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Uncanniliy Human - Experimental Investigation of the Uncanny Valley Phenomenon
No full textSeit seiner Einführung in den wissenschaftlichen Diskurs im Jahr 1970 (Mori, 1970; Mori et al., 2012) ist das Uncanny Valley eine der meist diskutierten und referenzierten Theorien in der Robotik. Obwohl die Theorie vor mehr als 40 Jahren postuliert wurde, wurde sie kaum empirisch untersucht. Erst in den letzten sieben Jahren haben Wissenschaftler aus dem Bereich Robotik, aber auch aus anderen Disziplinen, angefangen, das Uncanny Valley systematischer zu erforschen. Allerdings blieben bisher viele Fragen offen. Einiger dieser Fragen wurden in dem vorliegenden Forschungsprojekt im Rahmen von vier aufeinander aufbauenden Studien untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der systematischen Untersuchung des Einflusses von statischen und dynamischen Merkmalen von Robotern, wie etwa dem Design bzw. Erscheinungsbild und der Bewegung, auf die Wahrnehmung und Evaluation von diesen Robotern. Eine Besonderheit der vorliegenden Arbeit ist der multi-methodologische Ansatz, bei dem die durch verschiedenste Methoden und Messinstrumente beobachteten Effekte auf ihre Relevanz für die Uncanny Valley Theorie hin untersucht wurden. Zudem wurden die in der bisherigen Literatur postulierten Erklärungsansätze für den Uncanny Valley Effekt empirisch getestet.
In der ersten Studie wurde anhand von qualitativen Interviews, in denen Probanden Bilder und Videos von humanoiden und androiden Robotern gezeigt wurden, untersucht, wie Probanden sehr menschenähnliche Roboter evaluieren, ob sie emotionale Reaktionen zeigen, und wie ihre Einstellungen gegenüber diesen Robotern sind. Die Ergebnisse zeigen, dass emotionale Reaktion, wenn überhaupt vorhanden, individuell sehr verschieden ausfallen. Das Erscheinungsbild der Roboter war sehr wichtig, denn bestimmte Designmerkmale wurden mit bestimmten Fähigkeiten gleichgesetzt. Ein menschliches Erscheinungsbild ohne Funktionalität wurde eher negativ bewertet. Zudem schienen die Probanden bei androiden Robotern dieselben Maßstäbe zur Bewertung von Attraktivität anzulegen wie sie dies bei Menschen tun. Die Analyse zeigte auch die Relevanz der Bewegungen der Roboter und des Kontextes, in welchem der jeweilige Roboter präsentiert wurde. Es wurde erste Evidenz gefunden für die Annahme, dass Menschen Unsicherheit verspüren bei der Kategorisierung von androiden Robotern als entweder Roboter oder Mensch. Zudem fühlten sich die Probanden unwohl bei dem Gedanken, dass Roboter sie ersetzten könnten.
Die zweite Studie untersuchte den Einfluss von robotischer Bewegung. In einem quasi-experimentellen Feldexperiment wurden Passanten mit dem androiden Roboter Geminoid HI-1 konfrontiert, der sich entweder still verhielt oder Bewegungsverhalten zeigte. Die Interaktionen wurden analysiert hinsichtlich des nonverbalen Verhaltens der Passanten (z.B. auf den Roboter gerichtete Aufmerksamkeit, interpersonale Distanz zum Roboter). Die Resultate zeigen, dass das Verhalten der Passanten von dem Verhalten des Roboters beeinflusst wurde, zum Beispiel waren die Interaktionen länger, die Probanden stellten mehr Blickkontakt her und testeten die Fähigkeiten des Roboters wenn dieser Bewegungsverhalten zeigte. Zudem diente das Verhalten des Roboters als Hinweisreiz für die richtige Kategorisierung des Roboters als solchen.
Der Aspekt des Erscheinungsbildes wurde in der dritten Studie systematisch untersucht. Zu diesem Zweck wurden in einem webbasierten Fragebogen 40 standardisierte Bilder von Robotern evaluiert, um die Evaluation beeinflussende Designmerkmale zu identifizieren. Eine Clusteranalyse ergab sechs Cluster von Robotern, die auf sechs Dimensionen unterschiedlich bewertet wurden. Mögliche Beziehungen zwischen Designmerkmalen und Evaluationen der Cluster wurden aufgezeigt und diskutiert. Zudem wurde die Aussagekraft des Uncanny Valley Graphen untersucht. Ausgehend von Mori’s Überlegungen ist der Uncanny Valley Effekt eine kubische Funktion. Demnach müssten sich die Daten am besten durch eine kubische Funktion erklären lassen. Die Ergebnisse zeigten allerdings eine bessere Modellpassung für lineare oder quadratische Zusammenhänge.
In der letzten Studie wurden perzeptions-orientiert und evolutionsbiologische Erklärungsansätze für das Uncanny Valley systematisch getestet. In dieser Studie wurden Daten aus Selbstauskunft, Verhaltensdaten und funktionelle Bildgebung kombiniert, um zu untersuchen ob sich die Effekte auf Basis der Selbstauskunft und der Verhaltensdaten erklären lassen durch a) zusätzliche Verarbeitungsleistung während der Perzeption von Gesichtern, b) automatisch ablaufende Prozesse sozialer Kognition, oder c) eine Überempfindlichkeit des sogenannten Verhaltensimmunsystems (behavioral immune system). Die Ergebnisse unterstützen die perzeptions-orientierten Erklärungen für den Uncanny Valley Effekt. Zum einen scheinen die Verhaltenseffekte durch neuronale Prozesse während der Wahrnehmung von Gesichtern begründet zu sein. Zum anderen gibt es Befunde, die auf eine kategoriale Wahrnehmung von Robotern und Menschen hinweisen. Evolutionsbiologische Erklärungen konnten durch die vorliegenden Daten nicht gestützt werden.Since its introduction into scientific discourse in 1970 (Mori, 1970; Mori et al., 2012) the uncanny valley has been a highly discussed and referenced theory in the field of robotics. Although the theory was postulated more than 40 years ago, it has barely been tested empirically. However, in the last seven years robot scientists addressed themselves to the task of investigating the uncanny valley more systematically. But there are still open questions, some of which have been addressed within this research in the course of four consecutive studies. This project focussed on the systematic investigation of how static and dynamic characteristics of robots such as appearance and movement determine evaluations of and behavior towards robots. The work applied a multi-methodological approach and the various observed effects were examined with regard to their importance for the assumed uncanny valley. In addition, previously proposed explanations for the uncanny valley effect were tested.
The first study utilized qualitative interviews in which participants were presented with pictures and videos of humanoid and android robots to explore participants’ evaluations of very human-like robots, their attitudes about these robots, and their emotional reactions towards these robots. Results showed that emotional experiences, if existent, were very individual. The robots’ appearance was of great importance for the participants, because certain characteristics were equalized with certain abilities, merely human appearance without a connected functionality was not appreciated, and human rules of attractiveness were applied to the android robots. The analysis also demonstrated the importance of the robots’ movements and the social context they were placed in. First evidence was found supporting the assumption that participants experienced uncertainty how to categorize android robots (as human or machine) and that they felt uncomfortable at the thought to be replaced by robots.
