Development of thermo-analytical prediction and classification models for food in thermal devices using a multi sensor system and artificial neural networks

Die thermische Verarbeitung von Lebensmitteln beeinflusst deren Qualität und ernährungsphysiologischen Eigenschaften. Im Haushalt ist die Überwachung der Temperatur innerhalb des Lebensmittels sehr schwierig. Zudem ist das Wissen über optimale Temperatur- und Zeitparameter für die verschiedenen Speisen oft unzureichend. Die optimale Steuerung der thermischen Zubereitung ist maßgeblich abhängig von der Art des Lebensmittels und der äußeren und inneren Temperatureinwirkung während des Garvorgangs. Das Ziel der Arbeiten war die Entwicklung eines automatischen Backofens, der in der Lage ist, die Art des Lebensmittels zu erkennen und die Temperatur im Inneren des Lebensmittels während des Backens zu errechnen. Die für die Temperaturberechnung benötigten Daten wurden mit mehreren Sensoren erfasst. Hierzu kam ein Infrarotthermometer, ein Infrarotabstandssensor, eine Kamera, ein Temperatursensor und ein Lambdasonde innerhalb des Ofens zum Einsatz. Ferner wurden eine Wägezelle, ein Strom- sowie Spannungs-Sensor und ein Temperatursensor außerhalb des Ofens genutzt. Die während der Aufheizphase aufgenommen Datensätze ermöglichten das Training mehrerer künstlicher neuronaler Netze, die die verschiedenen Lebensmittel in die entsprechenden Kategorien einordnen konnten, um so das optimale Backprogram auszuwählen. Zur Abschätzung der thermische Diffusivität der Nahrung, die von der Zusammensetzung (Kohlenhydrate, Fett, Protein, Wasser) abhängt, wurden mehrere künstliche neuronale Netze trainiert. Mit Ausnahme des Fettanteils der Lebensmittel konnten alle Komponenten durch verschiedene KNNs mit einem Maximum von 8 versteckten Neuronen ausreichend genau abgeschätzt werden um auf deren Grundlage die Temperatur im inneren des Lebensmittels zu berechnen. Die durchgeführte Arbeit zeigt, dass mit Hilfe verschiedenster Sensoren zur direkten beziehungsweise indirekten Messung der äußeren Eigenschaften der Lebensmittel sowie KNNs für die Kategorisierung und Abschätzung der Lebensmittelzusammensetzung die automatische Erkennung und Berechnung der inneren Temperatur von verschiedensten Lebensmitteln möglich ist.

Rechenmodelle und Informationssysteme zur Integration großer Windleistungen in die elektrische Energieversorgung

