Die Reduzierung des Ressourcenverbrauchs und der Lärm- und Schadstoffemissionen von technischen Strömungsprozessen wie Verbrennungs- und Einspritzvorgängen ist von hoher gesellschaftlicher Bedeutung und erfordert ein tieferes Verständnis der auftretenden Strömungsphänomene. Hierfür ist die messtechnische Erfassung der Strömungen notwendig, wobei insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit von hohem Interesse ist. Strömungsgeschwindigkeitsmessungen in dynamischen oder reaktiven Fluiden stellen jedoch hohe Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik. Um Strömungsoszillationen und instationäre Phänomene mit kurzen Zeitskalen erfassen zu können, muss eine Messung simultan dreikomponentig und mit einer hohen Messrate von 100 kHz oder mehr erfolgen. Zur Analyse komplexer und kleinskaliger Geschwindigkeitsfelder ist eine bildgebende oder volumetrische Messung mit einer hohen örtlichen Auflösung wünschenswert. Momentan verfügbare Messsysteme genügen bisher nicht allen genannten Anforderungen. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung, Charakterisierung und Qualifizierung eines geeigneten Systems zur zeitaufgelösten Erfassung instationärer Strömungsprozesse in hochdynamischen und reaktiven Fluiden. Einen für diese Zwecke vielversprechenden Ansatz stellt die Doppler-Global-Velozimetrie (FM-DGV) dar, da diese eine berührungslose Messung mit hoher Messrate gestattet und prinzipiell auch dreikomponentige und volumetrische Messungen ermöglicht. Daher erfolgte die Entwicklung und Realisierung eines simultan dreikomponentigen FM-DGV-Systems und eines FM-DGV-Systems zur bildgebenden und volumetrischen Messung. Die aufgebauten Systeme wurden hinsichtlich ihrer Geschwindigkeitsmessunsicherheit charakterisiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die resultierenden Messunsicherheiten hinreichend klein sind und der Einfluss von Brechungsindexfluktuationen auf die Messunsicherheit vernachlässigt werden kann. Die Analyse der Messunsicherheiten aufgrund von Strömungsgeschwindigkeits- und Streulichtleistungsfluktuationen erfolgte mittels eines modellbasierten Ansatzes. Dabei wurde gezeigt, dass Streulichtleistungsfluktuationen einen dominanten Beitrag zum Messunsicherheitsbudget leisten können. Um die Eignung für die simultan dreikomponentige Messung mit hoher Messrate zu demonstrieren, wurden Messungen an einem Bias-Flow-Liner (BFL) durchgeführt. Dabei gelang erstmals an einem BFL die Untersuchung des Leistungsdichtespektrums in kartesischen Koordinaten und der Nachweis eines breitbandigen Energietransfers von Energie der Schallanregung hin zur kinetischen Energie der Strömung. Zur Demonstration der Messung in reaktiven Fluiden wurde ein drallstabilisierter Gasbrenner untersucht, wie er in stationären Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken eingesetzt wird. Hierbei konnte eine thermo-akustische Wechselwirkung zwischen der Wärmefreisetzungsrate und dem Druck nachgewiesen werden und es zeigte sich ein Zusammenhang zwischen den lokalen Geschwindigkeitsoszillationen innerhalb der Flamme und den globalen Schalldruckemissionen. Durch die bildgebende, zeit- und ortsaufgelöste Messung mit hoher Messrate konnten zudem erstmals instationäre Phänomene der Strömungsgeschwindigkeit im düsennahen Bereich einer Hochdruck-Einspritzdüse ohne Seedingzufuhr vermessen werden. Diese Entwicklungen ermöglichen weitere Untersuchungen zum stabileren Betrieb von Gasbrennern mit mageren Gemischen, ein tieferes Verständnis der Dämpfungsmechanismen an BFL und die Optimierung des Einspritzvorganges in Motoren. Somit kann perspektivisch ein Beitrag zum ressourcenschonenden, umweltfreundlichen und leisen Betrieb von technischen Strömungsmaschinen wie Flugzeugtriebwerken, stationären Gasturbinen und Verbrennungsmotoren geleistet werden. / The reduction of the consumption of resources and the noise and polluting emissions of technical flow processes such as combustion and injection processes is of high social relevance and requires a deeper understanding of the occurring flow phenomena. For this purpose the metrological acquisition of the flows is necessary, whereat especially the flow velocity is of high interest. However, flow velocity measurements