theory. The comparison of the results in case of the normal operating mode obtained from finite element software with the results calculated with the proposed model shows good accuracy of model in the parts of the PM which are most of all prone to hysteresis losses. The comparison of the results for three phase symmetrical short circuit revealed significant inaccuracy of the proposed model compared with results from finite element software. The analysis of the inaccuracy reasons was provided. The impact on the model of the Carter factor theory and assumption that air have permeability of the PM were analyzed. The propositions for the further model development are presented.

Symmetristen komponenttien mallinnus

Tässä insinöörityössä suunniteltiin Helsingin ammattikorkeakoululle jakeluverkoissa tapahtuvien oikosulkujen symmetristen komponenttien laskutavan havainnollistamiseen sopiva sijaiskytkentä. Sijaiskytkennässä tärkeitä huomioitavia asioita olivat mm. jännitetaso, havainnollistavien muuntajien oikosulkukestoisuus, jatkokäyttö laboratoriotyönä ja yleinen havainnollistavuus. Työssä on aluksi perehdytty symmetristen komponenttien ja jakeluverkoissa tapahtuvien oikosulkujen teoriaan. Tämän jälkeen mitoitettiin tarvittavan kytkennän komponenttien jännite- ja virtakestoisuudet mahdolliset lisäkäytöt huomioiden. Näiden rajoitusten mukaan perusteella työtä ruvettiin toteuttamaan. Työssä tilattiin sähkön 40 V:n pääjännitetasolle alentava muuntaja syöttämään oikosulun kestävää muuntajaa, jolla simuloitiin jakeluverkon yleisimpiä vikatyyppejä. Jälkimmäiselle muuntajalle mitoitettiin ja hankittiin sisäistä impedanssia vastaava induktanssi. Tämän avulla rakennettiin kokonaisuus, jonka avulla voidaan simuloida kaikkia tapahtuvia oikosulkuja vastaavat sijaiskytkennät. Työhön jätettiin kehittämisvaraa ja muita laboratoriotyön rakentamismahdollisuuksia tulevien insinööritöiden tekijöille.

Relay card for capacitance measurements

In this bachelor's thesis a relay card for capacitance measurements was designed, built and tested. The study was made for the research and development laboratory of VTI Technologies, which manufactures capacitive silicon micro electro mechanical accelerometers and pressure sensors. As the size of the sensors is decreasing the capacitance value of the sensors also decreases. The decreased capacitance causes a need for new and more accurate measurement systems. The technology used in the instrument measuring the capacitance dictates a framework how the relay card should be designed, thus the operating principle of the instrument must be known. To achieve accurate results the measurement instrument and its functions needed to be used correctly. The relay card was designed using printed circuit board design methods that minimize interference coupling to the measurement. The relay card that was designed in this study is modular. It consists of a separate CPU card, which was used to control the add-on cards connected to it. The CPU card was controlled from a computer through a serial bus. Two add-on cards for the CPU card were designed in this study. The first one was the measurement card, which could be used to measure 32 capacitive sensors. The second add-on card was the MUX card, which could be used to switch between two measurement cards. The capacitance measurements carried out through the MUX card and the measurement cards were characterized with a series of test measurements. The test measurement data was then analysed. The relay card design was confirmed to work and offer accurate measurement results up to a measurement frequency of 10 MHz. The length of the measurement cables limited the measurement frequency.