In dieser Arbeit werden verschiedene Computermodelle, Rechenverfahren und Methoden zur Unterstützung bei der Integration großer Windleistungen in die elektrische Energieversorgung entwickelt. Das Rechenmodell zur Simulation der zeitgleich eingespeisten Windenergie erzeugt Summenganglinien von beliebig zusammengestellten Gruppen von Windenergieanlagen, basierend auf gemessenen Wind- und Leistungsdaten der nahen Vergangenheit. Dieses Modell liefert wichtige Basisdaten für die Analyse der Windenergieeinspeisung auch für zukünftige Szenarien. Für die Untersuchung der Auswirkungen von Windenergieeinspeisungen großräumiger Anlagenverbünde im Gigawattbereich werden verschiedene statistische Analysen und anschauliche Darstellungen erarbeitet. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell zur Berechnung der aktuell eingespeisten Windenergie aus online gemessenen Leistungsdaten repräsentativer Windparks liefert wertvolle Informationen für die Leistungs- und Frequenzregelung der Netzbetreiber. Die zugehörigen Verfahren zur Ermittlung der repräsentativen Standorte und zur Überprüfung der Repräsentativität bilden die Grundlage für eine genaue Abbildung der Windenergieeinspeisung für größere Versorgungsgebiete, basierend auf nur wenigen Leistungsmessungen an Windparks. Ein weiteres wertvolles Werkzeug für die optimale Einbindung der Windenergie in die elektrische Energieversorgung bilden die Prognosemodelle, die die kurz- bis mittelfristig zu erwartende Windenergieeinspeisung ermitteln. In dieser Arbeit werden, aufbauend auf vorangegangenen Forschungsarbeiten, zwei, auf Künstlich Neuronalen Netzen basierende Modelle vorgestellt, die den zeitlichen Verlauf der zu erwarten Windenergie für Netzregionen und Regelzonen mit Hilfe von gemessenen Leistungsdaten oder prognostizierten meteorologischen Parametern zur Verfügung stellen. Die softwaretechnische Zusammenfassung des Modells zur Berechnung der aktuell eingespeisten Windenergie und der Modelle für die Kurzzeit- und Folgetagsprognose bietet eine attraktive Komplettlösung für die Einbindung der Windenergie in die Leitwarten der Netzbetreiber. Die dabei entwickelten Schnittstellen und die modulare Struktur des Programms ermöglichen eine einfache und schnelle Implementierung in beliebige Systemumgebungen. Basierend auf der Leistungsfähigkeit der Online- und Prognosemodelle werden Betriebsführungsstrategien für zu Clustern im Gigawattbereich zusammengefasste Windparks behandelt, die eine nach ökologischen und betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten sowie nach Aspekten der Versorgungssicherheit optimale Einbindung der geplanten Offshore-Windparks ermöglichen sollen.

Gender and Space in Tehran

Abstract: This dissertation generally concentrates on the relationships between “gender” and “space” in the present time of urban life in capital city of Tehran. “Gender” as a changing social construct, differentiated within societies and through time, studied this time by investigation on “gender attitude” or “gender identity” means attitudes towards “gender” issues regarding Tehran residences. “Space” as a concept integrated from physical and social constituents investigated through focus on “spatial attitude” means attitudes towards using “living spaces” including private space of “house”, semi private semi public space of neighborhood and finally public spaces of the city. “Activities and practices” in space concentrated instead of “physical” space; this perspective to “space” discussed as the most justified implication of “space” in this debate regarding current situations in city of Tehran. Under a systematic approach, the interactions and interconnections between “gender” and “space” as two constituent variables of social organization investigated by focus on the different associations presented between different “gender identities” and their different “spatial identities”; in fact, “spatial identity” manifests “gender identity” and in opposite direction, “spatial identity” influences to construction of “gender identity”. The hypotheses of case study in Tehran defined as followed: • “Gender identity” is reflected on “spatial identity”. Various “gender identities” in Tehran present different perspectives of “space” or they identify “space” by different values. • As “gender identity” internalizes patriarchal oppression, it internalizes associated “spatial” oppression too. • Within the same social class, different “gender identities” related to men and women, present interconnected qualities, compared with “gender identities” related to men or women of different social classes. This situation could be found in the “spatial” perspectives of different groups of men and women too. • Following the upper hypotheses, “spatial” oppression differs among social classes of Tehran living in different parts of this city. This research undertook a qualitative study in Tehran by interviewing with different parents of both young daughter and son regarding their attitudes towards gender issues from one side and activities and behaviors of their children in different spaces from the other side. Results of case study indicated the parallel changes of parents’ attitudes towards “gender” and “spatial” issues; it means strong connection between “gender” and “space”. It revealed association of “equal” spatial attitudes with “open, neutral” gender attitudes, and also the association of “biased, unequal” spatial identities with “conservative patriarchal” gender identities. It was cleared too that this variable concept – gender space - changes by “sex”; mothers comparing fathers presented more equitable notions towards “gender spatial” issues. It changes too by “social class” and “educational level”, that means “gender spatial” identity getting more open equitable among more educated people of middle and upper classes. “Breadwinning status in the family” also presents its effect on the changes of “gender spatial” identity so participant breadwinners in the family expressed relatively more equitable notions comparing householders and housekeepers. And finally, “gender spatial” identity changes through “place” in the city and regarding South – North line of the city. The illustration of changes of “gender spatial” identity from “open” to “conservative” among society indicated not only vertical variation across social classes, furthermore the horizontal changing among each social class. These results also confirmed hypotheses while made precision on the third one regarding variable of sex. More investigations pointed to some inclusive spatial attitudes throughout society penetrated to different groups of “gender identities”, to “opens” as to “conservatives”, also to groups between them, by two opposite features; first kind, conservative biased spatial practices in favor of patriarchal gender relations and the second, progressive neutral actions in favor of equal gender relations. While the major reason for the inclusive conservative practices was referred to the social insecurity for women, the second neutral ones associated to more formal & safer spaces of the city. In conclusion, while both trends are associated deeply with the important issues of “sex” & “body” in patriarchal thoughts, still strong, they are the consequences of the transitional period of social change in macro level, and the challenges involved regarding interactions between social orders, between old system of patriarchy, the traditional biased “gender spatial” relations and the new one of equal relations. The case study drew an inhomogeneous illustration regarding gender spatial aspects of life in Tehran, the opposite groups of “open” and “conservative”, and the large group of “semi open semi conservative” between them. In macro perspective it presents contradicted social groups according their general life styles; they are the manifestations of challenging trends towards tradition and modernity in Iranian society. This illustration while presents unstable social situations, necessitates probing solutions for social integration; exploring the directions could make heterogeneous social groups close in the way they think and the form they live in spaces. Democratic approaches like participatory development planning might be helpful for the city in its way to more solidarity and sustainability regarding its social spatial – gender as well – development, in macro levels of social spatial planning and in micro levels of physical planning, in private space of house and in public spaces of the city.