The influence of movement, as one of the important factors in the uncanny valley hypothesis, was examined in the second study. In a quasi-experimental observational field study people were confronted with the android robot Geminoid HI-1 either moving or not moving. These interactions between humans and the android robot were analyzed with regard to the participants’ nonverbal behavior (e.g. attention paid to the robot, proximity). Results show that participants’ behavior towards the android robot was influenced by the behavior the robot displayed. For instance, when the robot established eye-contact participants engaged in longer interactions, also established more eye-contact and tried to test the robots’ capabilities. The robot’s behavior served as cue for the participants to categorize the robot as such.
The aspect of robot appearances was examined systematically in the third study in order to identify certain robot attractiveness indices or design characteristics which determine how people perceive robots. A web-based survey was conducted with standardized pictures of 40 different mechanoid, humanoid and android robots. A cluster analysis revealed six clusters of robots which were rated significantly different on six dimensions. Possible relationships of design characteristics and the evaluation of robots have been outlined. Moreover, it has been tested whether the data of this study can best be explained by a cubic funtion as would be suggested by the graph proposed by Mori. Results revealed that the data can be best explained by linear or quadratic relationships.
The last study systematically tested perception-oriented and evolutionary-biological approaches for the uncanny valley. In this multi-methodological study, self-report and behavioral data were combined with functional magnetic resonance imaging techniques in order to examine whether the observed effects in self-report and behavior occur due to a) additional processing during face perception of human and robotic stimuli, b) automatically elicited processes of social cognition, or c) oversensitivity of the behavioral immune system. The study found strong support for perception-oriented explanations for the uncanny valley effect. First, effects seem to be driven by face perception processes. Further, there were indicators for the assumption that categorical perception takes place. In the contrary, evolutionary-biological driven explanations assuming that uncanny valley related reactions are due to oversensitivity of the behavioral immune system were not supported by this work.
Altogether, this dissertation explored the importance of characteristics of robots which are relevant for the uncanny valley hypothesis. Uncanny valley related responses were examined using a variety of measures, for instance, self-reporting, behavior, and brain activation, allowing conclusions with regard to the influence of the choice of measurements on the detection of uncanny valley related responses. Most importantly, explanations for the uncanny valley were tested systematically and support was found for cognitive-oriented and perception-oriented explanations
Designing for Cooperation - Incentive Compatibility and Performance in Distributed Air Traffic Management Systems
No full textIn distributed systems and networks, such as the Air Traffic Management (ATM) system, peformance goals can only be reached if all actors cooperate. In Air Traffic Management (ATM), in order to satisfy future performance- and capacity-demands, increasingly sophisticated coordination procedures and resource allocation mechanisms are currently under development. These new mechanisms rely on extended data exchange as well as the communication of user-preferences and -constraints between actors and entirely new negotiation protocols.
If the new mechanisms are designed properly, they ensure that Collaborative Decision Making (CDM) benefits can be realized and emergent system performance is indeed increased. However, the new mechanisms are, more than conventional centralized systems, more vulnerable to agents’ selfish, uncooperative behavior and manipulation. That kind of behavior can impair system performance.
To make sure that CDM benefits can in fact be realized, system design has to take care that incentives established by the system are correctly aligned (i.e. compatible) with the design goals. The assumption of cooperative behavior becomes much more credible, if it can be proven that cooperative interaction with a given mechanism is actually in the best interest of each participating agent.
The central contribution of this dissertation is the development of the framework DAVIC (Design and Verification of Incentive-Compatible Systems) which supports the modeling and realization of incentive-compatible systems. The framework is based on decision-theoretic, game-theoretic and system-theoretic analysis approaches as well as the net-based modeling of distributed agent systems with Coloured Petri Nets (CPN). Exploiting the CPN potential of a state space generation, extensive decision spaces are represented and agent- and system-reactions are explored. Through formal state space analysis, the explicit confrontation of overall system view and local agent view is realized. Based on the state space analysis techniques, DAVIC supports a systematic process of mechanism optimization and refinement. It enables the designer to select, based on decision-theoretic criteria and performance criteria, the optimal mechanism out of a pre-defined mechanism design space. The framework DAVIC consists of eight generic components whose functionality and interaction is explained in detail in this dissertation. The practical realization and implementation of the approach is demonstrated on the application example of an arrival planning mechanism from the domain of air traffic control
Acceptance of electric cars: an analysis of usage intentions at the beginning of innovation diffusion
No full textDeutschland und China verfolgen mit herausragender Anstrengung den Plan, sich als Leitmarkt für Elektromobilität zu entwickeln, um unabhängig vom Öl zu werden, CO₂-Emissionen zu reduzieren und sich an der Spitze der zukünftigen Automobilindustrie zu positionieren. Allein in China wurden mehrere Mrd. Euro als öffentliche Fördermittel zur Verfügung gestellt, um Plug-in Elektrofahrzeugen – also reinen Elektroautos sowie reichweitenverlängerten Versionen – zum Marktdurchbruch zu verhelfen. China versucht sogar, durch Leapfrogging die Vorstufe der Hybridfahrzeuge zu überspringen. Dennoch sind die Verkaufszahlen von Plug-in Elektrofahrzeugen in beiden Ländern bisher marginal.
Diese Arbeit untersucht die Frage, welche Marktpotentiale für Plug-in Elektrofahrzeuge in Deutschland und China vorhanden sind und welche Faktoren die Akzeptanz potentieller Nutzer beeinflussen. Durch Aufdecken der Akzeptanzmuster können Stellschrauben der Nutzungsintention identifiziert werden. Insbesondere wurde die Determinante der Erfahrung untersucht und der kulturelle Unterschied bei Akzeptanzprozessen betrachtet. Dafür wurden zum einen Daten per Repräsentativbefragungen in Deutschland und China erhoben, zum anderen wurden in beiden Ländern Experimentstudien mit Probefahrten in Plug-in Elektrofahrzeugen durchgeführt.
Das zugrunde liegende Theoriemodell dieser Arbeit basiert auf dem Technology Acceptance Model (Davis 1989, Davis et al. 1989). Dieses Grundmodell wurde literaturbasiert erweitert und auf das Forschungsobjekt der Elektroautos angepasst. Zur Berechnung des Modells wurde ein PLS-Ansatz gewählt, der sich für die überwiegend formativ spezifizierten Konstrukte am besten eignete. Das entwickelte Theoriemodell hilft, wichtige Erkenntnisse zu erlangen und die Forschung in der Literatur zu verankern.
Wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist, dass die persönliche Erfahrung mit dem Produkt – insbesondere bei einer radikalen Innovation wie dem Elektroauto – zu Beginn der Diffusion essentiell ist. Durch die Teilnahme an Probefahrten ändern sich die Akzeptanzstrukturen positiv. Persönliche Erfahrung kann die Intention, Plug-in Elektrofahrzeuge zu nutzen, direkt und indirekt über beeinflussende, latente Variablen erhöhen. Die verschiedenen Stellschrauben der Akzeptanz werden in dieser Arbeit aufgezeigt und diskutiert.
