Iowa Power Fund Board Project Report Update, November 12, 2008

ISU’s proposed research will (1) develop methods for designing clean and efficient burners for low‐Btu producer gas and medium‐Btu syngas, (2) develop catalysts and flow reactors to produce ethanol from medium‐Btu synthesis gas, and (3) upgrade the BECON gasifier system to enable medium‐Btu syngas production and greatly enhanced capabilities for detailed gas analysis needed by both (1) and (2). This project addresses core development needs to enable grain ethanol industry reduce its natural gas demand and ultimately transition to cellulosic ethanol production.

3D noise power spectrum applied on clinical mdct scanners: effects of reconstruction algorithms and reconstruction filters

The noise power spectrum (NPS) is the reference metric for understanding the noise content in computed tomography (CT) images. To evaluate the noise properties of clinical multidetector (MDCT) scanners, local 2D and 3D NPSs were computed for different acquisition reconstruction parameters.A 64- and a 128-MDCT scanners were employed. Measurements were performed on a water phantom in axial and helical acquisition modes. CT dose index was identical for both installations. Influence of parameters such as the pitch, the reconstruction filter (soft, standard and bone) and the reconstruction algorithm (filtered-back projection (FBP), adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR)) were investigated. Images were also reconstructed in the coronal plane using a reformat process. Then 2D and 3D NPS methods were computed.In axial acquisition mode, the 2D axial NPS showed an important magnitude variation as a function of the z-direction when measured at the phantom center. In helical mode, a directional dependency with lobular shape was observed while the magnitude of the NPS was kept constant. Important effects of the reconstruction filter, pitch and reconstruction algorithm were observed on 3D NPS results for both MDCTs. With ASIR, a reduction of the NPS magnitude and a shift of the NPS peak to the low frequency range were visible. 2D coronal NPS obtained from the reformat images was impacted by the interpolation when compared to 2D coronal NPS obtained from 3D measurements.The noise properties of volume measured in last generation MDCTs was studied using local 3D NPS metric. However, impact of the non-stationarity noise effect may need further investigations.

Implementation of a Pilot Continuous Monitoring System: Iowa Falls Arch Bridge, HR-1088, 2015

The goal of this work was to move structural health monitoring (SHM) one step closer to being ready for mainstream use by the Iowa Department of Transportation (DOT) Office of Bridges and Structures. To meet this goal, the objective of this project was to implement a pilot multi-sensor continuous monitoring system on the Iowa Falls Arch Bridge such that autonomous data analysis, storage, and retrieval can be demonstrated. The challenge with this work was to develop the open channels for communication, coordination, and cooperation of various Iowa DOT offices that could make use of the data. In a way, the end product was to be something akin to a control system that would allow for real-time evaluation of the operational condition of a monitored bridge. Development and finalization of general hardware and software components for a bridge SHM system were investigated and completed. This development and finalization was framed around the demonstration installation on the Iowa Falls Arch Bridge. The hardware system focused on using off-the-shelf sensors that could be read in either “fast” or “slow” modes depending on the desired monitoring metric. As hoped, the installed system operated with very few problems. In terms of communications—in part due to the anticipated installation on the I-74 bridge over the Mississippi River—a hardline digital subscriber line (DSL) internet connection and grid power were used. During operation, this system would transmit data to a central server location where the data would be processed and then archived for future retrieval and use. The pilot monitoring system was developed for general performance evaluation purposes (construction, structural, environmental, etc.) such that it could be easily adapted to the Iowa DOT’s bridges and other monitoring needs. The system was developed allowing easy access to near real-time data in a format usable to Iowa DOT engineers.

Report on theorerical results of power generation and conversion

Experimental results of a new controller able to support bidirectional power flow in a full-bridge rectifier with boost-like topology are obtained. The controller is computed using port Hamiltonian passivity techniques for a suitable generalized state space averaging truncation system, which transforms the control objectives, namely constant output voltage dc-bus and unity input power factor, into a regulation problem. Simulation results for the full system show the essential correctness of the simplifications introduced to obtain the controller, although some small experimental discrepancies point to several aspects that need further improvement.

Power supply noise and logic error probability

Voltage fluctuations caused by parasitic impedances in the power supply rails of modern ICs are a major concern in nowadays ICs. The voltage fluctuations are spread out to the diverse nodes of the internal sections causing two effects: a degradation of performances mainly impacting gate delays anda noisy contamination of the quiescent levels of the logic that drives the node. Both effects are presented together, in thispaper, showing than both are a cause of errors in modern and future digital circuits. The paper groups both error mechanismsand shows how the global error rate is related with the voltage deviation and the period of the clock of the digital system.