Many-body theory of laser-induced ultrafast demagnetization and angular momentum transfer in ferromagnetic transition metals

An electronic theory is developed, which describes the ultrafast demagnetization in itinerant ferromagnets following the absorption of a femtosecond laser pulse. The present work intends to elucidate the microscopic physics of this ultrafast phenomenon by identifying its fundamental mechanisms. In particular, it aims to reveal the nature of the involved spin excitations and angular-momentum transfer between spin and lattice, which are still subjects of intensive debate. In the first preliminary part of the thesis the initial stage of the laser-induced demagnetization process is considered. In this stage the electronic system is highly excited by spin-conserving elementary excitations involved in the laser-pulse absorption, while the spin or magnon degrees of freedom remain very weakly excited. The role of electron-hole excitations on the stability of the magnetic order of one- and two-dimensional 3d transition metals (TMs) is investigated by using ab initio density-functional theory. The results show that the local magnetic moments are remarkably stable even at very high levels of local energy density and, therefore, indicate that these moments preserve their identity throughout the entire demagnetization process. In the second main part of the thesis a many-body theory is proposed, which takes into account these local magnetic moments and the local character of the involved spin excitations such as spin fluctuations from the very beginning. In this approach the relevant valence 3d and 4p electrons are described in terms of a multiband model Hamiltonian which includes Coulomb interactions, interatomic hybridizations, spin-orbit interactions, as well as the coupling to the time-dependent laser field on the same footing. An exact numerical time evolution is performed for small ferromagnetic TM clusters. The dynamical simulations show that after ultra-short laser pulse absorption the magnetization of these clusters decreases on a time scale of hundred femtoseconds. In particular, the results reproduce the experimentally observed laser-induced demagnetization in ferromagnets and demonstrate that this effect can be explained in terms of the following purely electronic non-adiabatic mechanism: First, on a time scale of 10–100 fs after laser excitation the spin-orbit coupling yields local angular-momentum transfer between the spins and the electron orbits, while subsequently the orbital angular momentum is very rapidly quenched in the lattice on the time scale of one femtosecond due to interatomic electron hoppings. In combination, these two processes result in a demagnetization within hundred or a few hundred femtoseconds after laser-pulse absorption.