Der Vergleich zwischen Deutschland und China gibt Aufschlüsse über ungenutzte Marktpotentiale für Plug-in Elektrofahrzeuge. So zeigt sich in Peking eine hohe Nutzungsintention für Elektrofahrzeuge nach den Probefahrten. Es wird deutlich, dass sich die Akzeptanzmuster zwischen Deutschland und China unterscheiden. Dies ist ein wichtiges Ergebnis für deutsche Hersteller, die den chinesischen Markt für Elektromobilität ins Auge fassen. Weitere Implikationen für Manager im Bereich der Elektromobilität sollen helfen, ein Marktversagen zu verhindern.
Da sich in beiden Ländern nach den Testfahrten nicht zu vernachlässigende Marktpotentiale für Plug-in Elektrofahrzeuge zeigten, ist davon auszugehen, dass die Regierungsprogramme zur Förderung der neuen Technologie nicht zielführend waren. Es besteht weder ein Angebots- noch ein Nachfrageproblem, sondern ein Verständnisproblem. Persönliche Erfahrung kann nach den Ergebnissen dieser Arbeit helfen, Elektromobilität doch noch zum Erfolg zu führen.Germany and China plan to develop a leading market of electric mobility to become independent from oil, reduce CO₂ emissions and to be at the top of the future automotive industry. Only in China several billion Euros have been invested as public funding to promote plug-in electric vehicles com-prising pure battery electric cars as well as range extended battery cars. China even tries to skip the prestage of hybrid vehicles by pursuing a leapfrogging strategy. But, the sales of plug-in electric vehicles are still marginal in both countries.
This work analyses the questions if a market potential of plug-in electric cars exists in Germany and China and by which factors the acceptance of potential users is influenced. By considering ac-ceptance patterns, ways to improve the usage intention can be identified. Especially the determi-nants of experience and cultural differences have been focused. On the one hand, representative survey data has been collected in Germany and China and on the other hand, experimental studies with test drives in plug-in electric cars have been conducted in both countries.
The underlying theory model is based on the Technology Acceptance Model (Davis 1989, Davis et al. 1989). This core model has been extended based on a literature review and adapted on the research object of electric cars. For calculations a PLS approach was chosen which is appropriate for the mostly formatively specified constructs. The developed model can help to obtain important insights and to embed the research into literature.
Crucial result of this study is the relevance of personal experience with the focal product especially in the case of radical innovations like electric cars at the beginning of the diffusion process. By test drives the acceptance patterns are changed in a positive way. Personal experience can enhance the intention to use plug-in electric vehicles directly and indirectly via influencing latent variables. The different ways to enhance the acceptance are presented and discussed.
The comparison between Germany and China shows findings about unused market potentials for plug-in electric vehicles. So, a high usage intention for electric cars has been identified after the test drives in Beijing. This illustrates the differences of acceptance patterns in Germany and China, which is an important result for German manufacturers focusing the Chinese market to sell electric cars. Further implications for managers in the field of electric mobility should help to prevent the market from failure.
Since relevant market potentials for electric vehicles have been identified in both countries, it can be assumed that the governmental programs to promote electric cars have been wrong. There exists neither a supply nor a demand problem, but a problem of understanding. Personal experience can help to lead electric cars to success after all
Fluoroapatite/polymer-composite materials based on the microstructure of shark teeth and dulling liquids for intraoral tooth visualization
No full textZiel der Arbeit war die Entwicklung von biomimetischen synthetischen Fluorapatit/Polymer-Dentalkompositen für die Anwendung als Zahnfüllungsmaterial. Überdies wurden Mattierungsdispersionen entwickelt, um von Zähnen digitale 3D-Modelle zu erzeugen.
Als biologische Modellsysteme wurden Haifisch- und Krokodilzähne chemisch, strukturell und mechanisch analysiert. Der Zahnschmelz (Enameloid) der Zähne von rezenten Haifischen besteht aus Fluorapatit, Ca5(PO4)3F, wobei der Fluoridgehalt mit 3,1 Gew% nahezu so hoch ist wie in geologischen Fluorapatit-Kristallen (3,64 Gew%). Enameloid zeigt verglichen mit Dentin eine höhere Kristallinität des Mineralanteils. Die Fluorapatit-Kristallite im Enameloid sind sehr dünn (50-80 nm) und sehr lang (> 1 μm), und ihn Bündeln organisiert. Diese Bündel lassen sich in drei Typen einteilen, die sich in ihrer Orientierung unterscheiden: Es gibt umlaufende, radiale und axiale Kristallitbündel. Jedes Kristallitbündel, unabhängig von seiner Orientierung, ist umhüllt von einer dünnen Schicht einer organischen Matrix. Den äußersten Teil des Enameloids bildet der sogenannte "shiny layer". Dieser besteht im unbehandelten Zustand aus ungeordneten polyedrischen Kristalliten. Obwohl es innerhalb des Enameloids eine starke strukturelle Anisotropie gibt, sind die lokalen mechanischen Eigenschaften weitgehend isotrop. Vickers-Mikrohärtemessungen und Nanoindentationsexperimente zeigen, dass Enameloid etwa sechsmal härter ist als Dentin. Die Härte von Haifischzähnen (Fluorapatit) und humanen Zähnen (Hydroxylapatit) ist vergleichbar, obwohl Fluorapatit als reines Mineral härter ist als Hydroxylapatit.
Im Gegensatz zu rezenten Haifischzähnen haben Dentin und Enameloid von fossilen Haifischzähnen eine vergleichbare chemische Zusammensetzung (Fluorapatit). Die Enameloid-Mikrostruktur der fossilen Haifischzähne ist sehr gut erhalten und vergleichbar mit der in rezenten Haifischzähnen. Im Dentin fossiler Haifischzähne sind mittels Rasterelektronenmikroskopie mineralische Substanzen zu erkennen, die im Dentin rezenter Zähne nicht vorhanden sind. Dies könnte auf einen Rekristallisationsprozess während der Diagenese zurückzuführen sein.
Krokodilzähne bestehen aus einem nanokristallinen Hydroxylapatit. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass die Enamelschicht verglichen mit humanen Zähnen und Haifischzähnen sehr dünn ist (100-200 μm). Die Kristallite im Enamel sind alle senkrecht zur Zahnoberfläche angeordnet, wobei es keine definierten Kristallitbündel gibt. Durch Thermogravimetrie und Synchrotron-Mikrocomputertomographie wurde ermittelt, dass Enamel den größten Mineralanteil besitzt, gefolgt von Dentin und dem Wurzelzement.
Enameloid rezenter Haifischzähne wurde als Modellsystem für die Entwicklung biomimetischer Dentalkomposite ausgewählt, weil es, im Vergleich zu Hydroxylapatit, aus dem säureresistenteren Fluorapatit besteht. Zudem kann Fluorapatit synthetisch gut in unterschiedlichen Kristallit-Morphologien dargestellt werden.
