Ympäristövaikutusten velvoitetarkkailun tulosten epävarmuuden arviointi

Tämä diplomityö tehtiin Neste Oil Oyj:n Kehittäminen ja Laboratoriot yksikön HSE-palveluille. Työn tavoitteena oli arvioida Neste Oilin ympäristövaikutusten velvoitetarkkailujen mittaustulosten epävarmuutta. Tarkastelu koski ilmanlaadun SO2-, NO2-, TRS- sekä O3-mittauksia, ympäristömelumittauksia sekä pohjavesinäytteenottoa. Ympäristönsuojelulaki (86/2000) velvoittaa tuotantolaitoksia selvittämään toimintansa ympäristövaikutukset. Myös esimerkiksi akkreditoitaessa menetelmiä mittausepävarmuus on tunnettava. On arvioitu, että tulevaisuudessa direktiivit tulevat tiukentamaan päästöraja-arvoja ja mittausepävarmuuden käsite tulee käyttöön kaikilla ympäristösektoreilla.Tässä työssä ilmanlaadun mittausepävarmuus arvioitiin vertaamalla Neste Oilin mittaustuloksia Ilmatieteenlaitoksen vertailumittausten ja kalibrointien tuloksiin. Ympäristömelun mittausepävarmuus arvioitiin Ympäristöministeriön ympäristömelunmittausohjeen (1/1995)mukai-sesti. Pohjavesinäytteenoton mittausepävarmuus arvioitiin laskemalla haitta-aineiden ajallisen vaihtelun, näytteenottomenetelmien, näytteiden kuljetuksenja säilytyksen aiheuttaman kontaminaation sekä analyysivaiheen epävarmuustekijöiden yhdistetty mittausepävarmuus. Tarkastelussa todettiin, että ilmanlaadunmittaustulokset eivät poikenneet merkittävästi vertai-lumittausten ja kalibrointien tuloksista. Menetelmien laajennetuksi mittausepävarmuudeksi saatiin 6-8 %. Ympäristömelun mittausepävarmuus vastasi ympäristömelunmittausohjeessa esitettyjä arvoja ja vaihtelivat 2-10 dB:n välillä, riippuen mittausetäisyydestä ja mittauskertojen lukumäärästä. Pohjavesinäytteenoton mittausepävarmuudelle ei ole asetettu laatutavoitteita. Tässä tarkastelussa pohjavesinäytteenoton mittausepävarmuudeksi saatiin 33 %.

Luotettavuusarvio typen oksidien päästöjen jatkuvatoimiselle seurantamenetelmälle

Prosessiteollisuudessa syntyviä ilmapäästöjä seurataan jatkuvatoimisilla mittausjärjestelmillä. Jatkuvatoimisen päästöjen seurantajärjestelmän tulee tuottaa luotettavaa tietoa prosessin aiheuttamista päästöistä. Päästöjen seurannasta saataviin tuloksiin syntyy aina epävarmuutta, joka koostuu mittausolosuhteiden, mittausjärjestelmän tai mittauksen suorittamisen aiheuttamista epävarmuuksista. Työn alussa on kuvattu Stora Enso Oyj:n Imatran tehtaitten typen oksidien jatkuvatoiminen päästöjen seurantamenetelmä ja selvitetty seurantajärjestelmän suorittama päästöjen laskentamenetelmä. Lisäksi on tuotu esille päästömittaustuloksen epävarmuuteen vaikuttavia tekijöitä kyseisessä järjestelmässä. Selvityksessä merkittävimmäksi järjestelmän luotettavuuteen vaikuttavaksi tekijäksi osoittautui virheellinen mittaustieto, jota voidaan hallita järjestelmässä asettamalla raja-arvo mittaustiedolle ja tehostamalla käytönaikaista valvontaa. Lisäksi korvaamalla häiriöaikainen virheellinen mittaustieto laskennallisella pitoisuuden odotusarvolla päästölaskentaa varten, tuottaa seurantajärjestelmä luotettavampia typen oksidien päästötietoja raportointia varten.

Kalibrointimenetelmä planaaristen siirtojohtojen mittaamiseen

Tässä diplomityössä tutkittiin TRL-kalibroinnin käyttämistä tasomaisten siirtojohtojen sähköisten parametrien määrittämisessä taajuusalueella 0,3 – 12 GHz. Työssä perehdyttiin TRL-kalibroinnin käyttämiseen piirianalysaattorilla toteutettujen mittauksien mittauskalibrointiin sekä kalibrointiin tarvittavien kalibrointistandardien mitoittamiseen. Kalibrointistandardit suunniteltiin ja toteutettiin sekä mikroliuska- että liuskajohdoille, joiden toiminnallisuutta tarkasteltiin sekä taajuustason että aikatason mittausten avulla. Työssä perehdyttiin myös kalibrointistandardien liityntärajapinnan suunniteluun ja toteuttamiseen. Saatujen tulosten perusteella voitiin osoittaa mikroliuskajohtokitin soveltuvan hyvin mittauskalibroinnin toteuttamiseen tarkoissa mittaussovelluksissa.

