Name: ultrasound velocity measurement in a liquid metal electrode
Uploaded: 2015-08-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode at JoVE.com

We are grateful for the design and fabrication assistance of D. De La Cruz, for equipment borrowed from M. Zahn, and for insightful discussions with D. R. Sadoway and the talented electrochemists of his group.

1. إعداد النظام والجمعية <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تنظيف محول بالموجات فوق الصوتية مع الأيزوبروبانول. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحميل صندوق قفازات. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحميل المعدات والمواد (بما في ذلك محول بالموجات فوق الصوتية، ePbBi، وإثارة عصا، والمزدوجات الحرارية) في صندوق قفازات، تنفيذا لتعليمات الشركة المصنعة صندوق قفازات للحد من دخول الأوكسجين والرطوبة المطلوبة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الحفاظ على مواد مسامية تحت فراغ في غرفة انتظار صندوق قفازات لمدة 12 ساعة قبل دخول صندوق قفازات. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط تحكم PID (المرة الأولى فقط). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع نفس الكمية من صلب ePbBi في الإناء البطارية التي سيتم استخدامها في التجارب (840 غرام). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع العزل الفرن حول السفينة البطارية إذا لم تكن هناك، ووضع غطاء فوق السفينة البطارية، جنبا إلى جنب مع جامع الحالي سلبي والمزدوجات الحرارية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> جعل جميع التوصيلات الكهربائية للالمزدوجات الحرارية وطاقة الفرن، كما هو مبين في الشكل <strong&gt; لدى عودتهم 2B. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الشروع في ضبط التلقائي للتحكم PID، وذلك باستخدام 150 ° C كنقطة مجموعة. ملاحظة: تفاصيل هذه الخطوة تختلف، اعتمادا على الشركة المصنعة تحكم PID والنموذج. وحدة تحكم المستخدمة هنا لصناعة السيارات في الإيقاعات من خلال التحكم في أربع دورات الحرارية كاملة، من RT إلى درجة حرارة التشغيل، على مدار ساعة. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام مفاتيح الأسهم لضبط نقطة مجموعة (كما هو موضح بشكل افتراضي بعد ضبط جهاز التحكم) إلى 150 ° C. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> اضغط مع الاستمرار على زر حلقة لمدة 3 ثوانى لدخول حلقة المخفية. ثم اضغط على زر حلقة بشكل متكرر حتى يظهر على الشاشة تحكم &quot;اللحن&quot;. استخدام مفاتيح الأسهم لتغييره إلى YES. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إدراج الحرارية واستخدام محطة لرصد وتسجيل درجات الحرارة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> مرة واحدة لصناعة السيارات في تناغم كامل، تسجيل المعلمات النسبي، متكاملة، والمشتقة أن وحدة تحكم PID اختارت تلقائيا باستخدام واجهة تحكم، وفقا رس تعليمات الشركة الصانعة. </li></ol></li></ol> 2. قياس سرعة الصوت <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام فرن لصهر بما فيه الكفاية ePbBi للتجربة، لا يقل عن 400 غرام. ملاحظة: سوف المبلغ المطلوب تختلف عن معدات مختلفة، وePbBi يذوب في 125 ° C. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إذا لزم الأمر، وإزالة أكسيد الزائد عن طريق القشط عليه من السطح العلوي للePbBi باستخدام عصا ضجة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إدراج محول بالموجات فوق الصوتية في جهاز قياس سرعة الصوت وتشديد الاتصال أرجح لمنع التسرب، ثم إدراج الحرارية واستخدام محطة لرصد وتسجيل درجات الحرارة. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> نقل المعدن المنصهر لجهاز قياس سرعة الصوت. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع جهاز قياس سرعة الصوت على قاعدة الفرن وتركها هناك لمدة 2 دقيقة إلى زيادة تدريجية في درجة الحرارة وتجنب الصدمة الحرارية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الاستعداد لنقل آمن عن طريق إزالة المعدات أو المواد الحساسة للحرارة من المنطقة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إضافة صباحا صغيرounts من المعدن المنصهر في وقت واحد، لأن الصدمة الحرارية يمكن أن تلحق الضرر محول بالموجات فوق الصوتية. إضافة ePbBi حتى على حد سواء المغمورة وجه محول ورئيس ميكرومتر تماما. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الانتظار حتى تبقى درجة الحرارة مستقرة في حدود 1 درجة مئوية لمدة 5 دقائق على الأقل قبل القياسات بداية، منذ سرعة الصوت تعتمد على درجة الحرارة. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> أصداء قياس الموجات فوق الصوتية في موقعين. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تعيين طرف ميكرومتر إلى مكان تعسفيا، بل المعروفة. تسجيل القياسات صدى الموجات فوق الصوتية واتباع التعليمات المقدمة من قبل الشركة المصنعة الصك. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> باستخدام الاتصال الهاتفي ميكرومتر، نقل معلومات سرية ميكرومتر لمسافة معروفة. سجل الموجات فوق الصوتية قياسات الصدى. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إزالة المعدن المنصهر من جهاز قياس سرعة الصوت وتخزينه في وعاء التي تتحمل الحرارة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لتحديد سرعة الصوت، صدى مؤامرة السعة بوصفها وظيفة من الزمن صدى لكل من القياسين. موقع أصداء من المناسب منحنى جاوسإلى كل صدى الذروة، كما في الشكل لدى عودتهم 4. حساب سرعة الصوت عن طريق قسمة المسافة التهجير من قبل الفرق في أوقات الذروة الصدى. </li></ol> 3. الموجات فوق الصوتية قياس السرعة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تذوب بما فيه الكفاية ePbBi للتجربة (840 غرام)، وإزالة أكسيد الزائد إذا لزم الأمر. ملاحظة: للحصول على أفضل النتائج، استخدم نفس الكمية من ePbBi الذي تم استخدامه لضبط تحكم PID. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إدراج محول بالموجات فوق الصوتية في الإناء البطارية وتشديد الاتصال أرجح لمنع التسرب، وضمان أن قاعدة الفرن هو المستوى. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> نقل المعدن المنصهر في وعاء البطارية. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع السفينة البطارية على قاعدة الفرن وتركها هناك لمدة 5 دقائق إلى زيادة تدريجية في درجة الحرارة وتجنب الصدمة الحرارية. الاستعداد لنقل آمن عن طريق إزالة المعدات أو المواد الحساسة للحرارة من المنطقة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إضافة كميات صغيرة من المعدن المنصهر في وقت واحد، لأن الصدمة الحرارية يمكن أن تلحق الضرر المجاهدينمحول trasound. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> انتظر حتى تصل درجة الحرارة الى 150 درجة مئوية قبل القياسات بداية، منذ سرعة الصوت تعتمد على درجة الحرارة. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الانتهاء من تجميع الجهاز. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع العزل الفرن حول السفينة البطارية إذا لم تكن هناك. وضع غطاء فوق السفينة البطارية، جنبا إلى جنب مع جامع الحالي سلبي والمزدوجات الحرارية. مما لا شك فيه أن كل متوضعة على وجه التحديد وrepeatably. الياقات رمح تعمل بشكل جيد لهذا الغرض. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> جعل جميع التوصيلات الكهربائية لكل من السلطة والإشارات، كما هو مبين في الشكل لدى عودتهم 2B. استخدام جهاز قياس المقاومة للتحقق من عدم وجود مسارات الكهربائية غير مقصودة موجودة، أي التحقق من أن المقاومة الكهربائية بين جامع الحالي سلبي وكل إشارة يؤدي هي على الأقل 1 MΩ. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بدء إجراء القياسات. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بدء تسجيل درجات الحرارة والرصد، والطاقة سخان، والجهد البطارية، وبطاريةالتيار. ملاحظة: وهنا، تم استخدام محطة عمل تشغيل مخصصة كود ابفيف لتسجيل جميع القياسات، مع الطوابع الزمنية المقابلة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط إعدادات أداة الموجات فوق الصوتية عند الضرورة. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تأكد من ضبط سرعة الصوت، وذلك باستخدام درجة حرارة مناسبة، وفقا لنموذج قبلت 19. لePbBi في 150 ° C المستخدمة أدناه، ضبط السرعة إلى 1760 م / ثانية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط نبض تردد التكرار بحيث أعماق صدى متقاربون (عادة 0.25 ملم). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط عدد البوابة بحيث صدى كبيرا من الجدار الآخر من السفينة يبدو في بوابات القليلة الماضية. أنه يوفر التعقل الاختيار مفيدة بالنسبة للقضايا قوة الإشارة استكشاف الأخطاء وإصلاحها. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> باستخدام الإرشادات المتوفرة من قبل الشركة المصنعة، تعيين أداة لأجهزة اثار. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بدء تسجيل ورصد سرعة مع صك بالموجات فوق الصوتية عن طريق الشروع اثار من محطة العمل. سجل أربعة أنماط من سرعة في الثانية ل30دقيقة. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط الحالي البطارية إلى 5 A، الانتظار 5 دقائق لتدفق لتحقيق الاستقرار، ومن ثم تسجيل أربعة أنماط من سرعة في الثانية لمدة 30 دقيقة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> كرر الخطوة 3.5 ل10 A، 15 A، 20 A، 25 A، و 30 A. ملاحظة: العديد من الخطط التجريبية أخرى ممكنة أيضا، بما في ذلك التغيرات في درجات الحرارة والتغيرات الملساء في التيار. أدنى مستوى الغلاف الجوي في الأوكسجين والرطوبة يسمح التجارب مع نوعية جيدة إشارة لساعات أو أكثر. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وبمجرد أن التجارب كاملة، ووقف تسجيل البيانات وإيقاف الفرن. قطع التوصيلات الكهربائية وإزالة غطاء الفرن. إزالة المعدن المنصهر من السفينة البطارية، باستخدام نفس الإجراءات لنقل آمنة التي كانت تستخدم عند تعبئة السفينة. تخزين ePbBi المنصهر في وعاء التي تتحمل الحرارة. إضافة الأرجون اضافية لصندوق قفازات. وضغوطها تنخفض مع تباطؤ غلافه الجوي. </li></ol>

