Environmental Monitoring using Image Analysis

Tärkeä tehtävä ympäristön tarkkailussa on arvioida ympäristön nykyinen tila ja ihmisen siihen aiheuttamat muutokset sekä analysoida ja etsiä näiden yhtenäiset suhteet. Ympäristön muuttumista voidaan hallita keräämällä ja analysoimalla tietoa. Tässä diplomityössä on tutkittu vesikasvillisuudessa hai vainuja muutoksia käyttäen etäältä hankittua mittausdataa ja kuvan analysointimenetelmiä. Ympäristön tarkkailuun on käytetty Suomen suurimmasta järvestä Saimaasta vuosina 1996 ja 1999 otettuja ilmakuvia. Ensimmäinen kuva-analyysin vaihe on geometrinen korjaus, jonka tarkoituksena on kohdistaa ja suhteuttaa otetut kuvat samaan koordinaattijärjestelmään. Toinen vaihe on kohdistaa vastaavat paikalliset alueet ja tunnistaa kasvillisuuden muuttuminen. Kasvillisuuden tunnistamiseen on käytetty erilaisia lähestymistapoja sisältäen valvottuja ja valvomattomia tunnistustapoja. Tutkimuksessa käytettiin aitoa, kohinoista mittausdataa, minkä perusteella tehdyt kokeet antoivat hyviä tuloksia tutkimuksen onnistumisesta.

Variable speed drive in fan system monitoring

Fan systems are responsible for approximately 10% of the electricity consumption in industrial and municipal sectors, and it has been found that there is energy-saving potential in these systems. To this end, variable speed drives (VSDs) are used to enhance the efficiency of fan systems. Usually, fan system operation is optimized based on measurements of the system, but there are seldom readily installed meters in the system that can be used for the purpose. Thus, sensorless methods are needed for the optimization of fan system operation. In this thesis, methods for the fan operating point estimation with a variable speed drive are studied and discussed. These methods can be used for the energy efficient control of the fan system without additional measurements. The operation of these methods is validated by laboratory measurements and data from an industrial fan system. In addition to their energy consumption, condition monitoring of fan systems is a key issue as fans are an integral part of various production processes. Fan system condition monitoring is usually carried out with vibration measurements, which again increase the system complexity. However, variable speed drives can already be used for pumping system condition monitoring. Therefore, it would add to the usability of a variablespeed- driven fan system if the variable speed drive could be used as a condition monitoring device. In this thesis, sensorless detection methods for three lifetime-reducing phenomena are suggested: these are detection of the fan contamination build-up, the correct rotational direction, and the fan surge. The methods use the variable speed drive monitoring and control options for the detection along with simple signal processing methods, such as power spectrum density estimates. The methods have been validated by laboratory measurements. The key finding of this doctoral thesis is that a variable speed drive can be used on its own as a monitoring and control device for the fan system energy efficiency, and it can also be used in the detection of certain lifetime-reducing phenomena.

