Erään hienopaperikoneen paksuusprofiilin hallinta

Työn kirjallisuusosassa perehdytään paperikoneen online-mittarien toimintaan, poikkisuuntaisten profiilien säätämiseen ja kalanterointiin. Työn tavoitteena oli löytää syyt erään hienopaperikoneen heikkoon paksuusprofiiliin ja siitä aiheutuvaan suureen rullahylkymäärään. Syitä heikkoon paksuusprofiiliin on haettu kalanterin, päällystysasemien ja laatusäätöjärjestelmän toiminnoista. Työssä on tutkittu myös karheusprofiilin vaikutusta paksuusmittaukseen. Työssä löydettiin selvä yhteys paperin karheusprofiilin ja paperikoneen paksuusmittarin mittaaman paksuusprofiilin välille. Radan reuna-alueiden karheus suurentaa online-paksuusmittarin mittaustulosta. Karheusprofiili ei kuitenkaan vaikuta laboratoriomittareilla mitattuun paksuusprofiiliin. Paperikoneen onlinepaksuusmittarin mittausvirhe on kompensoitava, jotta paperin todellinen paksuusprofiili saadaan suoraksi. Työssä tehtyjen tutkimusten perusteella muodostettiin ajomalli, jolla ajettiin koeajojakso. Ajomallin päällimmäinen tarkoitus oli kompensoida paperikoneen online- paksuusmittarin mittausvirhe. Koeajo onnistui hyvin. Koeajojakson profiilivioista johtuva rullahylyn määräoli merkittävästi pienempi kuin referenssijakson profiilivioista johtuva rullahylyn määrä.

Kuumalanka-anemometri virtausmittauksissa

Tässä työssä selostetaan kuumalanka-anemometrin käyttö virtausmittauksissa. Kuumalanka-anemometrilla saadaan mitattua virtausnopeuden ja -suunnan lisäksi nopeusheilahteluja. Mittaustaajuus on tyypillisesti useita kymmeniä tuhansia mittauksia sekunnissa ja signaali on jatkuva. Nykytekniikalla pystytään helposti tallentamaan mittauslaitteistolta saatu viesti tietokoneelle ja muuntamaan se nopeudeksi. Hetkellisten nopeuksien avulla voidaan laskea turbulenttisen virtauksen ominaisuuksia, kuten turbulenssin intensiteetti ja spektri. Kuumalanka-anemometrissa lämmitetään sähköisesti ohutta lankaa, joka on mitattavassa virtauksessa. Langan sähköteho on suunnilleen yhtäsuuri kuin langasta konvektiolla siirtyvä lämpöteho. Tällöin on teoreettisesti mahdollista laskea virtausnopeus lämpötehosta lämmönsiirtokorrelaatioilla. Käytännössä laitteisto joudutaan kuitenkin erikseen kalibroimaan, mutta sähkötehon teoreettista riippuvuutta konvektiosta käytetään hyväksi. Kuumalangan lämmitettävä osuus on tyypillisesti halkaisijaltaan 5 µm ja pituudeltaan noin 1 mm. Sitä käytetään pääasiassa kaasuvirtausten mittaamiseen ja valtaosassa mittauksissa virtausaineena on ilma. Kuumalanka voi olla toteutettu kuumakalvotekniikalla, jossa halkaisijaltaan noin 50 - 70 µm paksuinen kuitu on päällystetty ohuella sähköä johtavalla kalvolla. Kuumakalvoanturin ei tarvitse olla muodoltaan sylinterimäinen, se voi olla mm. kartiomainen tai kiilamainen. Erikoispäällystetyllä kuumakalvoanturilla on mahdollista mitata myös nestevirtauksia. Mitattaessa kaasuvirtauksia kuumakalvon etuna on selvästi parempi kestävyys verrattuna kuumalankaan. Nimitystä kuumalanka-anemometri käytetään yleisesti molemmista anturityypeistä Tämän työn alussa käsitellään sylinterin yli tapahtuvaan virtaukseen liittyvää virtausmekaniikkaa ja lämmönsiirtoa. Anemometrin sähköinen osa, laitteisto ja sen kalibrointi käydään läpi. Langan suuntariippuvuuden laskentaan esitetään tarvittavat yhtälöt. Työssä esitellään kolme laitteistolla tehtyä perusmittausta: anturin kohtauskulman muuttaminen, pyörähdyssymmerisen suihkun nopeuskenttä ja tuulitunnelin rajakerros. Lisäksi esitellään yksi käytännöllinen ja vaativampi mittaus, jossa on mitattu nopeusprofiili radiaalikompressorin diffuusorin loppuosassa.