<ol>
	<li>Kim, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid+metal+batteries:+Past,+present,+and+future.">Liquid metal batteries: Past, present, and future.</a> Chem. Rev. 113 (3), 2075-2099 (2013).</li><li>Bradwell, D. J., Kim, H., Sirk, A. H. C., Sadoway, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnesium-antimony+liquid+metal+battery+for+stationary+energy+storage.">Magnesium-antimony liquid metal battery for stationary energy storage.</a> J. Am. Chem. Soc. 134, 1895-1897 (2012).</li><li>Kim, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermodynamic+properties+of+calcium&#8211;bismuth+alloys+determined+by+emf+measurements.">Thermodynamic properties of calcium&#8211;bismuth alloys determined by emf measurements.</a> Electrochim. Acta. 60, 154-162 (2012).</li><li>Kim, H., Boysen, D. A., Ouchi, T., Sadoway, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calcium&#8211;bismuth+electrodes+for+large-scale+energy+storage+(liquid+metal+batteries).">Calcium&#8211;bismuth electrodes for large-scale energy storage (liquid metal batteries).</a> J. Power Sources. 241, 239-248 (2013).</li><li>Cairns, E. J., Crouthamel, C. E., Foster, A. K., Foster, M. S., Hesson, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Galvanic+cells+with+fused+salts.">Galvanic cells with fused salts.</a> Technical Report ANL-7316. , (1967).</li><li>Cairns, E. J., Shimotake, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-temperature+batteries.">High-temperature batteries.</a> Science. 164 (3886), 1347-1355 (1969).</li><li>Bard, A., Faulkner, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electrochemical methods: Fundamentals and applications. , (2001).</li><li>Takeda, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+an+ultrasound+velocity+profile+monitor.">Development of an ultrasound velocity profile monitor.</a> Nucl. Eng. Des. 126 (2), 277-284 (1991).</li><li>Takeda, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Velocity+profile+measurement+by+ultrasonic+Doppler+method.">Velocity profile measurement by ultrasonic Doppler method.</a> Exp. Therm. Fluid Sci. 10 (4), 444-453 (1995).</li><li>Brito, D., Nataf, H. -. C., Cardin, P., Aubert, J., Masson, J. -. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasonic+Doppler+velocimetry+in+liquid+gallium.">Ultrasonic Doppler velocimetry in liquid gallium.</a> Exp. Fluids. 31, 653-663 (2001).</li><li>Yanagisawa, T., Yamagishi, Y., Takeda, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+of+large-scale+flows+and+their+oscillation+in+the+thermal+convection+of+liquid+gallium.">Structure of large-scale flows and their oscillation in the thermal convection of liquid gallium.</a> Phys. Rev. E. 82, 016320 (2010).</li><li>Eckert, S., Gerbeth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Velocity+measurements+in+liquid+sodium+by+means+of+ultrasound+Doppler+velocimetry.">Velocity measurements in liquid sodium by means of ultrasound Doppler velocimetry.</a> Exp. Fluids. 32 (5), 542-546 (2002).</li><li>Brawn, B. E., Joshi, K., Lathrop, D. P., Mujica, N., Sisan, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualizing+the+invisible:+Ultrasound+velocimetry+in+liquid+sodium.">Visualizing the invisible: Ultrasound velocimetry in liquid sodium.</a> Chaos. 15, 041104 (2005).</li><li>Takeda, Y., Kikura, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+mapping+of+the+mercury+flow.">Flow mapping of the mercury flow.</a> Exp. Fluids. 32 (2), 161-169 (2002).</li><li>Eckert, S., Gerbeth, G., Melnikov, V. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Velocity+measurements+at+high+temperatures+by+ultrasound+Doppler+velocimetry+using+an+acoustic+wave+guide.">Velocity measurements at high temperatures by ultrasound Doppler velocimetry using an acoustic wave guide.</a> Exp. Fluids. 35, 381-388 (2003).</li><li>Ueki, Y., Yao, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-temperature+ultrasonic+Doppler+velocimetry+for+lead-lithium+flows.">High-temperature ultrasonic Doppler velocimetry for lead-lithium flows.</a> Zero-Carbon Energy Kyoto 2011, Green Energy and Technology. , 267-272 (2012).</li><li>Eckert, S., Cramer, A., Gerbeth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Velocity+measurement+techniques+for+liquid+metal+flows.">Velocity measurement techniques for liquid metal flows.</a> Magnetohydrodynamics. , 275-294 (2007).</li><li>Kelley, D. H., Sadoway, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mixing+in+a+liquid+metal+electrode.">Mixing in a liquid metal electrode.</a> Phys. Fluids. 26 (5), (2005).</li><li>NEA. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook on lead-bismuth eutectic alloy and lead properties, materials compatibility, thermal-hydraulics, and technologies. , (2007).</li><li>Fauve, S., Laroche, C., Libchaber, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+a+horizontal+magnetic+field+on+convective+instabilities+in+mercury.">Effect of a horizontal magnetic field on convective instabilities in mercury.</a> J. Physique Lett. 42 (21), 455-457 (1981).</li><li>Cioni, S., Ciliberto, S., Sommeria, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strongly+turbulent+Rayleigh-B&#233;nard+convection+in+mercury:+Comparison+with+results+at+moderate+Prandtl+number.">Strongly turbulent Rayleigh-B&#233;nard convection in mercury: Comparison with results at moderate Prandtl number.</a> J. Fluid Mech. 335, 111-140 (1997).</li><li>Burr, U., M&#252;ller, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rayleigh-B&#233;nard+convection+in+liquid+metal+layers+under+the+influence+of+a+horizontal+magnetic+field.">Rayleigh-B&#233;nard convection in liquid metal layers under the influence of a horizontal magnetic field.</a> J. Fluid Mech. 453, 345-369 (1997).</li><li>Bojarevi&#269;s, V., Freibergs, Y., Shilova, E. I., Shcherbinin, E. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electrically induced vortical flows. , (1989).</li><li>Ouellette, N. T., Xu, H., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+quantitative+study+of+three-dimensional+Lagrangian+particle+tracking+algorithms.">A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms.</a> Am. Exp. Fluids. 40, 301-313 (2006).</li><li>Kelley, D. H., &amp; Ouellette, N. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+particle+tracking+to+measure+flow+instabilities+in+an+undergraduate+laboratory+experiment.">Using particle tracking to measure flow instabilities in an undergraduate laboratory experiment.</a> Am. J. Phys. 79, 267-273 (2011).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