Flexible Sensor for Wearable Vital Sign Monitoring System

In modern society, the body health is a very important issue to everyone. With the development of the science and technology, the new and developed body health monitoring device and technology will play the key role in the daily medical activities. This paper focus on making progress in the design of the wearable vital sign system. A vital sign monitoring system has been proposed and designed. The whole detection system is composed of signal collecting subsystem, signal processing subsystem, short-range wireless communication subsystem and user interface subsystem. The signal collecting subsystem is composed of light source and photo diode, after emiting light of two different wavelength, the photo diode collects the light signal reflected by human body tissue. The signal processing subsystem is based on the analog front end AFE4490 and peripheral circuits, the collected analog signal would be filtered and converted into digital signal in this stage. After a series of processing, the signal would be transmitted to the short-range wireless communication subsystem through SPI, this subsystem is mainly based on Bluetooth 4.0 protocol and ultra-low power System on Chip(SoC) nRF51822. Finally, the signal would be transmitted to the user end. After proposing and building the system, this paper focus on the research of the key component in the system, that is, the photo detector. Based on the study of the perovskite materials, a low temperature processed photo detector has been proposed, designed and researched. The device is made up of light absorbing layer, electron transporting and hole blocking layer, hole transporting and electron blocking layer, conductive substrate layer and metal electrode layer. The light absorbing layer is the important part of whole device, and it is fabricated by perovskite materials. After accepting the light, the electron-hole pair would be produced in this layer, and due to the energy level difference, the electron and hole produced would be transmitted to metal electrode and conductive substrate electrode through electron transporting layer and hole transporting layer respectively. In this way the response current would be produced. Based on this structure, the specific fabrication procedure including substrate cleaning; PEDOT:PSS layer preparation; pervoskite layer preparation; PCBM layer preparation; C60, BCP, and Ag electrode layer preparation. After the device fabrication, a series of morphological characterization and performance testing has been done. The testing procedure including film-forming quality inspection, response current and light wavelength analysis, linearity and response time and other optical and electrical properties testing. The testing result shows that the membrane has been fabricated uniformly; the device can produce obvious response current to the incident light with the wavelength from 350nm to 800nm, and the response current could be changed along with the light wavelength. When the light wavelength keeps constant, there exists a good linear relationship between the intensity of the response current and the power of the incident light, based on which the device could be used as the photo detector to collect the light information. During the changing period of the light signal, the response time of the device is several microseconds, which is acceptable working as a photo detector in our system. The testing results show that the device has good electronic and optical properties, and the fabrication procedure is also repeatable, the properties of the devices has good uniformity, which illustrates the fabrication method and procedure could be used to build the photo detector in our wearable system. Based on a series of testing results, the paper has drawn the conclusion that the photo detector fabricated could be integrated on the flexible substrate and is also suitable for the monitoring system proposed, thus made some progress on the research of the wearable monitoring system and device. Finally, some future prospect in system design aspect and device design and fabrication aspect are proposed.

Design and implementation of FPGA-based LQ control of active magnetic bearings

The need for high performance, high precision, and energy saving in rotating machinery demands an alternative solution to traditional bearings. Because of the contactless operation principle, the rotating machines employing active magnetic bearings (AMBs) provide many advantages over the traditional ones. The advantages such as contamination-free operation, low maintenance costs, high rotational speeds, low parasitic losses, programmable stiffness and damping, and vibration insulation come at expense of high cost, and complex technical solution. All these properties make the use of AMBs appropriate primarily for specific and highly demanding applications. High performance and high precision control requires model-based control methods and accurate models of the flexible rotor. In turn, complex models lead to high-order controllers and feature considerable computational burden. Fortunately, in the last few years the advancements in signal processing devices provide new perspective on the real-time control of AMBs. The design and the real-time digital implementation of the high-order LQ controllers, which focus on fast execution times, are the subjects of this work. In particular, the control design and implementation in the field programmable gate array (FPGA) circuits are investigated. The optimal design is guided by the physical constraints of the system for selecting the optimal weighting matrices. The plant model is complemented by augmenting appropriate disturbance models. The compensation of the force-field nonlinearities is proposed for decreasing the uncertainty of the actuator. A disturbance-observer-based unbalance compensation for canceling the magnetic force vibrations or vibrations in the measured positions is presented. The theoretical studies are verified by the practical experiments utilizing a custom-built laboratory test rig. The test rig uses a prototyping control platform developed in the scope of this work. To sum up, the work makes a step in the direction of an embedded single-chip FPGA-based controller of AMBs.

Fourier self-deconvolution in coherent anti-Stokes Raman scattering spectrum analysis

Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy is rapidly developing into a unique microscopic tool in biophysics, biology and the material sciences. The nonlinear nature of CARS spectroscopy complicates the analysis of the received spectra. There were developed mathematical methods for signal processing and for calculations spectra. Fourier self-deconvolution is a special high pass FFT filter which synthetically narrows the effective trace bandwidth features. As Fourier self-deconvolution can effectively reduce the noise, which may be at a higher spatial frequency than the peaks, without losing peak resolution. The idea of the work is to experiment the possibility of using wavelet decomposition in spectroscopic for background and noise removal, and Fourier transformation for linenarrowing.