Ilmaan johdettavien päästöjen tarkkailun luotettavuus sellutehtaalla

Suomen ympäristönsuojelulaki (86/200) velvoittaa toiminnanharjoittajia olemaan selvillä päästöistään ja hakemaan ympäristöluvan ympäristön pilaantumisen vaaraa aiheuttavalle toiminnalle. Sellutehtaat tuottavat tietoa merkittävimmistä ilmaan johdettavista päästöistään mittaamalla niitä jatkuvatoimisesti. Tuloksia käytetään tiedottamisessa ja päätöksenteossa. Yksi tärkeimmistä käyttökohteista on ympäristöluvan ehtojen täyttymisen seuranta. Mittaustulosten on oltava luotettavia. Luotettavuutta voidaan arvioida vertailumittauksien ja mittausepävarmuustarkastelujen avulla. Tässä työssä määritettiin mittausepävarmuudet Imatran tehtaiden kuorikattilan (LCP-kattila) NOX-mittaukselle sekä sellutehtaan meesauunien ja soodakattiloiden mittauksille. Tämän jälkeen tarkasteltiin, kuinka mittausepävarmuus huomioidaan ympäristö¬luparajaseurannassa. Lopuksi arviointiin, kuinka jatkuvatoimisten mittalaitteiden laadunvarmistusstandardia SFS-EN 141481 voidaan soveltaa Imatran tehtailla. Tarkastellut jatkuvatoimiset mittaukset todettiin varsin luotettaviksi. Etenkin NOx¬mittaukset ovat luotettavia. Kuorikattila 2:lla luotettavuutta heikentää mittauspaikan epä¬edustavuus. Rikin yhdisteiden (SO2 ja TRS) mittausten luotettavuus on alhaisempi, koska mitattavat pitoisuudet ovat pieniä. Mittausten luotettavuus on kuin vertailumittausten. Kuorikattila 2:lla Mittausepävarmuus huomioidaan NOX-pitoisuuden lupaseurannassa LCP-asetuksen mukaisesti. Sellutehtaan TRS-päästöillä mittausepävarmuus voidaan huomioida joko LCP-asetuksen mukaisesti tai tilastomatemaattisesti. Kummallakin tavalla saadaan negatiivisia luparajaan verrattavia keskiarvoja. Standardia SFS-EN 141481 voidaan soveltaa kuorikattilalla mutta sellutehtaalla se voi olla epäkäytännöllistä, eikä välittömästi paranna mittausten luotettavuutta

Typen oksidien mittausepävarmuuden määrittäminen ilmanlaatumittauksille

Euroopan unionin direktiiveissä ja kansallisessa lainsäädännössä on asetettu tavoitteita, velvoitteita ja raja-arvoja ilmanlaadun mittauksille. Ilmanlaatua on seurattava, ilmanlaatumittaukset on tehtävä laadukkaasti sekä luotettavasti ja mittaustuloksista on tiedotettava väestölle. Mittausten epävarmuus on tunnettava ja sen on oltava alle 15 %, jotta epävarmuudelle asetettu kriteeri täyttyy. Tässä työssä perehdyttiin Euroopan unionin ilmastopolitiikkaan ja kansalliseen ilmanlaatua koskevaan lainsäädäntöön, käytiin läpi menetelmiä ja tapoja, joilla ilmanlaadusta tiedotetaan väestölle sekä selvitettiin ilmanlaadun mittausjärjestelmiä koskevia vaatimuksia. Ennen varsinaista mittausepävarmuuden selvittämistä käytiin läpi tutkimuksen kohteena olevan typen oksidien analysaattorin mittausperiaate ja merkittävimmät komponentit. Mittausepävarmuus määritettiin standardia SFS-EN 14211 noudattamalla. Mittausepävarmuuden selvittämiseksi analysaattorille tehtiin erilaisia sen toimintaa kuvaavia testejä Ilmatieteen laitoksen kalibrointilaboratoriossa. Saatujen tuloksien perusteella voitiin laskea analysaattorin mittausepävarmuus, joka tuntiraja-arvopitoisuudessa oli 15,5 % ja vuosiraja-arvopitoisuudessa 10,5 %. Kaikkia testejä ei voitu tehdä standardissa määrätyllä tavalla, joten tuloksiin pitää suhtautua kriittisesti. Tulosten perusteella mittausepävarmuus tuntiraja-arvopitoisuudessa ei aivan täytä direktiivin kriteeriä, mutta vuosiraja-arvopitoisuudessa kriteeri täyttyy (< 15 %).

Langaton vääntömomentin mittausjärjestelmä

Diplomityössä suunnitellaan ja toteutetaan teollisuusympäristöön soveltuva langaton vääntömomentin mittausjärjestelmä. Langaton tiedonsiirto toteutetaan soveltaen Zigbee-radiotekniikkaan perustuvia XBee-moduuleja. Käyttökohteina sovellukselle ovat pyörivät akselit, joihin langallisen mittausjärjestelmän asentaminen on hankalaa tai mahdotonta. Työssä kuvataan järjestelmän toiminnallisuus, esitellään oleellisimmat järjestelmän rakenteeseen ja toimintaan liittyvät asiat, arvioidaan järjestelmän mittausepävarmuus sekä esitellään järjestelmällä saatuja mittaustuloksia. Lisäksi osaa mittaustuloksista verrataan referenssilaitteistolla saataviin tuloksiin.