يمكن أن تقنيات الموجات فوق الصوتية تنتج قياسات السرعة في مئات أو آلاف من المواقع في سائل شفاف أو غير شفاف، عدة مرات في الثانية الواحدة. يطبق على القطب المعدن السائل، وتقنيات الموجات فوق الصوتية تواجه تحديات ارتفاع في درجة الحرارة، والنشاط الكيميائي، والتوصيل الكهرب...

<table><tbody><tr><td>K Type Thermocouple Probe</td><td>McMaster-Carr</td><td>3856K83</td><td>http://www.mcmaster.com/</td></tr><tr><td>Red Lion PID Controller</td><td>Red Lion</td><td>P1610000</td><td>http://store.redlion.net/store/p16.html</td></tr><tr><td>Measurement Computing Data Acquisition Device</td><td>Measurement Computing Corporation</td><td>USB-2408</td><td>http://www.mccdaq.com/index.aspx</td></tr><tr><td>Power Supply</td><td>TDK-Lambda</td><td>GEN 8-90-USB-U</td><td>http://us.tdk-lambda.com/hp/</td></tr><tr><td>Ultrasound Instrument</td><td>Signal Processing SA</td><td>DOP3010</td><td>http://www.signal-processing.com/index.html</td></tr><tr><td>Ultrasound Transducer</td><td>Signal Processing SA</td><td>TR0805LTH</td><td>http://www.signal-processing.com/index.html</td></tr><tr><td>Bismuth-Lead Eutectic</td><td>VWR</td><td>AA40949-P2</td><td>https://us.vwr.com/</td></tr></tbody></table>