Varaavan tulisijan lämmönsiirron tutkiminen

Tulisijojen tekniikkaan kohdistuu yhä kovempia vaatimuksia sekä kuluttajien että myös erityisesti viranomaismääräysten suunnalta. Tämän työn tarkoituksena on osaltaan luoda pohjaa näiden vaatimusten täyttämiselle. Työn tavoitteena oli määrittää lämmönsiirtokerroin tyypillisen vuolukivirakenteisen tulisijan poskikanavassa savukaasun ja kanavan seinämän välillä. Työ koostuu mittauslaitteen suunnittelusta, käytännön mittauksista ja mittaustulosten analysoinnista teoriaan verrattuina. Työ pohjautuu käytännön mittauksiin kahdella koeuunilla. Mittaukset kohdistuivat uunien poskikanavissa ja poskikanavan seinämissä tapahtuviin lämpötilamuutoksiin. Toisessa koeuunissa mitattiin myös poskikanavan savukaasun lämpötilajakauma. Mittauksilla saatua sekä teoreettisesti määritettyä lämpötilajakaumaa verrattiin toisiinsa. Lämmönsiirtokertoimet määritettiin lämpötilojen ja savukaasun massavirran perusteella. Tuloksena saatiin paikalliset sekä yleispätevät lämmönsiirtokertoimet savukaasun lämpötilan funktiona.

Laajakaistaliitynnät - xDSL-tekniikat ja muut vaihtoehdot

Tietoliikenteen suuria linjoja ovat mm. siirtonopeuksien kasvu, IP-tekniikan yleistyminen ja Internet-liitäntöjen kautta käytettävien palvelujen valtaisa lisääntyminen. Kotien verkkoliitännöissä eräänä haasteena on vielä tarjota kohtuullisilla kustannuksilla suuri liikennöintikapasiteetti, mikä voidaan tehdä usealla eri tavalla. Kotien laajakaistaiseen tulevaisuuteen johtaakin useita polkuja, joita tässä diplomityössä on kartoitettu. Työssä on esitelty erilaisia kotitalouksiin soveltuvia nopeita langallisia ja langattomia liitäntätekniikoita. Painopiste on nykyisessä valtavirrassa, kuparikaapelia käyttävässä xDSL-tekniikkaperheessä ja niihin pohjautuvissa verkoissa mukaan lukien ATM-pohjaiset runkoverkot Käytännön liitäntöjen laatua ja toimivuutta on selvitetty mittaamalla perinteistä ADSL-liitäntää sekä uudempaa tekniikkaa edustavaa SHDSL-liitäntää. Liittymiä mitattiin sekä xDSL-mittarilla että spektrianalysaattorilla. Mittauksissa kiinnitettiin huomiota kupariparien toimintaan, kuormituksen ja häiriöiden vaikutukseen sekä liittymän toimintaan käyttäjän kannalta. Mittauksissa todettiin, että kuparikaapeli sietää hyvin häiriöitä myös uusien tekniikoiden käytössä. Tulevaisuutta kartoitettiin haastattelututkimuksella, josta työhön on koostettu operaattoreiden, konsulttien ja käyttäjien näkemyksiä laajakaistaliitäntöjen ja niiden kautta saatavien palveluiden kehittymisestä. Tehty tutkimus osoittaa, että ADSL-tekniikka hyödyntää hyvin sille varattuja taajuusalueita. SHDSL-tekniikassa voidaan lähettää ja vastaanottaa suuria datamääriä molempiin suuntiin.