in dynamic or reactive fluids make great demands on the engaged measurement techniques. In order to resolve velocity oscillations or unsteady phenomena with short timescales a simultaneous three component measurement with a high measurement rate of 100 kHz or more is required. To analyze complex and small-scale velocity fields an imaging or volumetric measurement with a high spatial resolution is desired. Currently available measurement systems do not fulfill all these requirements. Hence, the goal of this work is the development, characterization and qualification of a measurement system suitable for the temporally resolved acquisition of unsteady flow processes in highly dynamic and reactive fluids. For this purpose the Doppler global velocimetry with laser frequency modulation (FM-DGV) represents a promising approach, since it allows a contactless measurement with high measurement rate and in principle enables simultaneous three component and volumetric measurements. Hence, as a first step a simultaneous three component FM-DGV system and a FM-DGV system for imaging and volumetric measurements were developed. Subsequently, the realized systems were characterized regarding their velocity measurement uncertainty. It was shown, that the resulting measurement uncertainty is sufficiently small and that the influence of fluctuations of the refractive index on the measurement uncertainty can be neglected. The analysis of the measurement uncertainty due to fluctuations of the flow velocity and the scattered light power was conducted using a model-based approach. It was thereby shown, that fluctuations of the scattered light power can lead to a dominant term of the uncertainty budget. In order to demonstrate the suitability for simultaneous three component measurement with high measurement rate, measurements at a bias flow liner (BFL) were conducted. Thereby for the first time at a BFL it was possible to determine the power spectral density in Cartesian coordinates and to show the broadband energy transfer from the energy of the sound excitation to the kinetic energy of the flow. To demonstrate the measurement in reactive flows, a swirl-stabilized burner was investigated, as it is used in stationary gas turbines and airplane engines. It was possible to prove a thermo-acoustic interaction between the heat release rate and the pressure and to show a correlation between the local velocity oscillations within the flame and the global sound pressure emissions. By means of the imaging, temporally and spatially resolved measurement with high measurement rate it was furthermore possible to resolve unsteady phenomena in the near-nozzle region of a high-pressure injection nozzle without the addition of tracer particles. These developments allow further investigations regarding the stable operation of gas burners with lean mixtures, a deeper understanding of the damping effects at BFL and the optimization of injection processes in engines. Consequently, it is perspectively possible to contribute to the resource-efficient, environment-friendly and quiet operation of technical flow machines as aircraft engines, stationary gas turbines and combustion engines.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erfassung von Oberflächen mittels Streifenprojektionsverfahren. Dabei wird ein Berechnungsmodell erarbeitet, welches den durch eine Aufnahme erfassten Bereich der Objektoberfläche berechnet und bewertet. Mithilfe einer optimalen Positionierung von Einzelaufnahmen ist es möglich, ein Objekt bei festgelegten Randbedingungen zeitsparend zu erfassen.