ultrasound velocity measurement in a liquid metal electrode

وهناك عدد متزايد من التقنيات الكهروكيميائية تعتمد على تدفق السوائل، وكثير من الأحيان أن السائل هو معتم. قياس التدفق من السائل معتم بطبيعته أكثر صعوبة من قياس تدفق السوائل شفافة، لأن وسائل بصرية غير قابلة للتطبيق. الموجات فوق الصوتية يمكن أن تستخدم لقياس سرعة من السوائل مبهمة، وليس فقط في نقاط معزولة، ولكن على مئات أو آلاف من النقاط المحتشدة على طول خطوط، مع القرار الزماني جيد. عندما يطبق على القطب المعدن السائل، velocimetry الموجات فوق الصوتية ينطوي على تحديات إضافية: ارتفاع في درجة الحرارة، والنشاط الكيميائي، والتوصيل الكهربائي. نحن هنا وصف الجهاز والأساليب التي تغلب على هذه التحديات وتمكين قياس التدفق في القطب المعدن السائل، كما تجري الحالي، في درجة حرارة التشغيل التجريبي. وينظم درجة الحرارة داخل ± 2 ° C باستخدام وحدة تحكم النسبي، جزءا لا يتجزأ المشتقة (PID) أن القوى فرن مبنية خصيصا. النشاط الكيميائي هو رجلالذين تتراوح أعمارهم بين باختيار مواد سفينة بعناية وحبس الإعداد التجريبية في صندوق قفازات مليئة الأرجون. أخيرا، يمنع بعناية المسارات الكهربائية غير مقصودة. النظام الآلي بتسجيل إعدادات التحكم والقياسات التجريبية، وذلك باستخدام إشارات الزناد الأجهزة لمزامنة الأجهزة. هذا الجهاز وهذه الطرق يمكن أن تنتج القياسات التي من المستحيل مع غيرها من التقنيات، والسماح الأمثل والسيطرة على التقنيات الكهروكيميائية مثل البطاريات المعدنية السائلة.

تم تعديل الإجراء لقياس سرعة الصوت (وصفها بالتفصيل أعلاه) من الأساليب التي تستخدمها الإشارة تجهيز SA. من حيث المبدأ، يمكن بسهولة الحصول على سرعة الصوت عن طريق قياس الوقت الرحلة من صدى من الجدار في مجموعة معروفة. لكن قياس بدقة الموقع الفعلي للوجه محول من الصعب، وذلك بدلا...

Watch this Scientific Journal Video about Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode at JoVE.com

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

الموجات فوق الصوتية قياس السرعة في المعدن السائل الكهربائي

A growing number of electrochemical technologies depend on fluid flow, and often that fluid is opaque. Measuring the flow of an opaque fluid is inherently ...

ultrasound-velocity-measurement-in-a-liquid-metal-electrode

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Sound

SCIENTISTS IN ACTION

11.6K Views.  University of Rochester. Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.