Statistical Inversion Theory in X-ray Tomography

In this thesis the X-ray tomography is discussed from the Bayesian statistical viewpoint. The unknown parameters are assumed random variables and as opposite to traditional methods the solution is obtained as a large sample of the distribution of all possible solutions. As an introduction to tomography an inversion formula for Radon transform is presented on a plane. The vastly used filtered backprojection algorithm is derived. The traditional regularization methods are presented sufficiently to ground the Bayesian approach. The measurements are foton counts at the detector pixels. Thus the assumption of a Poisson distributed measurement error is justified. Often the error is assumed Gaussian, altough the electronic noise caused by the measurement device can change the error structure. The assumption of Gaussian measurement error is discussed. In the thesis the use of different prior distributions in X-ray tomography is discussed. Especially in severely ill-posed problems the use of a suitable prior is the main part of the whole solution process. In the empirical part the presented prior distributions are tested using simulated measurements. The effect of different prior distributions produce are shown in the empirical part of the thesis. The use of prior is shown obligatory in case of severely ill-posed problem.

Identification of Some Additional Loss Components in High-Power Low-Voltage Permanent Magnet Generators

Permanent magnet generators (PMG) represent the cutting edge technology in modern wind mills. The efficiency remains high (over 90%) at partial loads. To improve the machine efficiency even further, every aspect of machine losses has to be analyzed. Additional losses are often given as a certain percentage without providing any detailed information about the actual calculation process; meanwhile, there are many design-dependent losses that have an effect on the total amount of additional losses and that have to be taken into consideration. Additional losses are most often eddy current losses in different parts of the machine. These losses are usually difficult to calculate in the design process. In this doctoral thesis, some additional losses are identified and modeled. Further, suggestions on how to minimize the losses are given. Iron losses can differ significantly between the measured no-load values and the loss values under load. In addition, with embedded magnet rotors, the quadrature-axis armature reaction adds losses to the stator iron by manipulating the harmonic content of the flux. It was, therefore, re-evaluated that in salient pole machines, to minimize the losses and the loss difference between the no-load and load operation, the flux density has to be kept below 1.5 T in the stator yoke, which is the traditional guideline for machine designers. Eddy current losses may occur in the end-winding area and in the support structure of the machine, that is, in the finger plate and the clamping ring. With construction steel, these losses account for 0.08% of the input power of the machine. These losses can be reduced almost to zero by using nonmagnetic stainless steel. In addition, the machine housing may be subjected to eddy current losses if the flux density exceeds 1.5 T in the stator yoke. Winding losses can rise rapidly when high frequencies and 10–15 mm high conductors are used. In general, minimizing the winding losses is simple. For example, it can be done by dividing the conductor into transposed subconductors. However, this comes with the expense of an increase in the DC resistance. In the doctoral thesis, a new method is presented to minimize the winding losses by applying a litz wire with noninsulated strands. The construction is the same as in a normal litz wire but the insulation between the subconductors has been left out. The idea is that the connection is kept weak to prevent harmful eddy currents from flowing. Moreover, the analytical solution for calculating the AC resistance factor of the litz-wire is supplemented by including an end-winding resistance in the analytical solution. A simple measurement device is developed to measure the AC resistance in the windings. In the case of a litz-wire with originally noninsulated strands, vacuum pressure impregnation (VPI) is used to insulate the subconductors. In one of the two cases studied, the VPI affected the AC resistance factor, but in the other case, it did not have any effect. However, more research is needed to determine the effect of the VPI on litz-wire with noninsulated strands. An empirical model is developed to calculate the AC resistance factor of a single-layer formwound winding. The model includes the end-winding length and the number of strands and turns. The end winding includes the circulating current (eddy currents that are traveling through the whole winding between parallel strands) and the main current. The end-winding length also affects the total AC resistance factor.