Chaotic Behaviour of Active Magnetic Bearing System by Time Series Analysis

Chaotic behaviour is one of the hardest problems that can happen in nonlinear dynamical systems with severe nonlinearities. It makes the system's responses unpredictable. It makes the system's responses to behave similar to noise. In some applications it should be avoided. One of the approaches to detect the chaotic behaviour is nding the Lyapunov exponent through examining the dynamical equation of the system. It needs a model of the system. The goal of this study is the diagnosis of chaotic behaviour by just exploring the data (signal) without using any dynamical model of the system. In this work two methods are tested on the time series data collected from AMB (Active Magnetic Bearing) system sensors. The rst method is used to nd the largest Lyapunov exponent by Rosenstein method. The second method is a 0-1 test for identifying chaotic behaviour. These two methods are used to detect if the data is chaotic. By using Rosenstein method it is needed to nd the minimum embedding dimension. To nd the minimum embedding dimension Cao method is used. Cao method does not give just the minimum embedding dimension, it also gives the order of the nonlinear dynamical equation of the system and also it shows how the system's signals are corrupted with noise. At the end of this research a test called runs test is introduced to show that the data is not excessively noisy.

On the Condition Monitoring of Induction machines

The research of condition monitoring of electric motors has been wide for several decades. The research and development at universities and in industry has provided means for the predictive condition monitoring. Many different devices and systems are developed and are widely used in industry, transportation and in civil engineering. In addition, many methods are developed and reported in scientific arenas in order to improve existing methods for the automatic analysis of faults. The methods, however, are not widely used as a part of condition monitoring systems. The main reasons are, firstly, that many methods are presented in scientific papers but their performance in different conditions is not evaluated, secondly, the methods include parameters that are so case specific that the implementation of a systemusing such methods would be far from straightforward. In this thesis, some of these methods are evaluated theoretically and tested with simulations and with a drive in a laboratory. A new automatic analysis method for the bearing fault detection is introduced. In the first part of this work the generation of the bearing fault originating signal is explained and its influence into the stator current is concerned with qualitative and quantitative estimation. The verification of the feasibility of the stator current measurement as a bearing fault indicatoris experimentally tested with the running 15 kW induction motor. The second part of this work concentrates on the bearing fault analysis using the vibration measurement signal. The performance of the micromachined silicon accelerometer chip in conjunction with the envelope spectrum analysis of the cyclic bearing faultis experimentally tested. Furthermore, different methods for the creation of feature extractors for the bearing fault classification are researched and an automatic fault classifier using multivariate statistical discrimination and fuzzy logic is introduced. It is often important that the on-line condition monitoring system is integrated with the industrial communications infrastructure. Two types of a sensor solutions are tested in the thesis: the first one is a sensor withcalculation capacity for example for the production of the envelope spectra; the other one can collect the measurement data in memory and another device can read the data via field bus. The data communications requirements highly depend onthe type of the sensor solution selected. If the data is already analysed in the sensor the data communications are needed only for the results but in the other case, all measurement data need to be transferred. The complexity of the classification method can be great if the data is analysed at the management level computer, but if the analysis is made in sensor itself, the analyses must be simple due to the restricted calculation and memory capacity.