Vuosaaren sataman sähköverkon suojaus

Insinöörityössä on tutkittu Vuosaareen rakennettavan sataman omistaman sähköverkon topologiaa, tehonjakoa ja ennen kaikkea niitä toteutusperiaatteita, joilla sataman sähköverkko suojataan ylikuormituksia, oikosulkuja, ja maasulkuja vastaan. Työn alussa on esitelty yleisesti koko Vuosaaren satamahanke, siihen liittyvät taustat, toimijat, kustannukset ja liikenneyhteydet. Seuraavaksi on esitelty läpileikkaus relesuojaustekniikan perusteista ja käyty läpi suojareletyypit ja -lajit sekä mittamuuntajat. Työssä on esitelty eri suojauskohteiden toteutusperi-aatteet sekä sulakesuojaus. Edelleen työssä on esitelty Vuosaaren sataman sähköverkon rakenne, sen komponentit ja peruskäyttötilanteet sekä se osa Helenin verkkoa, josta satama saa syöttönsä. Työssä on laskettu sataman verkon eri kohdissa esiintyvät maksimi- ja minimioikosulkuvirrat IEC60909 mukaisesti sekä lasketaan karkeasti esiintyvät maasulkuvirrat. Työssä esitellään ne suojausperiaatteet, joiden avulla sataman verkon suojauksesta saadaan järkevä kokonaisuus. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että taustaverkon oikosulkutehon ollessa kyseisellä alueella niinkin suuri, sataman sähköverkossa oikosulkuvirtojen suhteen ei aiheudu ongelmia. Riittävä oikosulkusuojaus saadaan helposti aikaan aikaporrastuksilla. Maasulkuvirtojen suhteen sataman verkolla on marginaalinen rooli Helenin taustaverkkoon nähden, joten maasulkusuojaus saadaan toimivaksi suunnatuilla suojilla täydennettynä aikaporrastuksella.

Embedded Monitoring Server

This study investigates, designs, and implements an inexpensive application that allows local and remote monitoring of a home. The application consists of an array of sensors for monitoring different conditions in a home environment and also for accessing the devices that might be connected to the system. Only a few sensors are initially involved in this study and information about the temperature level, forced entry detection, smoke and water leakage detection can be obtained at any time from any location with an Internet connection. The application software (coded in C language) runs on an embedded system which is basically a wireless Linksys router running on a GNU/Linux based firmware for embedded systems. Interaction between the sensors and the application software is achieved through an implemented sensor interfacing circuit. The communication with the sensor interfacing unit is done through the serial port, and accessibility of the connected sensors is achieved through a telnet client. The sensors can be accessed from local and remote locations with the sensors giving reliable information. The resulting application shows that it is possible to use the router for other applications other than what it is intended for.

Polttomoottorin sähkömekaaninen venttiilinohjaus

Työssä tarkastellaanpolttomoottorin venttiilitoimilaitteen toteuttamista sähkömekaanisesti. Tähän mennessä kehitetyt ratkaisut ja rakennetut prototyypit soveltuvat pääosin henkilöautojen vapaasti hengittävien ottomoottoreiden venttiilien ohjaukseen. Venttiilien sähkömekaanisen ohjauksen soveltuvuutta suuriin polttomoottoreihin kuten esimerkiksi voimalaitosdieseleihin on myös tarkasteltu, mutta ongelmaksi muodostuu riittävän suuren magneettisen voiman kehittäminen magneettivuon reitillä esiintyvän suuren ilmavälin takia. Työssä esitetään valmiita ja kehitteillä olevia ratkaisuja polttomoottorin venttiilien ohjaukseen sähkömekaanisesti. Lisäksi käsitellään parannusmahdollisuuksia jo valmiisiin ratkaisuihin ja käydään läpi sähkömekaanisen venttiilinohjauksen ongelmakohtia. Suomeksi ei ole kovin paljon julkaistua materiaalia polttomoottorin venttiilien sähkömekaanisesta ohjauksesta, joten työ tukeutuu pääosin Internetissä julkaistuihin artikkeleihin sekä sähköpostin välityksellä käytyihin keskusteluihin niiden tahojen kanssa, jotka tutkivat ja kehittävät polttomoottorinsähkömekaanista venttiilien ohjausta. Venttiilien sähkömekaanisen ohjauksen tutkiminen tällä hetkellä jakautuu pääpainotteisesti sähkömagneettisen osuuden ja säätöteknisen osuuden tutkimiseen ja kehittämiseen. Työssä ei mennä näiden aihepiirien syvälliseen analysointiin vaan esitetään tämän hetkisentutkimuksen painopisteet ja lähdeviitteet aihepiiriä syventäviin julkaisuihin.