Video: Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

Echo Particle Image Velocimetry

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 Consequently, a prerequisite for understanding, predicting, and controlling fluid flows is the capability to measure the velocity field with adequate spatial and temporal resolution.2 For velocity measurements in optically opaque fluids or through optically opaque geometries, echo particle image velocimetry (EPIV) is an attractive diagnostic technique to generate "instantaneous" two-dimensional fields of velocity.3,4,5,6 In this paper, the operating protocol for an EPIV system built by integrating a commercial medical ultrasound machine7 with a PC running commercial particle image velocimetry (PIV) software8 is described, and validation measurements in Hagen-Poiseuille (i.e., laminar pipe) flow are reported.
For the EPIV measurements, a phased array probe connected to the medical ultrasound machine is used to generate a two-dimensional ultrasound image by pulsing the piezoelectric probe elements at different times. Each probe element transmits an ultrasound pulse into the fluid, and tracer particles in the fluid (either naturally occurring or seeded) reflect ultrasound echoes back to the probe where they are recorded. The amplitude of the reflected ultrasound waves and their time delay relative to transmission are used to create what is known as B-mode (brightness mode) two-dimensional ultrasound images. Specifically, the time delay is used to determine the position of the scatterer in the fluid and the amplitude is used to assign intensity to the scatterer. The time required to obtain a single B-mode image, t, is determined by the time it take to pulse all the elements of the phased array probe. For acquiring multiple B-mode images, the frame rate of the system in frames per second (fps) = 1/&delta;t. (See 9 for a review of ultrasound imaging.)
For a typical EPIV experiment, the frame rate is between 20-60 fps, depending on flow conditions, and 100-1000 B-mode images of the spatial distribution of the tracer particles in the flow are acquired. Once acquired, the B-mode ultrasound images are transmitted via an ethernet connection to the PC running the PIV commercial software. Using the PIV software, tracer particle displacement fields, D(x,y)[pixels], (where x and y denote horizontal and vertical spatial position in the ultrasound image, respectively) are acquired by applying cross correlation algorithms to successive ultrasound B-mode images.10 The velocity fields, u(x,y)[m/s], are determined from the displacements fields, knowing the time step between image pairs, &Delta;T[s], and the image magnification, M[meter/pixel], i.e., u(x,y) = MD(x,y)/&Delta;T. The time step between images &Delta;T = 1/fps + D(x,y)/B, where B[pixels/s] is the time it takes for the ultrasound probe to sweep across the image width. In the present study, M = 77[&mu;m/pixel], fps = 49.5[1/s], and B = 25,047[pixels/s]. Once acquired, the velocity fields can be analyzed to compute flow quantities of interest.

An echo particle image velocimetry (EPIV) system capable of acquiring two-dimensional fields of velocity in optically opaque fluids or through optically opaque geometries is described, and validation measurements in pipe flow are reported.

صدى الجسيمات Velocimetry صورة

The transport of mass, momentum, and energy in fluid flows is ultimately determined by spatiotemporal distributions of the fluid velocity field.1 ...

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Surface-acoustic-wave-driven Acoustic-counterflow Microfluidics

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we present the fabrication protocol for a multilayered SAW acoustic counterflow device. The device is fabricated starting from a lithium niobate (LN) substrate onto which two interdigital transducers (IDTs) and appropriate markers are patterned. A polydimethylsiloxane (PDMS) channel cast on an SU8 master mold is finally bonded on the patterned substrate. Following the fabrication procedure, we show the techniques that allow the characterization and operation of the acoustic counterflow device in order to pump fluids through the PDMS channel grid. We finally present the procedure to visualize liquid flow in the channels. The protocol is used to show on-chip fluid pumping under different flow regimes such as laminar flow and more complicated dynamics characterized by vortices and particle accumulation domains.

In this video we first describe fabrication and operation procedures of a surface acoustic wave (SAW) acoustic counterflow device. We then demonstrate an experimental setup that allows for both qualitative flow visualization and quantitative analysis of complex flows within the SAW pumping device.

تصنيع وتشغيل والتصور التدفق في سطح الموجة الصوتية يحركها الموائع الدقيقة الصوتية معاكس

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we ...

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

سريع التصوير وتقنيات لدراسة تأثير انخفاض ديناميات السوائل غير النيوتونية

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

A Method to Manipulate Surface Tension of a Liquid Metal via Surface Oxidation and Reduction

Controlling interfacial tension is an effective method for manipulating the shape, position, and flow of fluids at sub-millimeter length scales, where interfacial tension is a dominant force. A variety of methods exist for controlling the interfacial tension of aqueous and organic liquids on this scale; however, these techniques have limited utility for liquid metals due to their large interfacial tension.
Liquid metals can form soft, stretchable, and shape-reconfigurable components in electronic and electromagnetic devices. Although it is possible to manipulate these fluids via mechanical methods (e.g., pumping), electrical methods are easier to miniaturize, control, and implement. However, most electrical techniques have their own constraints: electrowetting-on-dielectric requires large (kV) potentials for modest actuation, electrocapillarity can affect relatively small changes in the interfacial tension, and continuous electrowetting is limited to plugs of the liquid metal in capillaries.
Here, we present a method for actuating gallium and gallium-based liquid metal alloys via an electrochemical surface reaction. Controlling the electrochemical potential on the surface of the liquid metal in electrolyte rapidly and reversibly changes the interfacial tension by over two orders of magnitude ( &#820;500 mN/m to near zero). Furthermore, this method requires only a very modest potential (&#60; 1 V) applied relative to a counter electrode. The resulting change in tension is due primarily to the electrochemical deposition of a surface oxide layer, which acts as a surfactant; removal of the oxide increases the interfacial tension, and vice versa. This technique can be applied in a wide variety of electrolytes and is independent of the substrate on which it rests.

