Vesimittari 2.0
Sami Lakka valjasti väitöstyössään korkeiden piippujen suunnittelijoita vuosikymmeniä kiusanneen pyörteilyilmiön hyötykäyttöön. Uuden ajan vesimittari on digitaalinen ja halpa valmistaa, ei vuoda eikä kulu.
Yksinkertaisten asioiden keksiminen on yleensä vaikeinta, WA Technologies Oy:n toimitusjohtaja Sami Lakka naurahtaa esitellessään väitöstyönsä prototyyppiä.
Yhä useamman asunnon märkätiloja koristava vesimittari muuttaa pian muotoaan, jos Lakan kehittämä virtausanturi osoittautuu kaupalliseksi menestykseksi. Tavallisen putkiliittimen sisään kätketty anturi on hämmästyttävän yksinkertainen: veden virtauksessa värähtelevä kahden millin paksuinen muovisylinteri, pätkä metallilankaa ja kuparirengas, joka sujautetaan putkiliittimen sisään.
Monimutkaista taas on fysiikka, johon laitteen toiminta perustuu.
– Virtausdynamiikassa mikään ei ole yksinkertaista, Sami Lakka vahvistaa.
Lakan vesimittarin toiminta perustuu Vortex Induced Vibration -ilmiöön. Hyvää suomenkielistä termiä insinöörikuntaa vuosikymmeniä kiusanneelle ilmiölle ei ole edes olemassa.
Ohivirtaavan nesteen tai kaasun aiheuttama värähtely on tuttu kiusa esimerkiksi korkeiden piippujen tai öljynporauslauttojen suunnittelijoille. Piippujen värähtelyä estetään sitä ympäröivällä korkkiruuvirakenteella. Vielä suurempia riskejä liittyy meren pohjasta öljynporauslautalle nousevien öljyputkien suunnitteluun. Merivirrat voivat saada putken hallitsemattomaan värähtelyliikkeeseen, tuhoisin seurauksin.
– Jo antiikin Kreikassa oli soitin nimeltä ilmakannel, joka soi tuulessa, Lakka kertoo.
Pyörrevanoihin törmää kaikkialla
Nykyisin ymmärretään, että värähtely johtuu pyörrevanasta, jonka sylinterimäinen kappale jättää jälkeensä ilma- tai kaasuvirrassa. Sylintereistä ei ole pulaa fyysisessä maailmassa: soittimen kielet, tuulessa vonkuvat sähköjohdot, savupiiput ja öljyputket värähtelevät, kun niihin osuu sopiva virtaus.
Ensimmäiset hahmotelmat ilmiöstä muistiinpanoihinsa kirjasi yleisnero Leonardo Da Vinci 1500-luvulla. Varsinainen tieteellinen läpimurto tapahtui vuonna 1912 unkarilaisen aerodynamiikkatutkija Theodore von Kármánin laboratoriossa.
– Kármán teki ensimmäisen matemaattisen analyysin ilmiöstä.
Insinöörit ovat onnistuneet valjastamaan ilmiön myös mittauskäyttöön. Teollisuudessa vortex-anturit mittaavat yleisesti putkien virtaamia. Putken poikki kiinteästi kiinnitetty sylinteri synnyttää taakseen pyörrevanan, jonka värähtelytaajuutta voidaan mitata. Vortex-anturit soveltuvat kuitenkin vain suurille virtausnopeuksille, sillä ne heräävät eloon vasta, kun putken virtaus muuttuu laminaarisesta pyörteiseksi.
Asiakkaan kysymyksestä se lähti
Vielä viisi vuotta sitten Sami Lakka ei tiennyt pyörrevanoista kovinkaan paljoa. Ohjelmistoyrityksen toimitusjohtajaa kiinnosti enemmän, miten työllistää WA Technologiesin nuori insinööriporukka. Yksi asiakastapaaminen kuitenkin muutti kaiken.