Robust power allocation algorithms for MIMO OFDM systems with imperfect CSI

This paper presents a Bayesian approach to the design of transmit prefiltering matrices in closed-loop schemes robust to channel estimation errors. The algorithms are derived for a multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) system. Two different optimizationcriteria are analyzed: the minimization of the mean square error and the minimization of the bit error rate. In both cases, the transmitter design is based on the singular value decomposition (SVD) of the conditional mean of the channel response, given the channel estimate. The performance of the proposed algorithms is analyzed,and their relationship with existing algorithms is indicated. As withother previously proposed solutions, the minimum bit error rate algorithmconverges to the open-loop transmission scheme for very poor CSI estimates.

Power quality improving with virtual flux-based voltage source line converter

Line converters have become an attractive AC/DC power conversion solution in industrial applications. Line converters are based on controllable semiconductor switches, typically insulated gate bipolar transistors. Compared to the traditional diode bridge-based power converters line converters have many advantageous characteristics, including bidirectional power flow, controllable de-link voltage and power factor and sinusoidal line current. This thesis considers the control of the lineconverter and its application to power quality improving. The line converter control system studied is based on the virtual flux linkage orientation and the direct torque control (DTC) principle. A new DTC-based current control scheme is introduced and analyzed. The overmodulation characteristics of the DTC converter are considered and an analytical equation for the maximum modulation index is derived. The integration of the active filtering features to the line converter isconsidered. Three different active filtering methods are implemented. A frequency-domain method, which is based on selective harmonic sequence elimination, anda time-domain method, which is effective in a wider frequency band, are used inharmonic current compensation. Also, a voltage feedback active filtering method, which mitigates harmonic sequences of the grid voltage, is implemented. The frequency-domain and the voltage feedback active filtering control systems are analyzed and controllers are designed. The designs are verified with practical measurements. The performance and the characteristics of the implemented active filtering methods are compared and the effect of the L- and the LCL-type line filteris discussed. The importance of the correct grid impedance estimate in the voltage feedback active filter control system is discussed and a new measurement-based method to obtain it is proposed. Also, a power conditioning system (PCS) application of the line converter is considered. A new method for correcting the voltage unbalance of the PCS-fed island network is proposed and experimentally validated.

Pituusleikkurin turvaväylät ja koneturvallisuus

Turvallisuuteen liittyvän ohjausjärjestelmän tehtävänä on siirtää ja käsitellä turvallisuuskriittistä tietoa. Esimerkiksi anturin (turvalaitteen) havaitessa vaaravyöhykkeelle pyrkivän ihmisen tulee ensimmäisenä tiedon välittyä ohjausjärjestelmään. Ohjausjärjestelmän on muodostettava saapuneen tiedon perusteella käsky tehonohjauselimille. Tehonohjauselimillä säädellään koneen käyttöenergian syöttöä ja sitä kautta on mahdollista pysäyttää koneen liike ennen mahdollisen vahingon sattumista. Perinteiset turvaratkaisut ovat perustuneet pakkotoimintaisiin releisiin ja kahdennuksiin. Tällämenetelmällä on toteutettu varmatoimintaisia turvaratkaisuja, joissa yksittäiset viat ovat paljastuneet. Nykyisin on kuitenkin yhä enemmän tarvetta integroida turvatoiminnot automaatiojärjestelmään ja toteuttaa turvaratkaisut hajautetuillajärjestelmillä. Hajautetut järjestelmät sisältävät osittain ohjelmoitavien järjestelmien etuja ja haittoja, mutta tuovat mukanaan myös uudenlaisia vikoja. Työn tarkoitus oli selvittää, millaisia rajoituksia koneturvallisuus asettaa paperiteollisuuden pituusleikkurien turvallisuuteen liittyville ohjausjärjestelmille, sekä selvittää turvallisuuteen liittyvien järjestelmien rakennetta ja ominaisuuksia. Tässä työssä tutkittiin AS-i, EsaLan ja ProfiSafe turvajärjestelmiä teknisten tietojen perusteella. Tutkitut järjestelmät ovat erilaisia ja soveltuvat tämän vuoksi hieman erilaisiin kohteisiin. Kaikilla näillä järjestelmillä on kuitenkin mahdollista toteuttaa pituusleikkurin turvaväyläjärjestelmässä riittävä turvallisuuden taso koneturvallisuuden näkökulmasta. Tämä edellyttää oikein tehtyä riskianalyysiä ja oikeita suunnittelumenetelmiä. Teknisten tietojen perusteella otettiin testattavaksi AS-i safety at workja EsaLan:in Compact järjestelmät, joille suoritettiin sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen (EMC) ja toiminnallisuuteen liittyviä testejä.