Zur Darstellung von biomimetischen Kompositen wurde Fluorapatit in unterschiedlichen Kristallit-Morphologien und -Größen hydrothermal synthetisiert. Kombiniert wurden diese Kristallite mit verschiedenen Methacrylat-Monomeren. Die Komposite wurden entweder durch Ultrazentrifugation des Fluorapatits in einer flüssigen Comonomermischung basierend auf Methylmethacrylat und anschließender thermisch initiierter Polymerisation mit Dibenzoylperoxid als Radikalstarter dargestellt, oder durch eine Polymerisation während der Ultrazentrifugation bei Raumtemperatur mit dem Zusatz eines tertiären Amins. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass ein kompaktes Material vorzugweise mit dem Amin-Zusatz erhalten wurde. Die Vickers-Härte der Komposite ist höher (0,3-0,4 GPa) als die der reinen Polymermatrix (0,2 GPa), wobei Haifischzähne noch härter sind (Dentin: 0,5-0,7 GPa; Enameloid: 3-4 GPa). Thermogravimetrische Analysen zeigen, dass der Mineralanteil der synthetischen Komposite bei ca. 60-70 Gew% liegt.
Mattierungsdispersionen wurden auf Basis von Titandioxid (Anatas) und Stärkekleister bzw. Polyvinylpyrrolidon als Haftmittel entwickelt. Ein dichter Mattierungsfilm auf unterschiedlichen dentalen Materialoberflächen wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie gezeigt. Analysen des getrockneten Mattierungsfilms mit Thermogravimetrie und energiedispersiver Röntgen-spektroskopie zeigen, dass der organische Anteil mit Polyvinylpyrrolidon als Haftmittel höher ist als bei der Verwendung von Stärkekleister. Erste klinische Analysen mit einer 3D-Kamera zeigen, dass geeignete Modelle erzeugt werden konnten. Zur Konservierung der Mattierungsdispersionen eignet sich Chlorhexidin, das bereits kommerziell in vielen antiseptischen Mundspülungen verwendet wird.
Zusammenfassend behandelt die vorliegende Arbeit zwei Aspekte der modernen zahnmedizinischen Materialforschung. Ein Thema war die Charakterisierung von natürlichen Modellsystemen, d.h. Haifisch- und Krokodilzähnen, mit verschiedenen Analysemethoden. Die daraus resultierenden Ergebnisse können genutzt werden, um innovative und biomimetische Zahnersatzmaterialien zu entwickeln. Zudem wurden Mattierungsdispersionen dargestellt, die die Grundlage für moderne 3D-Abbildungstechniken sind. Dies kann dazu genutzt werden, um schnelle und exakte Zahnabdrücke zu erhalten.The aim of this study was the development of synthetic biomimetic fluoroapatite/polymer-composites, designed for their application as tooth restoration material. Additionally, dulling liquids for digital imaging of teeth were developed.
Shark teeth and crocodile teeth were chosen as model systems, and thoroughly analyzed with various analytical methods. The outer layer of recent shark teeth (enameloid) consists of fluoroapatite, Ca5(PO4)3F, with a fluoride content of 3.1 wt%, which is nearly as high as in geological fluoroapatite crystals (3.64 wt%). The enameloid layer shows a higher crystallinity of the mineral phase compared to dentin. Enameloid consists of thin (50-80 nm) and long (> 1 μm) crystallites of fluoroapatite which are hierarchically organized in bundles. Three types of bundles with different orientations are present within the enameloid: circumferential, radial and axial crystallite bundles. Each crystallite bundle, regardless of its orientation, is covered by a thin layer of organic matrix. The outermost layer of the enameloid consists of the so-called "shiny layer", which is composed of randomly oriented solid polyhedral crystallites. Although there is a strong structural anisotropy within the enameloid, the local mechanical properties are widely isotropic. Vickers microhardness tests and nanoindentation experiments indicated that enameloid is about six times harder than dentin. The hardness of shark teeth (fluoroapatite) and human teeth (hydroxyapatite) is comparable, although, as pure mineral, fluoroapatite is harder than hydroxyapatite.
In contrast to recent shark teeth, enameloid and dentin of fossilized shark teeth show similar chemical compositions, i.e., nearly stoichiometric fluoroapatite.
The enameloid microstructure of fossilized shark teeth has been well preserved and is comparable to the microstructure of recent shark teeth. Scanning electron micrographs of dentin of fossilized shark teeth showed that mineral substances are present, which may be due to recrystallization processes during diagenesis.
Crocodile teeth consist of nanocrystalline hydroxyapatite. Scanning electron micrographs showed that the enamel layer is very thin (100-200 μm), in contrast to thicker layers founds in human and shark teeth. The crystallites of the enameloid are oriented perpendicularly to the tooth surface, and no defined crystallite bundles can be observed. Enamel has the highest mineral content, followed by dentin and cementum as shown by thermogravimetry and synchrotron microcomputer tomography.
Shark tooth enameloid was selected as a model system for the development of biomimetic dental composites because it consists of fluoroapatite which has a higher acid stability than hydroxyapatite. Additionally, fluoroapatite can be readily synthesized in various crystallite morphologies.
For the preparation of biomimetic composites, fluoroapatite was hydrothermally synthesized in different crystallite morphologies and sizes. The crystallites were combined with different methacrylate monomers. The composites were then prepared using either of two routines. Firstly, through ultracentrifugation of fluoroapatite in a liquid comonomer mixture (based on methyl methacrylate), followed by a thermally initiated polymerization using dibenzoyl peroxide as a radical initiator. Alternatively, composites were synthesized via polymerization during ultracentrifugation at room temperature, with the second routine, utilizing the addition of a tertiary amine. Scanning electron micrographs showed that a compact material was achieved more effectively with the second routine, utilizing the addition of a tertiary amine. The composites showed higher Vickers hardness values (0.3-0.4 GPa) compared to the pure polymer matrix (0.2 GPa), whereas shark teeth are even harder (dentin: 0.5-0.7 GPa; enameloid: 3-4 GPa). The mineral content of the synthetic composites was 60-70 wt% as determined by thermogravimetry.
Dulling liquids based on titanium dioxide (anatase) and a starch paste or polyvinylpyrrolidone were prepared. The resulting matting films densely covered different dental materials as shown by scanning electron microscopy.
Furthermore, the dried matting films were analyzed by thermogravimetry and energy dispersive X-ray spectroscopy. In matting films which contained polyvinylpyrrolidone as adhesive the organic content is higher than with adhesives based on starch paste. First clinical analyses using 3D imaging showed that suitable models could be produced. Additionally, chlorhexidine can be used as a preservative because it is already found in commercially produced antiseptic mouthwashes.