Development of a simulation tool for torsional vibration of branched power transmission system

In this master's thesis a mechanical model that is driven with variable speed synchronous machine was developed. The developed mechanical model simulates the mechanics of power transmission and its torsional vibrations. The mechanical model was developed for the need of the branched mechanics of a rolling mill and the propulsion system of a tanker. First, the scope of the thesis was to clarify the concepts connected to the mechanical model. The clarified concepts are the variable speed drive, the mechanics of power transmission and the vibrationsin the power transmission. Next, the mechanical model with straight shaft line and twelve moments of inertia that existed in the beginning was developed to be branched considering the case of parallel machines and the case of parallel rolls. Additionally, the model was expanded for the need of moreaccurate simulation to up to thirty moments of inertia. The model was also enhanced to enable three phase short circuit situation of the simulated machine. After that the mechanical model was validated by comparing the results of the developed simulation tool to results of other simulation tools. The compared results are the natural frequencies and mode shapes of torsional vibration, the response of the load torque step and the stress in the mechanical system occurred by the permutation of the magnetic field that is arisen from the three phase short circuit situation. The comparisons were accomplished well and the mechanical model was validated for the compared cases. Further development to be made is to develop the load torque to be time-dependent and to install two frequency converters and two FEM modeled machines to be simulated parallel.

Kaasuntunnistusmenetelmän kehittäminen pyyhkäisytekniikalla toimivaan kaasuilmaisimeen

Työn tarkoituksena on kehittää kaasuntunnistusmenetelmää pyyhkäisytekniikalla toimivaan kaasuilmaisimeen. Työssä kerrotaan ioniliikkuvuusspektrometriasta ja pyyhkäisytekniikalla toimivan kaasuilmaisimen rakenteesta sekä toiminnasta ja perehdytään anturikortin esivahvistimeen. Työssä tutkitaan laitteen toimintaa ja sen ominaisuuksia sekä määritetään optimaaliset mittausparametrit. Työssä tehdään MODDE-ohjelman avulla mittaussuunnitelma, jonka mukaan suoritetaan mittaukset, joihin kaasuntunnistuksen kehittäminen perustuu. Mittaustulokset analysoidaan kuvien ja MODDEn avulla. Lisäksi työssä kerrotaan kuinka eri aineet pystytään erottamaan ilmaisimella. Pohditaan myös miten pyyhkäisytekniikalla toimivalla kaasuilmaisimella aineiden tunnistaminen voidaan käytännössä tehdä.

Verkkovaihtosuuntaajan vektorisäädön toteutus FPGA-piirillä

Verkkovaihtosuuntaajalla pystytään muuntamaan tasajännite vaihtojännitteeksi ja päinvastoin. Verkkovaihtosuuntaajan toiminta perustuu tehokytkinten ohjaukseen ja sopivan modulointimenetelmän käyttöön. Vektorisäädössä vaihtosuuntaajanvirrat ja jännitteet esitetään kompleksitasossa, jolloin virta- ja jännitekomponentit voidaan esittää vektoreina. Vektorisäädössä verkkovaihtosuuntaajan ohjaustoteutetaan laskemalla kompleksitasossa vektoreille arvot, jotka tuottavat vaihtosuuntaajan lähtöön halutun vektorin. Koska FPGA-piirit mahdollistavat nopean rinnakkaisen laskennan, soveltuvat ne hyvin vektorisäädön toteuttamiseen. FPGA-piirien rakenteesta johtuen on säätöjärjestelmän suunnittelussa huomioitava kiinteän pilkun lukujen riittävä bittileveys ja järjestelmän diskretointiaika. Työssä suunnitellaan verkkovaihtosuuntaajan vektorisäätö ja tutkitaan bittileveyden vaikutusta säädön toteuttamiseen FPGA-piirillä. Bittileveyden tarkasteluun esitetään käytettäväksi tilastollisia menetelmiä. Työssä tarkastellaan kiinteän pilkun järjestelmän ja liukulukujärjestelmän erosuureen tilastollisia tunnusmerkkejä sekä histogrammia. Tarkasteluissa huomattiin, että maksimivirhe itsessään ei tarjoa riittävästi tietoa erosuureen jakautumisesta. Näin ollen maksimivirhe ei ole kaikissa tilanteissa sovelias menetelmä riittävän bittitarkkuuden määrittämiseen. Työssä esitetään riittävän bittitarkkuuden määrittelemiseen käytettäväksi otossuureista otosvarianssia, keskipoikkeamaa ja vaihteluväliä.