Lämpövuoanturin mittauselektroniikan suunnittelu ja toteutus

Energian kulutuksen vähentäminen ja sen tutkiminen on kasvavan kiinnostuksen kohteena. Syntyneen lämmön mittaaminen on yksi tapa mitata energian siirtymistä. Lämpötilan mittaaminen on yleistä, vaikka usein on merkittävämpää selvittää missä ja miten lämpöenergia on siirtynyt. Tästä syystä tarvitaan lämpövuoantureita, jotka reagoivat suoraan lämpövuohon eli lämpöenergian siirtymiseen. Tässä tutkimuksessa suunnitellaan ja toteutetaan lämpövuoanturin mittauselektroniikka vaativaan käyttöympäristöön. Työssä käytettävän gradienttilämpövuoanturin tuottama jännitesignaali on mikrovolttiluokkaa ja ympäristön aiheuttama kohina voi olla huomattavasti suurempi. Tämän takia anturin tuottamaa signaalia on vahvistettava, jotta sitä voidaan mitata luotettavasti. Tutkimuksessa keskitytään vahvistimen suunnitteluun, mutta suunnittelussa on otettava huomioon koko järjestelmä. Anturin sähköiset ominaisuudet ja ympäristö asettavat rajoitteita vahvistimelle. Tavoitteena on selvittää miten voidaan mitata mikrovolttien jännitesignaalia mahdollisimman suurella taajuuskaistalla vaativassa käyttöympäristössä. Työn tuloksena syntyi mittalaite, jota voidaan käyttää vaativassa ympäristössä lämpövuon mittaamiseen. Suunnitteluparametrien mukainen vahvistus ja päästökaista sekä offset-jännitteen ryömintä saavutettiin suunnitellulla mittalaitteella, mutta offsetjännite ja kohina olivat hieman suunniteltua suuremmat. Mittalaitteella ja lämpövuoanturilla havaittiin selvästi lämpövuon muutoksia keinotekoisilla herätteillä.

Performance Evaluation and Calibration of Machine Vision Measurement

This thesis presents the calibration and comparison of two systems, a machine vision system that uses 3 channel RGB images and a line scanning spectral system. Calibration. is the process of checking and adjusting the accuracy of a measuring instrument by comparing it with standards. For the RGB system self-calibrating methods for finding various parameters of the imaging device were developed. Color calibration was done and the colors produced by the system were compared to the known colors values of the target. Software drivers for the Sony Robot were also developed and a mechanical part to connect a camera to the robot was also designed. For the line scanning spectral system, methods for the calibrating the alignment of the system and the measurement of the dimensions of the line scanned by the system were developed. Color calibration of the spectral system is also presented.

Measurement and Improvement of Wet Paper Web Strength

Various strength properties of paper are measured to tell how well it resists breaks in a paper machine or in printing presses. The most often measured properties are dry tensile strength and dry tear strength. However, in many situations where paper breaks, it is not dry. For example, in web breaks after the wet pressing the dry matter content can be around 45%. Thus, wet-web strength is often a more critical paper property than dry strength. Both wet and dry strength properties of the samples were measured with a L&W tensile tester. Originally this device was not designed for the measurement of the wet web tensile strength, thus a new procedure to handle the wet samples was developed. The method was tested with Pine Kraft (never dried). The effect of different strength additives on the wet-web and dry paper tensile strength was studied. The polymers used in this experiment were aqueous solution of a cationic polyamidoamine-epichlorohydrin resin (PAE), cationic hydrophilised polyisocyanate and cationic polyvinylamine (PVAm). From all three used chemicals only Cationic PAE considerably increased the wet web strength. However it was noticed that at constant solids content all chemicals decreased the wet web tensile strength. So, since all chemicals enhanced solid content it can be concluded that they work as drainage aids, not as wet web strength additives. From all chemicals only PVAm increased the dry strength and two other chemicals even decreased the strength. As chemicals were used in strong diluted forms and were injected into the pulp slurry, not on the surface of the papersheets, changes in samples densities did not happen. Also it has to be noted that all these chemicals are mainly used to improve the wet strength after the drying of the web.