This work has covered two important aspects of modern dental material science: First, a thorough analysis of natural model systems (i.e., shark teeth and crocodile teeth) can foster research for innovative dental materials with improved durability and stability. Second, efficient matting films which are a prerequisite for modern, computer-based 3D imaging were developed. This can be used to obtain faster and more exact dental impressions
Revisiting the IETF multipath extensions on transport layer
No full textLoad sharing on the transport layer of the OSI reference model is an important topic in the IETF standardization. This approach is also supported by the industry to optimize the use of the resources in a network like the Internet. After many trials, two basic sets of mechanisms and functionalities on the transport layer have been proposed by the IETF to achieve load sharing. These basic sets extend the protocol mechanisms that were originally designed for the use in singlepath dominated networks and represent only a first step to introduce a real end-to-end multipath transfer on the Internet. These first basic sets must be investigated and improved for the next steps.
The Transmission Control Protocol (TCP) and the Stream Control Transmission Protocol (SCTP) provide the basis for the two IETF end-to-end multipath extensions. Both singlepath transport protocols have a different historical background but similar goals. These can be characterized by a reliable, connection-oriented and ordered data transport. However, initial experiments with the IETF multipath extensions in real networks show unexpected and in some cases clearly inadequate results. It is becoming rather apparent that the singlepath transport protocol specifications with their singlepath goals have a significant impact on the effectiveness of the load sharing mechanism and, furthermore, that the severity of the influence depends on the topology. The new mechanisms for multipath transfer include, in particular, an extended “path management” and “scheduling” task. The mechanisms addressing the path management organize the new, alternative paths and the scheduling mechanisms sup- port their effective use. For both protocol extensions of TCP and SCTP, an interaction can be identified between the new load sharing mechanisms and the existing specifications for singlepath transfer. This thesis systematically identifies the impact factors of the singlepath specifications on the new load sharing mechanisms and demonstrates their effects. In addition to the focus on the optimal use, the fair distribution of resources across all connections must be taken into account in the IETF standardization process. This so-called “fairness” discus- sion is mandatory for a transport protocol in the IETF context and has a direct impact on the overall system performance. Furthermore, this thesis discusses the currently implemented load sharing extensions and analyzes their weaknesses. Moreover, in this work new design approaches are developed to decrease the impact
The significance of psychoanalytic-interactional group therapy in outpatient treatment of alcohol-dependend patients
No full textEinleitung: Unter den psychotherapeutischen Verfahren zur Rückfallprophylaxe der Alkoholabhängigkeit ist die Kognitive Verhaltenstherapie wissenschaftlich hinlänglich untersucht. Die tiefenpsychologisch fundierten Verfahren sind im Bereich der Suchtforschung weniger evaluiert, obwohl sie in der klinischen Routineversorgung verbreitet sind. In den wenigen Vergleichsstudien wurden keine wesentlichen Unterschiede zwischen verschiedenen Verfahren festgestellt. Methoden: In einer quasi-randomisierten Studie wurde die ambulante klinische Routineversorgung alkoholabhängiger Patienten einer psychiatrischen Klinik in Deutschland hinsichtlich ihrer Wirksamkeit evaluiert. Es werden nachweislich wirksame medikamentöse Behandlungsstrategien mit entweder verhaltentherapeutisch orientierter Alkoholismusspezifischer Psychotherapie (ASP) oder aber psychoanalytisch-interaktioneller Therapie (PIT) verknüpft. Im Anschluss an eine qualifizierte Entzugsbehandlung nahmen 215 alkoholabhängige Patienten einmal wöchentlich über sechs Monate an einer der beiden geschlossenen Gruppentherapien teil. Ergebnisse: Die Haltequote der ASP lag bei 66,7% gegenüber 81,8% in der PIT (p=.008). In einer intention-to-treat Analyse der Rückfälle ergab sich zwischen PIT und ASP ein signifikanter Unterschied (PIT: 33,6%; ASP: 49,5%; p=.018). Die zusätzliche Medikation mit Disulfiram, Naltrexon oder Acamprosat zeigte in binär logistischen Regressionsanalysen keinen signifikanten Einfluss. Diskussion: Die Ergebnisse unserer Studie sprechen in Hinblick auf die Haltekraft für einen deutlichen Vorteil der PIT. Aufgrund der methodischen Einschränkungen ist trotz entsprechender Tendenz nicht von einer generellen Überlegenheit der PIT auszugehen, die Ergebnisse festigen jedoch ihre Berechtigung in der ambulanten Nachsorge alkoholabhängiger Patienten.Introduction: Of all psychotherapeutic approaches to relapse prevention for alcohol dependency, cognitive behavioural therapy (CBT) has been well studied by science. Approaches based on analytic psychotherapy have been less assessed, although they are still widely used. The few comparative studies in this area reveal no significant difference between different approaches. Methods: This quasi-randomised study assesses the effectiveness of the routine clinical treatment of alcohol-dependent patients in the outpatient department of a psychiatric hospital in Germany. Proven effective medical treatment strategies were combined with either Combined Behavioral Intervention (CBI) or with psychoanalytic-interactional therapy (PIT). In addition to qualified withdrawal treatment, 215 alcohol-dependent patients took part in one of these two closed group therapies once a week for six months. Results: CBI had a retention rate of 66.7% compared to 81.8% for PIT (p=.008). An intention-to-treat analysis of the relapses revealed a significant difference between PIT and CBI (PIT: 33.6%; CBI: 49.5%; p=.018). Additional medication with disulfiram, naltrexone or acamprosate did not demonstrate any significant influence. Discussion: The results of our study highlight a clear advantage of PIT, especially in terms of the retention rate. Due to the restrictions in methodology, it cannot be assumed that PIT is generally superior, despite the apparent trend; nevertheless, the results do justify its use for the aftercare of alcohol-dependent patients in the outpatient department
Von Amphiphilen bis zur Nanokapsel
No full textDie in dieser Arbeit verwendete NMR-Methode hat sich zur Untersuchung von dynamischen Prozessen auf molekularer Ebene als geeignet erwiesen. Die Methoden der gepulsten-Feldgradienten Kernresonanzspektroskopie (PFG-NMR) kann bei der Charakterisierung von Amphiphilen in Wasser, Amphiphilen in Wasser/Öl bis hin zu wassergefüllten Nanokapseln angewendet werden.
Mit angepassten Messparametern für die jeweils untersuchten Systeme können dabei Austauschprozesse von Tracer-Molekülen beobachtet werden. In diesen Systemen wird der Austausch von z. B. Wasser, Dekan, Glucose sowie verschiedenen Polymeren im eingekapselten und im freien Zustand untersucht. Außerdem wird auch der Einfluss von Vernetzern auf die Permeabilität von Kapselmembranen bestimmt.
Die Signale von Molekülen, die sich in den verschiedenen Phasen der Hydrogele und Mikroemulsionen bewegen, können unterschieden und getrennt voneinander beobachtet werden. Die Methode der gepulste Feldgradienten-NMR hat sich als sehr vielseitiges Werkzeug zur zerstörungsfreien Untersuchung von komplizierten nanoskaligen Systemen erwiesen.The NMR-method used in this work is qualified to analyse dynamic processes in molecular levels. The method of the pulsed-field gradient NMR can be used to characterize amphiphiles in water, in water/oil and for nanocapsules filled with water. Even the independent analysis of different phases in complex multicomponent mixtures is possible.