We present a method to control the interfacial energy of a liquid metal in an electrolyte via electrochemical deposition (or removal) of a surface oxide layer. This simple method can control the capillary behavior of gallium-based liquid metals by tuning the interfacial energy rapidly, significantly, and reversibly using modest voltages.

A طريقة لمعالجة التوتر السطحي من المعدن السائل عن طريق الأكسدة السطحية والحد من

Controlling interfacial tension is an effective method for manipulating the shape, position, and flow of fluids at sub-millimeter length scales, where ...

Chemistry

AC Electrokinetic Phenomena Generated by Microelectrode Structures

The field of AC electrokinetics is rapidly growing due to its ability to perform dynamic fluid and particle manipulation on the micro- and nano-scale, which is essential for Lab-on-a-Chip applications. AC electrokinetic phenomena use electric fields to generate forces that act on fluids or suspended particles (including those made of dielectric or biological material) and cause them to move in astonishing ways1, 2. Within a single channel, AC electrokinetics can accomplish many essential on-chip operations such as active micro-mixing, particle separation, particle positioning and micro-pattering. A single device may accomplish several of those operations by simply adjusting operating parameters such as frequency or amplitude of the applied voltage. Suitable electric fields can be readily created by micro-electrodes integrated into microchannels. It is clear from the tremendous growth in this field that AC electrokinetics will likely have a profound effect on healthcare diagnostics3-5, environmental monitoring6 and homeland security7.

In general, there are three AC Electrokinetic phenomena (AC electroosmosis, dielectrophoresis and AC electrothermal effect) each with unique dependencies on the operating parameters. A change in these operating parameters can cause one phenomena to become dominant over another, thus changing the particle or fluid behavior. 

It is difficult to predict the behavior of particles and fluids due to the complicated physics that underlie AC electrokinetics. It is the goal of this publication to explain the physics and elucidate particle and fluid behavior. Our analysis also covers how to fabricate the electrode structures that generate them, and how to interpret a wide number of experimental observations using several popular device designs. This video article will help scientists and engineers understand these phenomena and may encourage them to start using AC Electrokinetics in their research.

Manipulating fluids and suspended particles in the micro- and nano-scale is becoming more of a reality as enabling technologies, like AC electrokinetics, continue to develop. Here, we discuss the physics behind AC electrokinetics, how to fabricate these devices and how to interpret the experimental observations.

حركي كهربي AC الظواهر المتولدة عن هياكل Microelectrode

The field of AC electrokinetics is rapidly growing due to its ability to perform dynamic fluid and particle manipulation on the micro- and nano-scale, ...

Biology

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

بصريا على أساس توصيف الحركة الجسيمات الأولية في ركائز العادية: من الصفحي الظروف المضطربة

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed electric body force has to be induced by ionic motions in liquid. On the other hand, positive and negative charges attract each other, and electroneutrality is maintained everywhere in equilibrium conditions. Furthermore, an increase in an applied voltage has to be suppressed to avoid water electrolysis, which causes the solutions to become unstable. Usually, EHD flows can be induced in non-aqueous solutions by applying extremely high voltages, such as tens of kV, to inject electrical charges. In this study, two methods are introduced to generate EHD flows induced by electrical charge separations in aqueous solutions, where two liquid phases are separated by an ion-exchange membrane. Due to a difference in the ionic mobility in the membrane, ion concentration polarization is induced between both sides of the membrane. In this study, we demonstrate two methods. (i) The relaxation of ion concentration gradients occurs via a flow channel that penetrates an ion-exchange membrane, where the transport of the slower species in the membrane selectively becomes dominant in the flow channel. This is a driving force to generate an EHD flow in the liquid. (ii) A long waiting time for the diffusion of ions passing through the ion-exchange membrane enables the generation of an ion-dragged flow by externally applying an electric field. Ions concentrated in a flow channel of a 1 x 1 mm2 cross-section determine the direction of the liquid flow, corresponding to the electrophoretic transport pathways. In both methods, the electric voltage difference required for an EHD flow generation is drastically reduced to near 2 V by rectifying the ion transport pathways.

The rectification of ion transport pathways is an effective method to generate one-directional ion-dragged electrohydrodynamic flows. By setting an ion-exchange membrane in a flow channel, an electrically polarized condition is generated and causes a liquid flow to be driven when an electric field is externally applied.

توليد ومراقبة اليكتروهيدروديناميك التدفقات في حلول الكهرباء المائية

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed ...