Research and development of III-V semiconductor surfaces for improved device interfaces

This thesis is devoted to understanding and improving technologically important III-V compound semiconductor (e.g. GaAs, InAs, and InSb) surfaces and interfaces for devices. The surfaces and interfaces of crystalline III-V materials have a crucial role in the operation of field-effect-transistors (FET) and highefficiency solar-cells, for instance. However, the surfaces are also the most defective part of the semiconductor material and it is essential to decrease the amount of harmful surface or interface defects for the next-generation III-V semiconductor device applications. Any improvement in the crystal ordering at the semiconductor surface reduces the amount of defects and increases the material homogeneity. This is becoming more and more important when the semiconductor device structures decrease to atomic-scale dimensions. Toward that target, the effects of different adsorbates (i.e., Sn, In, and O) on the III-V surface structures and properties have been investigated in this work. Furthermore, novel thin-films have been synthesized, which show beneficial properties regarding the passivation of the reactive III-V surfaces. The work comprises ultra-high-vacuum (UHV) environment for the controlled fabrication of atomically ordered III-V(100) surfaces. The surface sensitive experimental methods [low energy electron diffraction (LEED), scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS), and synchrotron radiation photoelectron spectroscopy (SRPES)] and computational density-functionaltheory (DFT) calculations are utilized for elucidating the atomic and electronic properties of the crucial III-V surfaces. The basic research results are also transferred to actual device tests by fabricating metal-oxide-semiconductor capacitors and utilizing the interface sensitive measurement techniques [capacitance voltage (CV) profiling, and photoluminescence (PL) spectroscopy] for the characterization. This part of the thesis includes the instrumentation of home-made UHV-compatible atomic-layer-deposition (ALD) reactor for growing good quality insulator layers. The results of this thesis elucidate the atomic structures of technologically promising Sn- and In-stabilized III-V compound semiconductor surfaces. It is shown that the Sn adsorbate induces an atomic structure with (1×2)/(1×4) surface symmetry which is characterized by Sn-group III dimers. Furthermore, the stability of peculiar ζa structure is demonstrated for the GaAs(100)-In surface. The beneficial effects of these surface structures regarding the crucial III-V oxide interface are demonstrated. Namely, it is found that it is possible to passivate the III-V surface by a careful atomic-scale engineering of the III-V surface prior to the gate-dielectric deposition. The thin (1×2)/(1×4)-Sn layer is found to catalyze the removal of harmful amorphous III-V oxides. Also, novel crystalline III-V-oxide structures are synthesized and it is shown that these structures improve the device characteristics. The finding of crystalline oxide structures is exploited by solving the atomic structure of InSb(100)(1×2) and elucidating the electronic structure of oxidized InSb(100) for the first time.

Development of Measurement Systems in Scientific Research: Case Study

In recent years, technological advancements in microelectronics and sensor technologies have revolutionized the field of electrical engineering. New manufacturing techniques have enabled a higher level of integration that has combined sensors and electronics into compact and inexpensive systems. Previously, the challenge in measurements was to understand the operation of the electronics and sensors, but this has now changed. Nowadays, the challenge in measurement instrumentation lies in mastering the whole system, not just the electronics. To address this issue, this doctoral dissertation studies whether it would be beneficial to consider a measurement system as a whole from the physical phenomena to the digital recording device, where each piece of the measurement system affects the system performance, rather than as a system consisting of small independent parts such as a sensor or an amplifier that could be designed separately. The objective of this doctoral dissertation is to describe in depth the development of the measurement system taking into account the challenges caused by the electrical and mechanical requirements and the measurement environment. The work is done as an empirical case study in two example applications that are both intended for scientific studies. The cases are a light sensitive biological sensor used in imaging and a gas electron multiplier detector for particle physics. The study showed that in these two cases there were a number of different parts of the measurement system that interacted with each other. Without considering these interactions, the reliability of the measurement may be compromised, which may lead to wrong conclusions about the measurement. For this reason it is beneficial to conceptualize the measurement system as a whole from the physical phenomena to the digital recording device where each piece of the measurement system affects the system performance. The results work as examples of how a measurement system can be successfully constructed to support a study of sensors and electronics.