With conformed measuring parameters for different systems exchange processes of tracer molecules can be shown. The exchange of e.g. water, decane, glucose and different polymers which are encapsulated or in a free fraction is analysed. The influence of crosslinking agents on the permeability of the capsule membranes is determined.
The signals of molecules that move in different phases of hydrogels and micro emulsions can be distinguished and watched separately. The method of the pulsed-field gradient NMR is a multifunctional tool for non-destructive investigations of complex nanograduated systems
Hepatitis B virus specific adoptive immune transfer in living liver donation and characterization of a prophylactic/therapeutic vaccine against Hepadnaviral infection
No full textLiver transplantation is often the ultimate option of therapy for chronically hepatitis B virus (HBV) infected patients. Prevention of reinfection by HBIg is long-lasting and cost-intensive. Adoptive transfer of HBV immunity after transplantation of the liver from an immune living liver donor (LLD) could be a new approach to prevent reinfection in the recipients.
A short time immunization protocol (four injections in 2 weeks intervals) was established to achieve HBV immunity in LLD within 2 months. Using this protocol, the humoral and cellular immune response of Sci-B-Vac, a recombinant vaccine that contains HBV L, M and S surface proteins was compared with a standard HBV vaccine (HBVAXPRO®) that contains only the S surface protein. The humoral immune response could already be detected after the first immunization in nine out of fifteen Sci-B-Vac vaccinated individuals while it was only observed in one out of fifteen volunteers of the group immunized with HBVAXPRO®. Anti-HBs titers were significantly higher in Sci-B-Vac volunteers (P < 0.01) following all four vaccinations. HBV-specific T-cell immune response was significantly higher in Sci-B-Vac volunteers (P < 0.001) after the third vaccination. Proliferative response was also significantly (P < 0.01) higher in the Sci-B-Vac group after second to fourth vaccination.
With this good experience, Sci-B-Vac was subsequently used for vaccination of forty-six potential LLD using the short time immunization protocol as described above. Humoral and cellular immune responses were examined in donors after immunization and in recipients before and after transplantation. Anti-HBs-titers of up to 50,000 IU/l were detected in LLD. Fourteen patients received livers from these immunized donors. We detected humoral immunity in one HBV-naïve recipient and in one chronically HBV-infected recipient. A transfer of cellular immunity (SI > 3) was seen in three recipients. These three patients received livers from donors with high anti-HBs-titers of more than 9,000 IU/l. Cellular immunity was also detected in the corresponding donors (SI > 3 and spots > 22). Our study demonstrates that HBV-specific humoral and cellular immunity can be transferred by liver transplantation after vaccination of the donors. The transfer of B- and T-cell immunity in transplanted patients correlates with the magnitude of immune responses in the donor.
Further, using the woodchuck model we successfully expressed six chimeric PreS1-core particles (WHcPep1, WHcPep2, WHcPep3, WHcPep4, WHcPep5, WHcPep6) in E. coli. We successfully purified three out of six constructs (WHcPep3, WHcPep4, WHcPep6). Immunization of mice with chimeric particles purified in this study induced a better immune response compared to immunization with an n-terminal PreS1-fragment aa 1-81. Already, after the first immunization all groups of mice immunized with virus like particles (VLPs) showed PreS1 specific humoral immune response; whereas mice immunized with the PreS1 fragment aa 1-81 showed no immune response at this time point. Particles created in this study can be used in the future in woodchucks to confirm the protection ability and safety of this vaccine for application of HBV VLPs in humans
Characterization and modification of regulatory T-cells during mCMV infections
No full textCytomegalieviren etablieren in ihren Wirten latente Infektionen, die in immunkompetenten Personen bei Erstinfektion nur wenige Symptome auslösen. Bei Immunsuppression, wie sie beispielsweise bei HIV- oder Transplantationspatienten auftritt, kann eine Reaktivierung des latenten Virus erfolgen. Eine Reaktivierung oder auch eine Erstinfektion unter Immunsuppression führt zu lebensbedrohlichen systemischen Infektionen in Patienten. Im Laufe der Koevolution mit ihren Wirtsorganismen haben Cytomegalieviren verschiedene Mechanismen entwickelt mit denen sie die Immunantwort des Wirts unterdrücken können. Welche Rolle regulatorische T-Zellen (Tregs), für die in den letzten Jahren in mehreren Infektionskrankheiten ein immunsuppressiver Einfluss beschrieben wurde, in der mCMV-Infektion spielen, ist allerdings nicht endgültig verstanden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen zum ersten Mal, dass Tregs in vivo die Immunantwort während der akuten mCMV-Infektion im Balb/c Mausstamm supprimieren. Zwar konnte im Verlauf der akuten Infektion in der Milz, Lunge und den Speicheldrüsen keine Erhöhung des Anteils an Tregs ermittelt werden, allerdings zeigten sie einen erhöhten Aktivierungsstatus, der über die Messung der Expression des Markermoleküls CD25 nachgewiesen werden konnte. Darüber hinaus führte die spezifische Depletion von Foxp3+ Tregs zu einer verstärkten Immunantwort und zu einer signifikanten Verringerung der Viruslast im Vergleich zu nicht-depletierten infizierten Geschwistertieren. Die verstärkte Immunantwort war besonders in den CD4+ und CD8+ T-Zellpopulationen nachzuweisen. Dabei wurde jeweils ein erhöhter Anteil an GzmB- und IFNγ-produzierender Zellen gemessen.
Interessanterweise wurde bei Analysen von mCMV-infizierten IL-10-GFP Reportermäusen eine erhöhte Expression von IL-10 nicht nur in CD4+ CD25+ Tregs sondern auch in CD4+ CD25- T-Zellen im Vergleich zu nicht-infizierten Geschwistertieren gemessen. Die T-Zell-spezifische Inaktivierung von IL-10 in IL-10flx x CD4cre Mäusen führte innerhalb der CD4+ T-Zellen zu einem stark erhöhten Anteil an IFNγ-exprimierenden Zellen im Vergleich zu CD4+ T-Zellen aus infizierten WT-Mäusen, der mit einer signifikant verringerten Viruslast einherging. Die Treg-spezifische Inaktivierung von IL-10 hatte hingegen keinen Einfluss auf die Immunantwort und die Viruslast. Demzufolge scheinen verschiedene Populationen von Tregs, nämlich CD4+ Foxp3+ Tregs und CD4+ Foxp3- IL-10+ Tregs, an der Immunsuppression während der akuten Phase der mCMV-Infektion beteiligt zu sein. Die gezeigten Daten weisen darauf hin, dass IL-10-produzierende CD4+ T-Zellen besonders auf CD4+ IFNγ-produzierende T-Zellen supprimierend wirken, während Foxp3+ Tregs zusätzlich CD8+ T-Zellen und zu einem geringen Maße auch NK-Zellen supprimieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern somit unsere Kenntnisse der immunsuppressiven Mechanismen, die zu einer unzureichenden Immunantwort während der mCMV-Infektion führen. Sie könnten somit zur Entwicklung neuer Therapien basierend auf einer Modifikation von T-Zellantworten zur Bekämpfung einer akuten hCMV-Infektion beitragen.Cytomegaloviruses (CMV) establish latent infections in their hosts with only slight symptoms in immunocompetent patients at a primary infection. Under immunosuppression, as in HIV-infected or transplantation patients, reactivation of latent virus can occur. Reactivation – or primary infection – under immunosuppression can lead to a life-threatening, systemic infection. In the course of co-evolution CMVs developed a diverse arsenal of mechanisms to evade the immune control of their hosts. There is a growing body of evidence that regulatory T-cells (Tregs) play a pivotal role in the immune suppression during infection diseases. Their influence during CMV infections has not been fully understood.