Automated User Interface testing in Symbian Operating System

Tässä diplomityössä tutkitaan automatisoitua testausta ja käyttöliittymätestauksen tekemistä helpommaksi Symbian-käyttöjärjestelmässä. Työssä esitellään Symbian ja Symbian-sovelluskehityksessä kohdattavia haasteita. Lisäksi kerrotaan testausstrategioista ja -tavoista sekä automatisoidusta testaamisesta. Lopuksi esitetään työkalu, jolla testitapausten luominen toiminnalisuus- ja järjestelmätestaukseen tehdään helpommaksi. Graafiset käyttöliittymättuovat ainutlaatuisia haasteita ohjelmiston testaamiseen. Ne tehdään usein monimutkaisista komponenteista ja niitä suunnitellaan jatkuvasti uusiksi ohjelmistokehityksen aikana. Graafisten käyttöliittymien testaukseen käytetään usein kaappaus- ja toistotyökaluja. Käyttöliittymätestauksen testitapausten suunnittelu ja toteutus vaatii paljon panostusta. Koska graafiset käyttöliittymät muodostavat suuren osan koodista, voitaisiin säästää paljon resursseja tekemällä testitapausten luomisesta helpompaa. Käytännön osuudessa toteutettu projekti pyrkii tähän tekemällä testiskriptien luomisesta visuaalista. Näin ollen itse testien skriptikieltä ei tarvitse ymmärtää ja testien hahmottaminen on myös helpompaa.

Exploration of the visual system: Part 1: Dissection of the mouse eye for RNA, protein, and histological analyses

Due to the power of genetics, the mouse has become a widely used animal model in vision research. However, its eyeball has an axial length of only about 2 mm. The present protocol describes how to easily dissect the small rodent eye post mortem. This allows collecting different tissues of the eye, i.e., cornea, lens, iris, retina, optic nerve, retinal pigment epithelium (RPE), and sclera. We further describe in detail how to process these eye samples in order to obtain high‐quality RNA for RNA expression profiling studies. Depending on the eye tissue to be analyzed, we present appropriate lysis buffers to prepare total protein lysates for immunoblot and immuno‐precipitation analyses. Fixation, inclusion, embedding, and cryosectioning of the globe for routine histological analyses (HE staining, DAPI staining, immunohistochemistry, in situ hybridization) is further presented. These basic protocols should allow novice investigators to obtain eye tissue samples rapidly for their experiments.

Optimisation of data analysis method for a fluidized bed combustion test rig

Nowadays the used fuel variety in power boilers is widening and new boiler constructions and running models have to be developed. This research and development is done in small pilot plants where more faster analyse about the boiler mass and heat balance is needed to be able to find and do the right decisions already during the test run. The barrier on determining boiler balance during test runs is the long process of chemical analyses of collected input and outputmatter samples. The present work is concentrating on finding a way to determinethe boiler balance without chemical analyses and optimise the test rig to get the best possible accuracy for heat and mass balance of the boiler. The purpose of this work was to create an automatic boiler balance calculation method for 4 MW CFB/BFB pilot boiler of Kvaerner Pulping Oy located in Messukylä in Tampere. The calculation was created in the data management computer of pilot plants automation system. The calculation is made in Microsoft Excel environment, which gives a good base and functions for handling large databases and calculations without any delicate programming. The automation system in pilot plant was reconstructed und updated by Metso Automation Oy during year 2001 and the new system MetsoDNA has good data management properties, which is necessary for big calculations as boiler balance calculation. Two possible methods for calculating boiler balance during test run were found. Either the fuel flow is determined, which is usedto calculate the boiler's mass balance, or the unburned carbon loss is estimated and the mass balance of the boiler is calculated on the basis of boiler's heat balance. Both of the methods have their own weaknesses, so they were constructed parallel in the calculation and the decision of the used method was left to user. User also needs to define the used fuels and some solid mass flowsthat aren't measured automatically by the automation system. With sensitivity analysis was found that the most essential values for accurate boiler balance determination are flue gas oxygen content, the boiler's measured heat output and lower heating value of the fuel. The theoretical part of this work concentrates in the error management of these measurements and analyses and on measurement accuracy and boiler balance calculation in theory. The empirical part of this work concentrates on the creation of the balance calculation for the boiler in issue and on describing the work environment.