Sami Lakan markkinoidessa yrityksensä osaamista asiakasyrityksen toimitusjohtaja esitti kysymyksen: voisiko kotienkin vesimittareissa käytettävän turbiinianturin korvata jollakin toimivammalla teknologialla?
Samoihin mittausongelmiin Lakka oli törmännyt muuallakin. Vuonna 2005 Lakan ja hänen opiskelukavereidensa perustama WA Technologies oli aloittanut ohjelmistoyrityksenä, mutta erikoistunut asiakasprojektien myötä mittaustekniikkaan.
– Turbiinimittarien ongelmat olivat yleisesti tiedossa.
Mekaaniset virtausmittarit eivät todellakaan edusta mittaustekniikan huippua. Veden virtauksessa pyörivä turbiinin pyörimisliike välittyy alennusvaihteiden kautta mittarin laskuriin. Mittaustulos pitää lukea omin silmin, ja kuluvia osia on paljon.
Sami Lakkaa asiakkaan kysymys jäi askarruttamaan.
– Kiinnostuin virtausdynamiikasta ja luin alan artikkeleita.
Erityisen kiinnostavaksi osoittautui Cornellin yliopiston tutkijoiden vuonna 2000 julkaisema paperi.
– Tutkijat pohtivat artikkelissa, mitä tapahtuu, jos virtauksessa värähtelevän sylinterin massaa pienennetään ja sen annetaan liikkua vapaasti kohtisuoraan virtaukseen nähden, Lakka kertoo.
Sylinterinmuotoinen kappale synnyttää pyörrevanan |
|
Syyskuussa 1999 NASAn Landsat 7 -satelliitti kuvasi avaruudesta käsin Chilen rannikolla sijaitsevan saaren ympäri puhaltavan tuulen synnyttämät pyörrevanat. Nämä pilviverhoon syntyneet ns. von Kármánin pyörteet muodostuvat, kun sylinterimäinen kappale, esimerkiksi savupiippu tai tässä tapauksessa autiosaari, asetetaan kohtisuoraan neste- tai kaasuvirtaukseen. |
Fysiikka tarjosi mahdollisuuden
Vuosikymmeniä insinöörit olivat keskittyneet torjumaan vain tietyillä virtausnopeuksilla esiintyvää harmonista värähtelyä. Cornellin tutkijat tekivät yllättävän havainnon. Kun värähtelevä sylinteri on riittävän kevyt ja se saa liikehtiä vapaasti nestevirrassa, esiintyy värähtely kaikilla virtausnopeuksilla. Sylinteri värähteli synnyttämiensä von Kármánin pyörteiden irtoamistaajuudella.
– He havaitsivat, että ilmiö syntyy, kun värähtelevän sylinterin tiheys on pienempi kuin 0,54 kertaa virtaavan aineen tiheys. Lisäksi he havaitsivat, että värähtelytaajuus oli lineaarisessa suhteessa virtausnopeuteen.
Toimitusjohtaja Lakka haistoi, että ilmiötä voisi hyödyntää virtausmittauksissa.
– Fysiikka tarjosi siihen mahdollisuuden, mutta eri asia oli, pystytäänkö mittaria käytännössä rakentamaan.
Siitä piti ottaa selvää.
Lakka kirjautui jatko-opiskelijaksi TTY:lle alkuvuodesta 2010. Uudenlaisen virtausmittarin patenttihakemus on päivätty juuri ennen juhannusta, 21.6.2010.
Akateemista käsityötä
Kun idea oli suojattu, Sami Lakka ryhtyi kokeilemaan, saisiko hän ilmiötä hyödyntävän virtausmittarin toimimaan. Toimivan prototyypin teko osoittautui vaikeaksi. Virtauksessa värähtelevän sylinterin piti olla hyvin kevyt. Veden tiheys on 1 000 kg/m3, joten sylinterin tiheyden piti olla alle puolet tästä. Rakenteen piti olla ontto, sillä riittävän kevyttä ja vettymätöntä materiaalia ei ole olemassa.