The results of this thesis show for the first time that Tregs suppress the immune response during mCMV infections in Balb/c mice. While there was no increase in the frequency of Tregs in spleen, lung and salivary glands, they showed a higher activation status. This was determined by quantifying the expression of the marker molecule CD25. Specific depletion of Foxp3+ Tregs led to a more effective immune response during mCMV infection and decreased viral loads in comparison to non-depleted infected control animals. The effect on the immune response was most obvious in CD4+ and CD8+ T-cell-pools. Within these populations a higher frequency of GzmB- and IFNγ-producing cells was found.
Interestingly, analyses revealed a higher expression of IL-10 not only in CD4+ CD25+ Tregs but also in CD4+ CD25- T-cells using mCMV infected IL-10-GFP reporter-mice in comparison to non-infected control mice. T-cell specific inactivation of IL-10 in infected IL10flx x CD4cre mice led to an increased frequency of CD4+ IFNγ-producing cells. That was accompanied with a decrease in viral loads in comparison to infected WT-mice. IL-10 inactivation within the Treg-population had no influence on the immune response or viral loads. Therefore, there seem to be different Treg-populations which have an immunosuppressive effect at acute mCMV-infections, e.g. CD4+ Foxp3+ Tregs and CD4+ Foxp3- IL-10+ Tregs. The data shown indicate that IL-10-producing CD4+ T-cells suppress especially CD4+ IFNγ-producing T-cells, whereas Foxp3+ Tregs additionally suppress CD8+ T-cells and to a minor degree also NK-cells. The results of this thesis extend our knowledge of immunosuppressive mechanisms that lead to an ineffective immune response during mCMV infections. These findings could contribute to the development of new therapeutic strategies based on a modification of T-cell responses for the treatment of acute hCMV infections
Experimental investigations on the dissolved gas analysis method (DGA) through simulation of electrical and thermal faults in transformer oil
No full textDie Gasentstehung in Transformatorölen wird durch elektrischen und thermischen Fehler verursacht, welche ungünstige Betriebsbedingungen in Transformatoren zu führen. Mit dem Alterungsprozess des Transformators gehen ungünstige Betriebsfaktoren wie erhöhte Temperaturen, starke elektrische Felder, elektrische Entladungen, mechanischer Stress, und Schäden des Isolations einher, welche zur Verstärkung jener fehlerhaften Betriebsbedingungen und dementsprechend zu stärkerer Gasentstehung führen und somit das akute Risiko für irreversible Schäden oder eine Explosion erhöhen. Überwachungs- und Diagnosemethoden, die auf der „Dissolved Gas Analysis (DGA)“ basieren, haben aufgrund ihres Einsatzpotentials zur kontinuierlichen und zuverlässigen Erkennung von Transformatorenfehlern große Bedeutung und Aufmerksamkeit gewonnen. Einige der im Transformatoröl gelösten Gase können als Wasserstoff, Methan, Ethan, Ethylene, Acetylen, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid identifiziert werden.
Die „Dissolved Gas Analsysis (DGA)“ ist als effektive und einfache Methode zur Fehlerdiagnose in Transformatoren anerkannt. Allerdings beruht die Fehlerdiagnose der DGA auf dem Wissen über die Zuordung der einzelnen Gasmuster zu den verschiedenen Fehlern in Transformatoren. Darüber hinaus hängt die Zuverlässigkeit der Fehlerdiagnose beträchtlich von der Technik der Gas-in-Öl Extraktion und Analyse, sowie der Probenentnahme und Probenlagerung ab. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen hatten das Ziel zu verstehen, wie die elektrischen und thermischen Fehler die Gasentstehung verursachen und die herkömmlichen Gas-in-Öl Messungen einzuschätzen, um die Anwendungen der DGA zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden Experimente durchgeführt, in denen elektrische und thermische Fehler in Transformatoren simuliert worden sind. Dabei waren die Versuchsaufbauten mit verschiedenen DGA-Überwachungstechniken ausgestattet, so dass die Gasmuster und Tendenz kontinuierlich verifiziert werden konnten. Zudem wurde untersucht welchen Effekt die Probenentnahme und die Art der Durchführung der Gas-in-Öl Messung sowie der Diffusionsfluss der entstehenden Gase auf die DGA-Ergebnisse hatten.
Während dieser Untersuchungen wurden vier Techniken für die Extraktion von gelösten Gasen getestet. Die Ergebnisse der Gas-in-Öl Analyse zeigten, dass eine automatische DGA-Überwachungstechnik, die aus einem Vakuumextraktionsanlage und einem Gaschromatograph besteht, die effizienteste Extraktion und die genausten Gaskonzentrationen erbringen. Des Weiteren wurde beobachtet, dass eine falsche Probenentnahme und Lagerung dazu führt, dass Luftblasen in die Probe diffundierten, welche die Wasserstoffkonzentration im Öl verminderten. Würden die Ölproben Licht und hohen Temperaturen ausgesetzt, so wird aufgrund eines schnelleren Oxidationsprozesses mehr Wasserstoff im Öl erzeugt. Es konnte bewiesen werden, dass bei Lagerung der Probe in luftdichten Behältern wie Glasspritzen, in Dunkelheit und konstanten äußeren Bedingungen bis zu 16 Tagen zuverlässige Gas-in-Öl Ergebnisse geliefert werden. Der Effekt des „Stray Gassing“ in Öl, welcher mittels der höheren Wasserstoffkonzentration charakterisiert wurde, ist während der Untersuchungen ebenfalls dokumentiert worden. Diese Fakten deckten potentielle Fehlerquellen in der DGA Anwendung auf.
Ein großer Teil dieser Arbeit befasste sich mit dem Aufbau von den experimentellen Versuchsanordnungen um thermische und elektrische Fehler wie Teilentladungen, Durschlagen, und Hotspots zu simulieren. Es würden zwei maßstabgerechte Versuchsaufbauen konstruiert, ein kleine Versuchsaufbau (30 kV und 12 Liter Öl) und ein großer Versuchsaufbau (100 kV und 600 Liter Öl). Diesen beinhaltete Öltank und Ausdehnungsgefäß, Ölkreislauf und hoch Spannung und Steuerungssystem, die wie ein Leistungstransformator nach empfunden waren. Mittels dieser Versuchsaufbauten war es möglich, unter kontrollierte Parameters wie Stromstärke, Spannung, Temperatur und Ölbedingungen, die elektrische und thermische Fehler im Öl zu einsetzen.