Fusion of Data from Quadcopter’s Inertial Measurement Unit Using Complementary Filter

A quadcopter is a helicopter with four rotors, which is mechanically simple device, but requires complex electrical control for each motor. Control system needs accurate information about quadcopter’s attitude in order to achieve stable flight. The goal of this bachelor’s thesis was to research how this information could be obtained. Literature review revealed that most of the quadcopters, whose source-code is available, use a complementary filter or some derivative of it to fuse data from a gyroscope, an accelerometer and often also a magnetometer. These sensors combined are called an Inertial Measurement Unit. This thesis focuses on calculating angles from each sensor’s data and fusing these with a complementary filter. On the basis of literature review and measurements using a quadcopter, the proposed filter provides sufficiently accurate attitude data for flight control system. However, a simple complementary filter has one significant drawback – it works reliably only when the quadcopter is hovering or moving at a constant speed. The reason is that an accelerometer can’t be used to measure angles accurately if linear acceleration is present. This problem can be fixed using some derivative of a complementary filter like an adaptive complementary filter or a Kalman filter, which are not covered in this thesis.

Measurement of Bioactivity of Immunomodulatory Treatment of Relapsing Multiple Sclerosis. With Emphasis on MxA Protein

Background Multiple sclerosis (MS) is a demyelinating disease of the central nervous system, which mainly affects young adults. In Finland, approximately 2500 out of 6000 MS patients have relapsing MS and are treated with disease modifying drugs (DMD): interferon- β (INF-β-1a or INF-β-1b) and glatiramer acetate (GA). Depending on the used IFN-β preparation, 2 % to 40 % of patients develop neutralizing antibodies (NAbs), which abolish the biological effects of IFN-β, leading to reduced clinical and MRI detected efficacy. According to the Finnish Current Care Guidelines and European Federation of Neurological Societis (EFNS) guidelines, it is suggested tomeasure the presence of NAbs during the first 24 months of IFN-β therapy. Aims The aim of this thesis was to measure the bioactivity of IFN-β therapy by focusing on the induction of MxA protein (myxovirus resistance protein A) and its correlation to neutralizing antibodies (NAb). A new MxA EIA assay was set up to offer an easier and rapid method for MxA protein detection in clinical practice. In addition, the tolerability and safety of GA were evaluated in patients who haddiscontinued IFN-β therapy due to side effects and lack of efficacy. Results NAbs developed towards the end of 12 months of treatment, and binding antibodies were detectable before or parallel with them. The titer of NAb correlated negatively with the amount of MxA protein and the mean values of preinjection MxA levels never returned to true baseline in NAb negative patients, but tended to drop in the NAb positive group. The test results between MxA EIA and flow cytometric analysis showed significant correlation. GA reduced the relapse rate and was a safe and well-tolerated therapy in IFN-β-intolerant MS patients. Conclusions NAbs inhibit the induction of MxA protein, which can be used as a surrogate marker of the bioactivity of IFN-β therapy. Compared to flow cytometricanalysis and NAb assay, MxA-EIA seemed to be a sensitive and more practical method in clinical use to measure the actual bioactivity of IFN-β treatment, which is of value also from a cost-effective perspective.

A simple device for sampling of volumetric forest soil cores

Summary