Glow Discharge Optical Emission Spectrometry (GD OES) has proved to be a versatile analytical technique for the direct analysis of solid samples. The application of a pulsed power supply to the glow discharge (GD) has a number of advantages in comparison with a continuous one and thereby broadens the analytical potential of the GD. However, because the pulsed GD (PGD) is a relatively new operation mode, the pulsing and plasma parameters as well as their influence on the analytical performance of the GD are not yet comprehensively studied. The aim of this dissertation consists in the investigation of the PGD features, which are crucial for both understanding the discharge plasma processes and analytical applications. The influence of the pulsing parameters on the PGD is ascertained and compared for direct current (dc) and radio frequency (rf) discharges. In the research attention is firstly paid on the electrical parameters of PGD, then on the sputtered crater shapes, sputtering rates and finally on the light emission. It is found that the sputtered crater shape is strongly affected by the duration of the applied pulses even when the duty cycle is fixed. The pulse length influences the intensity of the light emission as well (at constant duty cycle). Moreover this influence is different for emission lines of atoms and ions in the plasma. This phenomenon can be seen at the comparison of atomic and ionic lines of different elements. The voltage–current plots of the PGD are found to indicate heating of the discharge gas when operating at high duty cycles. Using this feature a new method for the estimation of the discharge gas temperature from the voltage-current characteristics of the PGD is developed. The calculated temperature values are compared with another temperature measurement technique. Different temperature estimation procedures have shown that the discharge gas temperature can be reduced by around 100 K when PGD is applied. The temperature measurements have also confirmed that the gas heating can be adjusted by variation of the pulsing parameters. The effect of sputtering on the Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) layer surface of the solar cells is described for the first time. SEM investigations of the CIGSe layer of the solar cells have shown that sputter induced effects can be reduced by variation of the pulsing parameters. With regard to the question whether dc and rf pulsed discharges behave similarly: nearly all phenomena found with dc discharges also appear in the rf case. Hence it is concluded that the pulsed rf and dc discharges are very similar in terms of the electrical properties, sputtered crater formation, light emission and temperature. It is concluded that matrix specific, as well as matrix independent quantification principles and the intensity correction developed by Arne Bengtson can be applied for the pulsed mode, if special conditions are fulfilled. CIGSe solar cell samples and thin layered electrode metallizations of SAW devices are measured and quantified with application of PGD. The proposed quantification procedures are performed at commercial GD OES devices and can be used for the analysis with application of pulsed rf discharge. The studies of the PGD performed in this dissertation are relevant for the application of the GD OES analysis in materials science. During the collaborative work with Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie and with the research group of Dr. Thomas Gemming at IFW Dresden the optimized pulsed GD OES measurements could be successfully applied at the investigation of thin film solar cells with CIGSe light absorbing layer and electrode matallizations of SAW devices. In case of solar cell samples pulsed GD OES depth profiling along with SIMS measurements reveal the role of the Al2O3 barrier layer in high efficiency solar cells consisting of a CIGSe/Mo/Al2O3/steel substrate layer stack (the barrier layer is to prevent the Fe diffusion into the CIGSe). The features of the CIGSe films growth are studied with help of pulsed GD OES and in situ synchrotron XRD measurements. The diffusion coefficient of Zn into the CuInS2 layer is determined for the first time from the measured GD OES depth profiles of the corresponding solar cell samples. In case of SAW samples, pulsed GD OES measurements helped to evaluate the different SAW electrode preparation procedures and to select the most suitable one. In addition pulsed GD OES depth profiling along with XPS, TEM-EDX and electrode lifetime measurements indicate the possible mechanism of power durability and lifetime improvement of the SAW devices when a small amount of Al is added to the Cu-based electrodes. / Die optische Glimmentladungsspektroskopie (engl. Glow Discharge Optical Emission Spectrometry - GD OES) hat sich als eine vielfältige und schnelle Methode für die direkte Analyse von festen Materialien erwiesen. Die Anwendung von gepulsten Glimmentladungen (GD) bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu einer kontinuierlichen Entladung und erweitert dadurch das analytische Potential der Methode. Die praktische Anwendung von gepulsten GD erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Prozesse, die in der Entladung und im elektrischen System ablaufen. Der Einfluss der Puls- und Plasmaparameter auf die analytische Leistung der gepulsten GD ist bislang noch nicht umfassend erforscht worden. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Untersuchung der Eigenschaften der gepulsten GD, welche von besonderer Bedeutung sowohl für das Verständnis des Entladungsprozesses als auch für analytische Anwendungen ist. Die Auswirkungen der Pulsparameter auf die gepulste GD wurde für den Gleichstrom-(DC) und Hochfrequenz- (HF) Modus untersucht und verglichen. Die Reihenfolge der Untersuchungen wurde in dieser Arbeit wie folgt gewählt: elektrische Parameter, Sputterkraterformen, Sputterraten und Lichtemission. Die Form des Sputterkraters korreliert stark mit der Pulsdauer, selbst wenn das Tastverhältnis konstant ist. Die Pulsdauer beeinflusst nicht nur die Kraterform, sondern auch die Intensität der Emissionslinien (bei konstantem Tastverhältnis). Darüber hinaus ist dieser Einfluss unterschiedlich für Atome und Ionen. Dieses Verhalten wurde an mehreren Emissionslinien (atomar bzw. ionisch) nachgewiesen. Aus der Analyse der U-I-Kennlinien der gepulsten GD ergab sich, dass es zu einer Erhitzung des Plasmas bei höherem Tastverhältnis kommt. Dieser Effekt wurde zur Bestimmung der Plasma-Gastemperatur ausgenutzt. Die ermittelten Temperaturen wurden mit einer andere Methode verglichen. Aus der Abschätzung ergab sich, dass die Plasmatemperatur bei gepulsten GD um bis zu 100 K gesenkt werden und durch die Pulsparameter genauer eingestellt werden kann. Der Einfluss des Sputterns auf Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) Dünnschichten von Solarzellen wurde erstmals beschrieben. REM-Untersuchungen an GD-gesputterten CIGSe Schichten haben gezeigt, dass die Sputtereffekte durch die Variation der Pulsparameter reduziert werden können. Es konnte gezeigt werden, dass HF- und DC-Entladungen dieselben Effekte aufweisen und sich nur geringfügig voneinander unterscheiden. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass DC- und HF-Entladungen in Bezug auf elektrische Eigenschaften, Kraterformen, Lichtemission und Temperatur sehr ähnlich sind. Die Quantifizierung der mit gepulsten GD gemessenen Tiefenprofile ergab ferner, dass die Anwendung der Quantifizierungsmethoden für den kontinuierlichen Modus unter den gegebenen Bedingungen zulässig ist. Die Tiefenprofile von Solarzellen-Schichten sowie SAW-Metallisierungen wurden anhand gepulster GD gemessen und quantifiziert. Die empfohlenen Quantifizierungsmethoden können mit kommerziellen GD OES-Geräten durchgeführt werden. Die Untersuchungen an gepulsten GD sind insbesondere relevant für GD OES-Anwendungen im Bereich der Werkstoffwissenschaft. Während der Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Arbeitsgruppe von Dr. Thomas Gemming (IFW Dresden) konnten optimierte, gepulste GD OES Messungen erfolgreich zur Untersuchung von Dünnschicht-Solarzellen bzw. hochleistungsbeständigen SAW-Metallisierungen angewendet werden. Für die Solarzellen haben GD OES und SIMS Messungen geholfen, die Rolle der Al2O3-Barriere in CIGSe/Mo/Al2O3 Schichtstapeln auf flexiblem Stahlsubstrat besser zu verstehen (Al2O3 soll die Diffusion der Fe-Atome in CIGSe verhindern). Die gemeinsame Untersuchung getemperter CIGSe-Schichten mit gepulster GD OES und in-situ Synchrotron-XRD ergab neue Erkenntnisse zum Schichtwachstum. Der Diffusionskoeffizient von Zn in CuInS2 wurde erstmals aus GD OES-Tiefenprofilen bestimmt. Im Fall der SAW-Metallisierungen konnte die GD OES zur Bestimmung des geeignetsten Herstellungsverfahrens einen wichtigen Beitrag leisten. Die gepulste GD OES hat neben anderen Untersuchungsmethoden wie TEM-EDX, XPS und Lebensdauermessungen die Verbesserung der Leistungsbeständigkeit von Cu-Metallisierungen durch geringen Al-Zusatz aufklären können.