Siltanosturin teräsrakenteen suunnittelun avuksi luodun ohjelman jatkokehitys

Diplomityössä tehdään jatkokehitystä KCI Konecranes yrityksen siltanosturin laskentaohjelmaan. Ohjelman tärkeimmät jatkokehityskohteet kartoitettiin käyttäjäkyselyn avulla ja niistä valittiin toivotuimmat, sekä diplomityön lujuusopilliseen aihepiiriin parhaiten soveltuvat. Työhön valitut kaksi aihetta ovat koteloprofiilin kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan selvittäminen ja siltanosturin kahdeksanpyöräisenpäätykannattajan elementtimallin suunnittelu. Diplomityössä selvitetään jatkokehityskohteisiin liittyvä teoria, mutta varsinainen ohjelmointi jätetään työn ulkopuolelle. Kaksiosaisella uumalla varustetussa koteloprofiilissa nostovaunun kulkukiskon alla olevan uuman yläosa tehdään paksummaksi, jotta uuma kestäisi nostovaunun pyöräkuormasta aiheutuvan paikallisen jännityksen, eliniin sanotun rusennusjännityksen. Rusennusjännityksen määrittäminen uumalevyissä on kaksiosaisen uuman lujuuslaskennan tärkein tehtävä. Rusennuksen aiheuttamankalvojännityksen ja jännityskeskittymien määrittämiseen erilaisissa konstruktioissa etsittiin sopivimmat menetelmät kirjallisuudesta ja standardeista. Kalvojännitys voidaan määrittää luotettavasti käyttäen joko 45 asteen sääntöä tai standardin mukaista menetelmää ja jännityskonsentraatioiden suuruus saadaan kertomallakalvojännitys jännityskonsentraatiokertoimilla. Menetelmien toimivuus verifioitiin tekemällä kymmeniä uuman elementtimalleja erilaisin dimensioin ja reunaehdoin ja vertaamalla elementtimallien tuloksia käsin laskettuihin. Käsin lasketut jännitykset saatiin vastaamaan tarkasti elementtimallien tuloksia. Kaksiosaisen uuman lommahdus- ja väsymislaskentaa tutkittiin alustavasti. Kahdeksanpyöräisiä päätykannattajia käytetään suurissa siltanostureissa pienentämään pyöräkuormia ja radan rusennusjännityksiä. Kahdeksanpyöräiselle siltanosturin päätykannattajalle suunniteltiin elementtimallit molempiin rakenteesta käytettyihin konstruktioihin: nivelöityyn ja jäykkäkehäiseen malliin. Elementtimallien rakentamisessa hyödynnettiin jo olemassa olevia malleja, jolloin niiden lisääminen ohjelmakoodiin nopeutuu ja ne ovat varmasti yhteensopivia muiden laskentamoduuleiden kanssa. Elementtimallien värähtelyanalyysin reunaehtoja tarkasteltiin. Värähtelyanalyysin reunaehtoihin ei tutkimuksen perusteella tarvitse tehdä muutoksia, mutta staattisen analyysin reunaehdot kaipaavat vielä lisätutkimusta.

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.

Design of a Condition Monitoring System for a Glass Wool Production Line

Työn tarkoituksena oli suunnitella kunnonvalvontajärjestelmä kahdelle lasivillan tuotantolinjalle. Suunnitteluprosessin lisäksi työssä on esitelty erilaisia kunnonvalvontamenetelmiä. Työn alussa on kerrottu erilaisista kunnonvalvontamenetelmistä, joilla voidaan seurata erilaisten laitteiden ja koneiden toimintakuntoa.Erityisesti työssä on tarkasteltu teollisuudessa yleistyviä kunnonvalvonnan värähtelymittauksia. Työssä suunniteltu kunnonvalvontajärjestelmä perustuu viiteen eri menetelmään, jotka ovat värähtelymittaus, lämpötilanmittaus lämpökameralla, lämpötilanmittaus kannettavalla mittarilla, kuuntelu elektronisella stetoskoopilla ja pyörivien osien kunnontarkkailu stroboskoopilla. Kunnonvalvontajärjestelmän suunnittelu on tehty useassa eri vaiheessa. Ensin työssä on kartoitettu tuotannon kannalta tärkeimmät laitteet ja niiden mahdolliset vikaantumistavat. Seuraavaksi on valittu sopivat kunnonvalvontamenetelmät ja tehty mittaussuunnitelma, jossa on esitetty eri laitteille suoritettavat mittaukset ja mittausten aikavälit.Lopuksi työssä on esitelty muutama esimerkkitapaus kunnonvalvontamenetelmien käytöstä sekä kerrottu mahdollisista tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksista.