Der kleine Versuchsaufbau würde zur Einsatz des Teilentladungsfehlers, sowie des Hotspotfehlers von verschiedener Temperatur angewendet. Dieser Aufbau ermöglichte die Untersuchung von den gelösten Gasen mit markverfügbaren DGA-Überwachungstechniken. Außerdem würde der großer Versuchsaufbau, welche Öltank, Ausdehnungsgefäß sowie der Ölkreis ein verbessertes Model des „atmenden“ Transformators stellte, zur Einsatz des elektrischen Durschlagentladungen bei höherer Spannungspegel angewendet. Dieser Aufbau war zudem mit einem automatischen System zur Kontrolle der Ventile und Pumpgeschwindigkeit des Ölreislauf, wie es in dem Leistungstransformator zur Kühlung vorkommt.
Die entstanden Gaskonzentrationen für die verschiedenen Fehlertypen (Teilentladung, Durschlag und Hotspot) würden mittels einem der aktuellsten DGA-Fehlerinterpretation Schema, die von CIGRE TF 15.01.01 vorgeschlagen, ausgewertet. Die Fehlerinterpretation der Gaskonzentrationen deuten darauf hin dass das CIGRE Schema unbeständige Diagnostik für Teilentladungen und Hotspot lieferte. Anderseits schien es das CIGRE Schema beständig in der Diagnostik vom elektrischen Durschlag. Basiert auf diese Ergebnisse würde festgestellt dass diese DGA-Fehlerinterpretation Schema mit bedach angewendet werden sollte, und zusätzliche Methoden für eine zuverlässige Fehlerdiagnostik mit einbezogen werden sollten. Dadurch erstellte sich heraus dass die graphische DGA-Fehlerinterpretation Methode, welche als Gasmuster identifiziert würde, zur die zuverlässige Diagnostik von Teilentladungen, elektrische Durschlag sowie Hotspots, geeignet ist. Diese Methode zeigte großes Potential als separate DGA-Fehlerinterpretation Methode oder zusammen mit dem CIGRE Schema, zu Fehlerdiagnostik angewendet zu werden.
Mittels des großen Versuchsaufbau war es möglich die kontinuierliche Gasdiffusionsrate von Öl in die Luft über das „atmende“ Ausdehnungsgefäss zu untersuchen. Die Untersuchungen bestätigten, dass der Diffusionsprozess einen starken Einfluss auf die DGA-Fehlerinterpretation hat. Die kontinuierliche Gasdiffusion führt zu einer Unterschätzung der Gaskonzentrationen und damit zu einer falschen Fehlerdiagnose. Der Diffusionsfluss neigt dazu, sich mit schnelleren Ölzirkulationsraten zu erhöhen, speziell für hochflüchtigen Fehlergase, wie Wasserstoff.Gas generation in transformer oil is induced by electrical and thermal faults resulting from unfavorable operating conditions in transformers. Along with aged conditions of transformers, operating factors such as high temperature, strong electrical fields, electrical discharges, mechanical stresses, insulation damage and contaminants pose imminent risks of malfunctioning and irreversible damage to the transformers. Transformer monitoring methods based on dissolved gas analysis (DGA) have gained great significance and attention in order to ensure timely and accurate diagnostics of the electrical and thermal faults occurring in the transformers. Gases that act as fault indicators are hydrogen, methane, ethane, ethylene, acetylene, carbon monoxide and dioxide.
The dissolved gas analysis (DGA) has been widely acknowledged as an effective and rather simple method for fault diagnostic of transformers. However the diagnostic of the faults by DGA directly depends on the knowledge about gas generation patterns produced by various types of faults. Moreover, the reliability of the diagnostic depends considerably on the techniques of gas-in-oil extraction and analysis as well as the procedures for oil sampling and storage.
The undertaken experimental investigations were aimed at understanding the process of gas generation due to electrical or thermal faults in transformers and assessing the commercially available gas-in-oil measurement techniques in order to enhance the application of the dissolved gas analysis (DGA) method. For that purpose experiments were carried out by simulating electrical and thermal faults in laboratory setups equipped with DGA monitoring technique that allowed verification of gas generation pattern due to specific type of faults. Additionally, the effects of oil sampling and gas-in-oil measurement techniques as well as the diffusion flux of fault gases-in-oil on the results of DGA were also investigated.
During these investigations four techniques for extraction of dissolved gases were evaluated. Results of gas-in-oil analysis revealed that an automated DGA monitoring system consisting of a vacuum extraction device and gas chromatography provides the most efficient extraction and precise concentrations of gases. It was observed that improper sampling and storage significantly decrease the hydrogen concentration. Exposure of oil samples to light and higher temperatures leads to generation of hydrogen due to faster oxidation rates. It was demonstrated that storage of oil samples in air-tight container, in darkness and constant ambient conditions can provide reliable gas-in-oil measurements for a storage period up to 16 days. The effect of ’stray gassing’ in oils, which is characterized by generation of hydrogen in high concentration, was also documented during the investigations. These observations point to the potential sources of errors in DGA.
An extensive part of this research work was focused on constructing experimental setups to produce thermal and electrical faults as in the power transformers. The construction of a small scale setup (30 kV and 12 liter oil tank) and a large scale setup (100 kV and 600 liter oil tank) including oil tanks, oil circulation system, high voltage system, and control panel was accomplished with necessary details. The experimental setups allowed the simulation of electrical and thermal faults in transformers, under controlled parameters such as current, voltage, temperature and oil conditions. The small scale setup was used for simulating the partial discharges (PD) fault and hotspots (HS) faults of different temperatures in transformer oil. The setup allowed the investigations of the fault gas generation process by means of various commercially available DGA monitoring techniques.
The large scale experimental setup, which includes oil tank, conservator tank as well as oil circulation and reconditioning system, provided an enhanced model of an air-breathing power transformer. It was also equipped with an automated system to control valves and pumping rates of oil circulation and reconditioning system, as it occurs in a power transformer for cooling purpose. The large scale setup was employed for simulating intense arcing discharge (AD) faults at high voltage levels. The gas concentrations obtained for the three types of faults (PD, HS and AD) were interpreted using the fault interpretation scheme CIGRE TF 15.01.01 (CIGRE interpretation scheme), which is one of the latest DGA interpretation schemes.
The interpretations suggest that the CIGRE scheme provides inconsistent diagnostic of PD and HS faults; otherwise it seemed to be consistent in diagnosing AD faults. Based on the overall results it was concluded that the CIGRE scheme should be applied cautiously and additional factors must be considered for a reliable diagnostic. The graphical DGA interpretation method, so called gas generation pattern method, resulted to be sufficiently reliable at the diagnostics of PD, HS as well as AD faults. This method exhibits great potential to be utilized for fault diagnostics as a separate or in combination with the CIGRE scheme. The large scale setup was also used for investigating the continuous diffusion of fault gases from oil into the atmosphere via the air-breathing conservator tank. The investigations confirmed that the diffusion process has a strong oil circulation rates, especially for highly volatile fault gases, such as hydrogen