Plasmapolttoprosessin kehittäminen ja optimointi

Ydinvoimaloidenprimaarivesikierron puhdistukseen käytetään ioninvaihtohartsia. Käytönjälkeen ioninvaihtohartsi luokitellaan matalaja keskiaktiivisiin jätteisiin. Plasmakäsittelyllä käytetyn ioninvaihtohartsin tilavuutta voidaan pienentää sekä sen orgaaninen luonne poistaa. Plasmakäsittelyn tarkoituksena on hapettaa orgaaninen aines oksideiksi, jotka poistuvat prosessista savukaasuina. Epäorgaaninen aines, joka sisältää radioaktiivisen aineksen, on tarkoitus hapettaa oksideiksi ja sulfideiksi, jotka voidaan kerätä talteen tuhkana. Tässä diplomityössä käsitellään käytetyn ioninvaihtohartsin käsittelyyn suunnitellun plasmapolttoprosessin kehittämistä ja optimointia. Ioninvaihtohartsin plasmakäsittelyssä syntyvien reaktiotuotteiden selvittäminen suoritettiin tarkastelemalla ainetaseita sekä aihetta käsitteleviä tutkimuksia. Näiden perusteella parannettiin jäähdytystä, suunniteltiin jatkuvatoiminen syöttömenetelmä sekä laadittiin toimintaalueen reunaehdot laitteistolle. Koelaitteistossa 6,5 kW:n rfteho syötetään sovitinpiirin ja kuparisen induktiokelan kautta plasmaan. Plasmakaasuna on käytetty hapenja argonin seoskaasua. Plasmapolttoa on seurattu massaspektrometrilla, optisella emissiospektrometrilla, lämpösekä painemittareilla. Laskennan ja kokeiden pohjalta selvitettiin optimaalinen seossuhde plasmakaasulle, paineen ja tehon noston vaikutus hartsin polttonopeuteen sekä jatkuvatoimisen syöttömenetelmän edut panostoimiseen syöttöön. Rfgeneraattorin teho rajoitti jatkuvatoimisen polttonopeuden 130 g/h ja hetkellisen polttonopeuden 175 g/h. Radioaktiivisten aineiden pidätys oli 93,5 % cesiumin osalta. Tulosten perusteella 4 kg/h ioninvaihtohartsia polttavan laitteiston tehon lähteeksi tarvitaan 65 kW rfgeneraattori. Palamattoman hartsin ja tuhkan kulkeutuminen partikkelisuodattimille sekä reaktiotuotteena syntyvien rikinoksidien käsittely vaatii vielä jatkotutkimusta.

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Kestomagneettitahtikoneen lämpömallinnus

Sähkökoneenterminen suunnittelu on yhtä tärkeätä kuin koneen sähköisten piirien ja magneettipiirin mitoitus, koska koneen lämpenemä määrää koneesta saatavan tehon. Pääosasähkökoneista suunnitellaan edelleen ns. perimätiedon avulla, jossa tukeudutaanvalmiiksi koeteltuihin ratkaisuihin ja kokemusperäiseen tietoon tiettyjen rakenteiden toimivuudesta. Perinteisin menetelmin uusia konerakenteita suunniteltaessa ei pystytä saamaan luotettavaa tietoa uusien ratkaisuiden toimivuudesta. Etenkin hitaasti pyörivien ja suuren vääntötiheyden omaavien kestomagneettitahtikoneiden jäähdytyksen mitoitus on ongelmallista. Siten tarve kehittää analyyttisiä työkaluja lämpenemän mallinnukseen on perusteltua. Tässä työssäperehdytään suuren tehotiheyden omaavien kestomagneettikoneiden urakoon ja virrantiheyden valintaan termisen mitoituksen kannalta. Työn tavoitteena on laatia yksinkertainen analyyttinen työkalu urakoon ja virrantiheyden valintaan. Työkaluavoidaan hyödyntää jo koneensuunnittelun alkuvaiheessa.