In-line Monitoring of Precipitation Process using Raman Spectroscopy and ATR-FTIR

Polymorfian jatkuva seuranta saostuksessa on hyödyllistä suunnittelun ja kidetuotteen ominaisuuksien sekä kiteytystä seuraavan jatkoprosessoinnin kannalta. Tässä diplomityössä on tutkittu L-glutamiinihapon kahden (- ja ß) polymorfimuodon liukoisuuden riippuvuutta pH:sta ja lämpötilasta.Tulokseksi saatiin, että kummankin polymorfin liukoisuus kasvoi sekä pH:ta ettälämpötilaa kasvatettaessa. ¿¿muodon liukoisuus oli korkeampi kuin ß-muodon liukoisuus valituilla pH-arvoilla eri lämpötiloissa. Lisäksi seurattiin puolipanostoimisen saostuksen aikana 1-litraisella laboratoriokiteyttimellä muodostuvan kiteisen polymorfiseoksen koostumusta hyödyntäen in-line Raman-spektroskopiaa. Myös liuoksen pH-muutosta seurattiin sekä liuoksen koostumusta ATR FTIR-spektroskopian (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared Spectrometer) avulla. Tutkittavina muuttujina olivat mm. sekoitusintensiteetti, sekoitintyyppi, reaktanttien (natriumglutamaatti ja rikkihappo) konsentraatiot sekä syötetyn rikkihapon syöttökohta kiteyttimessä. Työhön sisältyi 36 koetta ja osa kokeista toistettiin tulosten oikeellisuuden tarkistamiseksi. Inline-mittaustulosten verifioimiseksi kidenäytteet analysoitiin myös käyttämällä konfokaali Raman-mikroskooppia. Kidemorfologiaa tutkittiin SEM-kuvien (Scanning Eletronic Microscope) avulla. Työ osoitti, että Raman-spektroskopia on joustava ja luotettava menetelmä saostusprosessin jatkuvaan seurantaan L-glutamiinihapolla. Alhaiset lähtöainepitoisuudet tuottivat pääasiassa ¿¿muotoa, kun taas alhainen sekoitusteho edisti ß-muodon muodostumista. Syöttökohta vaikutti merkittävästi polymorfiaan. Kun rikkihapon syöttökohta oli epäideaalisesti sekoitetulla vyöhykkeellä, nousi ylikylläisyystaso korkeaksi ja päätuote oli tällöin ß-muotoa. 6-lapainen vinolapaturbiini (nousukulma 45o) ja 6-lapainen levyturbiini eivät merkittävästi poikenneet toisistaan muodostuvien polymorfien osalta.

Wavelet Filter Parameterization for Compression of Spectral Images

Vaatimus kuvatiedon tiivistämisestä on tullut entistä ilmeisemmäksi viimeisen kymmenen vuoden aikana kuvatietoon perustuvien sovellutusten myötä. Nykyisin kiinnitetään erityistä huomiota spektrikuviin, joiden tallettaminen ja siirto vaativat runsaasti levytilaa ja kaistaa. Aallokemuunnos on osoittautunut hyväksi ratkaisuksi häviöllisessä tiedontiivistämisessä. Sen toteutus alikaistakoodauksessa perustuu aallokesuodattimiin ja ongelmana on sopivan aallokesuodattimen valinta erilaisille tiivistettäville kuville. Tässä työssä esitetään katsaus tiivistysmenetelmiin, jotka perustuvat aallokemuunnokseen. Ortogonaalisten suodattimien määritys parametrisoimalla on työn painopisteenä. Työssä todetaan myös kahden erilaisen lähestymistavan samanlaisuus algebrallisten yhtälöiden avulla. Kokeellinen osa sisältää joukon testejä, joilla perustellaan parametrisoinnin tarvetta. Erilaisille kuville tarvitaan erilaisia suodattimia sekä erilaiset tiivistyskertoimet saavutetaan eri suodattimilla. Lopuksi toteutetaan spektrikuvien tiivistys aallokemuunnoksen avulla.

Carbon sequestration rates in Swedish forest soils : a comparison of three approaches

Selective papers of the workshop on "Development of models and forest soil surveys for monitoring of soil carbon", Koli, Finland, April 5-9 2006.