– Kaikki prototyypit on tehty käsityönä. Sylinteri on kaksi milliä paksu, ja sen keskeltä piti pujottaa 0,1 millimetrin paksuinen jousiteräslanka. Käsien ei passaa paljoa täristä.
Toinen kysymys oli, miten mitata virtauksessa värähtelevän sylinterin värähtelytaajuutta. Tämänkin Lakka ratkaisi elegantilla tavalla. Vesiputken ulkopuolelle sijoitettu magneetti magnetisoi sylinteriä paikallaan pitävän teräslangan. Metallilangan värähtely synnyttää magneettikentän muutoksia. Ne voidaan havaita putken ulkopuolelta, ilman vuotoalttiita läpivientejä.
Joulukuussa 2013 koitti totuuden hetki, väitöstilaisuus. Väitöskirjaa selatessa käy selväksi, että Lakan prototyypit toimivat erinomaisesti. TTY:n mittaustekniikan laitoksen testipenkissä uuden anturin maksimivirheeksi paljastui 1,1 prosenttia, siis samaa luokkaa kuin hyvällä turbiinianturilla. Myös anturin dynamiikka paljastui erinomaiseksi: se toimii jo hyvin pienillä virtausnopeuksilla.
Myös vastaväittäjä oli vaikuttunut.
– Loppulausunnossa hän piti erittäin positiivisena sitä, että kaupallisen tuotteen kehittämisessä oli sovellettu tieteellistä menetelmää. Se on kuulemma harvinaista.
|
Mitä haluaisit saada aikaan tekniikan tohtorina? |
Kaupallistaja löytyi Suomesta |
|
Sami Lakan patentoima uusi virtausmittari saattaa olla kaupan hyllyllä jo pikapuoliin. – Uskoisin, että se on massatuotantovalmiudessa ensi kesänä, hän paljastaa. Keksinnön kaupallistaja löytyi läheltä. Suomalainen Uuden mittarityypin edut ovat ilmeiset. Digitaalisena se on helppo kytkeä etävalvontajärjestelmiin, ei tarvitse läpivientejä, eikä juuri sisällä kuluvia osia. – Mekaanisten osien hinta massavalmistuksessa on muutaman euron luokkaa, Lakka kertoo. Hyvää kumppania tarvitaan, sillä loistavankaan keksinnön kaupallistaminen ei ole aivan yksinkertaista puuhaa. Mutta mikä voisi olla sopiva suomenkielinen nimi uudelle mittarityypille? – Voisiko se olla värähtelevä pyörremittari? Toivottavasti joku markkinointi-ihminen keksii. Myöskään massatuotannosta Lakalla ei ole kokemusta. Oma yritys WA Technologies kun tekee yksittäiskappaleita, kunnonvalvontaratkaisuja teollisuudelle. – Teemme esimerkiksi värähtelynmittausjärjestelmiä, jotka tarkkailevat pyörivän koneen laakereiden ja vaihteiston kuntoa, toimitusjohtaja kertoo. Lanseerauksen lähestyessä keksijän odotukset uuden vesimittarin suhteen ovat korkealla. Parhaimmillaan voi syntyä merkittävä uusi bisnes. Tästä pitää huolen jo lainsäätäjä. Esimerkiksi Suomessa kaikki uudet asunnot varustetaan jo huoneistokohtaisilla vesimittareilla. Myös tiedekärpänen puraisi väitöstyön kuluessa. Käytännön kokeet osoittivat, että Lakan virtausmittari toimii, mutta tiedemaailma ei toistaiseksi osaa vastata kysymykseen, miksi se toimii. Sadat tutkijat ympäri maailman vaivaavat edelleen päätään pyörteiden perusfysiikalla. Tekniikan tohtori Lakka on yksi heistä. |
Sami Lakan tie tekniikan tohtoriksi