Reaktoreiden termisen tehon laskennan epävarmuuksien kartoitus

Diplomityössä selvitettiin Fortum Power and Heat Oy:n Loviisan VVER-440 painevesireaktorilaitosten termisen tehon laskentaan liittyviä epävarmuuksia. Laitoksen turvallisuusteknisissä käyttöehdoissa (TTKE) määrätään reaktorin suurimmaksi sallituksi lämpötehoksi 1500 MW. Tähän perustuen haluttiin selvittää nykyiseen RT1 laskentaan liittyvät epävarmuudet tarkastamalla nykyinen laskenta ja siinä käytetyt termohydrauliset laskentasovitteet. Työn alussa selostetaan lyhyesti Loviisan voimalaitoksen toimintaperiaate, jonka jälkeen esitellään laskentaan osallistuvat prosessimittaukset ja niihin liittyvät epävarmuustekijät. Mittauksille määritettiin epävarmuudet käyttäen hyödyksi komponenttivalmistajien tietoja sekä laitoksen kalibrointitodistuksia ja näiden lisäksi laskettiin standardin mukainen virhe virtauslaipoille. Edellä mainittujen virheiden perusteella voitiin laskea tehon epävarmuudet yksittäiselle höyrystimelle, josta edelleen varianssien summamenetelmällä saatiin reaktorin termiselle teholle 0,78 %:n epävarmuus 95 % luottamustasolla. Laskettua tehon epävarmuutta verrattiin Monte Carlo -menetelmällä suoritettuun tarkistuslaskentaan, jolla termisen tehon epävarmuudeksi saatiin 0,53 %, luottamustason ollessa 95 %. Työssä tarkasteltiin keskiarvotuksen vaikutusta mittausdataan. Näissä tarkasteluissa havaittiin pinnansäädöstä aiheutuva reaktoritehon huojunta, joka oli työn merkittävin havainto.

Aurinkopaneeleihin liitettävien vaihtosuuntaajien testaussuunnitelman laadinta ja toteutus

Aurinkoenergia on yksi monista uusiutuvan energian muodoista, joiden suosio on viimeisten vuosien aikana kasvanut fossiilisten polttoaineiden kallistumisen sekä ilmaston lämpenemisen vuoksi. Auringon säteilyn energiaa voidaan muuttaa sähköenergiaksi mm. aurinkopaneeleiden avulla. Aurinkopaneeleihin liitetään usein vaihtosuuntaaja, jolla tuotettu teho voidaan muokata sähköverkkoon tai kotitalouden sähköjärjestelmään sopivaksi. Tässä työssä on esitelty aurinkopaneelilla tuotettavan sähköenergian perusperiaatteet sekä tehoa tuottavan järjestelmän reunaehdot. Tutkimuksessa on perehdytty keskeisiin, aurinkopaneeleihin liitettäville vaihtosuuntaajille laadittuihin standardeihin, hyötysuhteen mittaamisen sekä sähkön laadun näkökulmista. Selvityksen avulla järjestelmän hyötysuhteen sekä lähtötehon laadun määrittämiseksi voidaan laatia standardien mukainen mittaussuunnitelma vaihtosuuntaajan nimellistehosta riippumatta. Standardien avulla on laadittu mittaussuunnitelma Global Inversonne, 100 kW - verkkovaihtosuuntaajayksikölle. Suunnitelman mukaisissa mittauksissa on tutkittu yksikön muunnoshyötysuhdetta sekä lähtöjännitteen- ja virran laatua. Lisäksi työssä on analysoitu mittaustulosten mittausepävarmuuksia ja niitä aiheuttavia tekijöitä.

Uncertainty of Efficiency Measurements in Electric Drives

The two central goals of this master's thesis are to serve as a guidebook on the determination of uncertainty in efficiency measurements and to investigate sources of uncertainty in efficiency measurements in the field of electric drives by a literature review, mathematical modeling and experimental means. The influence of individual sources of uncertainty on the total instrumental uncertainty is investigated with the help of mathematical models derived for a balance and a direct air cooled calorimeter. The losses of a frequency converter and an induction motor are measured with the input-output method and a balance calorimeter at 50 and 100 % loads. A software linking features of Matlab and Excel is created to process measurement data, calculate uncertainties and to calculate and visualize results. The uncertainties are combined with both the worst case and the realistic perturbation method and distributions of uncertainty by source are shown based on experimental results. A comparison of the calculated uncertainties suggests that the balance calorimeter determines losses more accurately than the input-output method with a relative RPM uncertainty of 1.46 % compared to 3.78 - 12.74 % respectively with 95 % level of confidence at the 93 % induction motor efficiency or higher. As some principles in uncertainty analysis are open to interpretation the views and decisions of the analyst can have noticeable influence on the uncertainty in the measurement result.