Wastewater Treatment of Diesel Power Plant

Diplomityön tavoitteena on selvittää Wärtsilän dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn vallitseva tila. Tutkimuksessa keskitytään raskaspolttoöljykäyttöisiin voimalaitoksiin. Työssä selvitetään yleisimmät dieselvoimalaitosten jätevesille asetetut vaatimukset. Selvitys tehdään keräämälläja tutkimalla dieselvoimalaitosten jätevesille sovellettuja standardeja. Työssä selvitetään myös dieselvoimalaitokselta ulostulevan jäteveden laatu sekä nykyisen jätevedenkäsittelyjärjestelmän toiminta. Selvitys tehdään keräämällä ja tutkimalla yrityksen sisäisiä tietoja, sekä ottamalla ja analysoimalla jätevesinäytteitä. Näytteiden otto ja analysointi toteutetaan vierailemallakahdessa voimalaitoksessa sekä yhdessä muussa kohteessa. Jäteveden laatu ennen ja jälkeen käsittelyn määritetään. Myös öljynjalostusteollisuuden jätevedenkäsittelyä tarkastellaan kirjallisuuteen pohjautuen. Tarkastelun tavoitteena on hankkia tietoa jätevedenkäsittelystä kohteissa, joissa jäteveden laatu vastaa dieselvoimalaitoksella syntyvää jätevettä. Vertailun vuoksi myös öljynjalostusteollisuudelle asetetuttuja jätevesistandardeja tutkitaan. Lisäksi työssä tutkitaan myös joitakin muita jätevedenkäsittelymenetelmiä. Diplomityön tuloksena määritetään dieselvoimalaitosten jätevedenkäsittelyn tulevaisuuden haasteet ja mahdollisuudet.

Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

Kuorimon automaatiojärjestelmän optimointi

Työn tavoitteena oli pienentää kuorinnassa syntyviä puuhäviöitä ja parantaa linjan käytettävyyttä nykyaikaisella puunkuorimolla. Tavoitteet toteutettiin automaatiojärjestelmään tehdyillä muutoksilla. Rumpukuorintaprosessi on säilynyt pitkään samanlaisena. Viime vuosina on markkinoille tullut uusia älykkäitä mittalaitteita ja optimointiin kykeneviä säätöjärjestelmiä. Uudenlaisella automaatiotekniikalla on mahdollista mitata kuorintatulosta ja kuorinnassa syntyneitä puuhäviöitä reaaliaikaisesti. Laaduntarkkailun lisäksi tietoja hyödynnetään kuorintaprosessin automaattisessa ohjauksessa. Optimaalisen kuorintatuloksen saavuttaminen edellyttää virheetöntä automaation toimintaa ja tarkkaa viritystä säädöiltä. Työssä perehdyttiin kuorimon perusautomaatioon ja ylemmän tason säädön toimintaan. Prosessinohjauksessa havaitut ongelmakohdat korjattiin. Lopputuloksena saatiin vakiokuorintatehon malli, joka pienentää puuhäviöitä ja parantaa linjaston käytettävyyttä. Saaduilla tuloksilla on merkittävä taloudellinen arvo, ja menetelmät ovat hyödynnettävissä myös toisilla rumpukuorimoilla.

Voimalaitoksen höyryjärjestelmän paineensäädön hallinta

Diplomityön tavoitteena oli selvittää tapoja hallita voimalaitoksen höyryjärjestelmän paineensäätöä. Työ on tehty Neste Oilin Porvoon jalostamon energialaitoksen höyryjärjestelmästä. Energialaitos käsittää kaksi höyrykattilaa ja kaasuturbiinivoimalaitoksen, sekä öljynjalostamolla sijaitsevat höyrykattilan ja kaasuturbiinivoimalaitoksen. Höyryverkon häiriötilanteet aiheuttavat paineenlaskua höyryverkossa, jos jonkun höyryntuottajan tuotanto keskeytyy, tai paineennousua höyryverkossa, jos joku höyrynkuluttajista ei kuluta enää höyryä. Nykyisessä tilanteessa vakavin paineen laskua aiheuttava häiriötilanne olisi energialaitoksen höyrykattilan tuotannon keskeytyminen. Vakavin paineennousua aiheuttava häiriötilanne olisi suurimman kuluttajan,eli energialaitoksen vastapaineturbiinin, irtaantuminen höyryverkosta. Paineen hallinta voidaan toteuttaa oikeanlaisilla automaation ratkaisuilla, joita on mahdollista kehittää käyttökokemukseen perustuen järjestelmäpäivitysten yhteydessä. Häiriötilanteita voidaan yrittää ennakoida kunnossapidon keinoin niin, että vikaantuminen havaitaan ennen kuin vakava häiriö tapahtuu. Erityisesti kunnossapitostrategian kehittäminen auttaisi kohdistamaan kunnossapitotoimenpiteet oleellisimpiin kohteisiin kustannustehokkaasti. Lisäksi käyttöhenkilökunnan oikeanlaisella toiminnalla häiriön sattuessa voidaan häiriöiden aiheuttamia seuraamuksia tuotantoon ja turvallisuuteen lieventää. Käyttöhenkilökunnan toimintaa voidaan parantaa koulutuksella.