Fabrication and Characterization of Thickness Mode Piezoelectric Devices for Atomization and Acoustofluidics

We present a technique to fabricate simple thickness mode piezoelectric devices using lithium niobate (LN). Such devices have been shown to atomize liquid more efficiently, in terms of &#64258;ow rate per power input, than those that rely on Rayleigh waves and other modes of vibration in LN or lead zirconate titanate (PZT). The complete device is composed of a transducer, a transducer holder, and a &#64258;uid supply system. The fundamentals of acoustic liquid atomization are not well known, so techniques to characterize the devices and to study the phenomena are also described. Laser Doppler vibrometry (LDV) provides vibration information essential in comparing acoustic transducers and, in this case, indicates whether a device will perform well in thickness vibration. It can also be used to &#64257;nd the resonance frequency of the device, though this information is obtained more quickly via impedance analysis. Continuous &#64258;uid atomization, as an example application, requires careful &#64258;uid flow control, and we present such a method with high-speed imaging and droplet size distribution measurements via laser scattering.

Fabrication of piezoelectric thickness mode transducers via direct current sputtering of plate electrodes on lithium niobate is described. Additionally, reliable operation is achieved with a transducer holder and &#64258;uid supply system and characterization is demonstrated via impedance analysis, laser doppler vibrometry, high-speed imaging, and droplet size distribution using laser scattering.

تصنيع وتوصيف من سماكة وضع الأجهزة الكهروضوئية للانحلال وAcoustofluidics

We present a technique to fabricate simple thickness mode piezoelectric devices using lithium niobate (LN). Such devices have been shown to atomize liquid ...

A Performance-testing Platform for a Conduction Micropump with an FR-4 Copper-clad Electrode Plate

Here, a conduction micropump with symmetric planar electrode pairs prepared on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) is fabricated. It is used to investigate the influence of chamber dimensions on the performance of a conduction micropump and to determine the reliability of the conduction pump when acetone is used as the working fluid. A testing platform is set up to evaluate conduction micropump performance under different conditions. When the chamber height is 0.2 mm, the pump pressure reaches its peak value.

This paper presents a protocol for the fabrication of a conduction micropump using symmetric planar electrodes on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) to test the influence of chamber dimensions on the performance of a conduction micropump.

أداء اختبار منهاج ميكروبومب توصيل مع صفيحة قطب يرتدون النحاس FR-4

Here, a conduction micropump with symmetric planar electrode pairs prepared on flame-retardant glass-reinforced epoxy (FR-4) copper-clad laminate (CCL) is ...

Bioengineering

Ultrasound-based Pulse Wave Velocity Evaluation in Mice

Arterial stiffness can be evaluated by calculating pulse wave velocity (PWV), i.e., the speed with which the pulse wave travels in a conduit vessel. This parameter is being increasingly investigated in small rodent models in which it is used for assessing alterations in vascular function related to particular genotypes/treatments or for characterizing cardiovascular disease progression. This protocol describes an image processing algorithm which leads to non-invasive arterial PWV measurement in mice using ultrasound (US) images only. The proposed technique has been used to assess abdominal aorta PWV in mice and evaluate its age-associated changes.
Abdominal aorta US scans are obtained from mice under gaseous anesthesia using a specific US device equipped with high-frequency US probes. B-mode and Pulse-Wave Doppler (PW-Doppler) images are analyzed in order to obtain diameter and mean velocity instantaneous values, respectively. For this purpose, edge detection and contour tracking techniques are employed. The single-beat mean diameter and velocity waveforms are time aligned and combined in order to achieve the diameter-velocity (lnD-V) loop. PWV values are obtained from the slope of the linear part of the loop, which corresponds to the early systolic phase.
With the present approach, anatomical and functional information about the mouse abdominal aorta can be non-invasively achieved. Requiring the processing of US images only, it may represent a useful tool for the non-invasive characterization of different arterial sites in the mouse in terms of elastic properties. The application of the present technique can be easily extended to other vascular districts, such as the carotid artery, thus providing the possibility to obtain a multi-site arterial stiffness assessment.

Arterial stiffness represents a key factor in cardiovascular disease and pulse wave velocity (PWV) can be considered as a surrogate index for arterial stiffness. This protocol describes an image processing algorithm for calculating PWV in mice based on ultrasound image processing that is applicable at different arterial sites.

الموجات فوق الصوتية على أساس نبض موجة سرعة التقييم في الفئران

Arterial stiffness can be evaluated by calculating pulse wave velocity (PWV), i.e., the speed with which the pulse wave travels in a conduit vessel. This ...