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. System Setup und Montage <ol><li> Reinigen Sie den Ultraschallwandler mit Isopropanol. </li><li> Laden Sie das Handschuhfach. <ol><li> Last erforderlichen Geräte und Materialien (einschließlich Ultraschallwandler, ePbBi, Rührstab und Thermoelemente) in den Handschuhkasten, folgen Sie den Anweisungen des Herstellers Handschuhfach, um das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit zu minimieren. </li><li> Halten porösen Materialien unter Vakuum im Handschuhfach Vorkammer 12 Stunden vor dem Betreten des Handschuhfachs. </li></ol></li><li> Tune der PID-Regler (nur beim ersten Mal). <ol><li> Zeigen die gleiche Menge an Fest ePbBi in das Batteriegefäß, das bei den Versuchen (840 g) verwendet wird. </li><li> Platzieren Sie den Ofen Isolierung um den Batteriebehälter, wenn sie nicht bereits vorhanden ist, und legen Sie den Deckel oben auf dem Batteriebehälter, zusammen mit der negativen Stromabnehmer und Thermoelemente. </li><li> Alle elektrischen Anschlüsse für Thermoelemente und Ofenleistung, wie in gezeigt <strong&gt; Ure 2B. </li><li> Initiieren Sie die automatische Abstimmung des PID-Reglers, unter Verwendung von 150 ° C als Sollwert. Hinweis: Die Angaben dieser Schritt wird abweichen, die in den PID-Regler Hersteller und Modell. Der Controller verwendet hier auto-Melodien durch Steuerung vier Vollwärmezyklen, von RT auf Betriebstemperatur, über einen Zeitraum von Stunden. <ol><li> Verwenden Sie die Pfeiltasten, um den Sollwert (standardmäßig nach der Abstimmung der Steuerung gezeigt) auf 150 ° C einzustellen. </li><li> Halten Sie die Loop-Taste für 3 Sekunden, um die versteckten Schleife einzutreten. Drücken Sie dann die Loop-Taste wiederholt, bis der Controller-Bildschirm zeigt &quot;Tune&quot;. Mit den Pfeiltasten, um es zu ändern JA. </li></ol></li><li> Fügen Sie ein Thermoelement und verwenden Sie die Arbeitsstation zu überwachen und zu protokollieren Temperatur. </li><li> Nachdem der Selbsteinstellung abgeschlossen ist, notieren Sie die Proportional-Integral-Derivative und Parameter, die der PID-Regler ist automatisch mit Hilfe der Controller-Schnittstelle ausgewählt, nach to den Anweisungen des Herstellers. </li></ol></li></ol> 2. Schallgeschwindigkeitsmessung <ol><li> Verwenden des Ofens genügend ePbBi für das Experiment zu schmelzen, von mindestens 400 g. Anmerkung: erforderliche Menge wird für verschiedene Komponenten variieren und ePbBi schmilzt bei 125 ° C. <ol><li> Wenn nötig, entfernen Sie überschüssige Oxid durch Abschöpfen es von der oberen Fläche des ePbBi mit einem Rührstab. </li><li> Legen Sie einen Ultraschallwandler in die Schallgeschwindigkeitsmessung Gerät und ziehen Sie die Pressverbindung um Lecks zu verhindern, legen Sie ein Thermoelement und verwenden Sie die Arbeitsstation zu überwachen und zu protokollieren Temperatur. </li></ol></li><li> Transfer von geschmolzenem Metall zu der Schallgeschwindigkeit-Messvorrichtung. <ol><li> Setzen Sie den Schallgeschwindigkeit Messeinrichtung auf dem Ofenboden und lassen Sie ihn dort für 2 Minuten, um die stufenweise Erhöhung der Temperatur und vermeiden Wärmeschock. </li><li> Bereiten Sie für einen sicheren Transfer durch Entfernen wärmeempfindlichen Geräten oder Materialien aus der Gegend. </li><li> In kleinen Uhrounts von geschmolzenem Metall zu einem Zeitpunkt, da Wärmeschock kann die Ultraschallwandler beschädigen. In ePbBi bis die Wandlerfläche und Mikrometerkopf sind beide vollständig untergetaucht. </li><li> Warten, bis die Temperatur stabil bleibt innerhalb von 1 ° C für mindestens 5 min vor Beginn der Messungen, da die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist. </li></ol></li><li> Measure Ultraschallechos an zwei Standorten. <ol><li> Stellen Sie die Mikrometerspitze auf einen beliebigen aber bekannten Ort. Nehmen Ultraschall-Echomessungen, nach den Anweisungen des Geräteherstellers zur Verfügung gestellt. </li><li> Unter Verwendung der Messuhr, bewegen Sie den Mikrometerspitze durch einen bekannten Abstand. Nehmen Ultraschall-Echomessungen. </li></ol></li><li> Entfernen Sie die Metallschmelze aus dem Schallgeschwindigkeitsmessung Gerät und speichern sie in einer hitzeverträglich Behälter. </li><li> Um festzustellen, Schallgeschwindigkeit, Grundstück Echoamplitude als Funktion der Echozeit für jede der beiden Messungen. Suchen Sie die Echos, indem eine Gauß-Kurveauf jedes Echo Peak, wie in Figur 4 ure. Berechnen der Schallgeschwindigkeit durch Dividieren Verschiebeweg durch die Differenz des Echospitzenzeiten. </li></ol> 3. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung <ol><li> Schmelzen genügend ePbBi für den Versuch (840 g), das Entfernen von überschüssigem Oxid, falls erforderlich. Hinweis: Die besten Ergebnisse erzielen, verwenden Sie die gleiche Menge an ePbBi, die zur Abstimmung der PID-Regler verwendet wurde. <ol><li> Legen Sie einen Ultraschallwandler in das Batteriegefäß und ziehen Sie die Pressverbindung um Lecks zu verhindern, sicherzustellen, dass die Ofenboden eben ist. </li></ol></li><li> Transfer von geschmolzenem Metall zu dem Batteriegehäuse. <ol><li> Zeigen Batteriebehälter auf Ofenboden und lassen Sie ihn dort für 5 Minuten, um schrittweise Erhöhung der Temperatur und Thermoschock zu vermeiden. Bereiten Sie für einen sicheren Transfer durch Entfernen wärmeempfindlichen Geräten oder Materialien aus der Gegend. </li><li> In geringen Mengen von geschmolzenem Metall zu einem Zeitpunkt, da Thermoschock können die ul beschädigentrasound Wandler. </li><li> Warten, bis die Temperatur 150 ° C erreicht bevor Messungen, da die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist. </li></ol></li><li> Abschluss der Montage der Vorrichtung. <ol><li> Platzieren Sie den Ofen Isolierung um den Batteriebehälter, wenn sie nicht bereits vorhanden ist. Den Deckel oben auf dem Batteriegefäß zusammen mit der negativen Stromkollektor und Thermoelemente. Achten Sie darauf, dass alle genau und wiederholbar positioniert; Wellenringe eignen sich gut für diese. </li><li> Stellen Sie alle elektrischen Verbindungen sowohl für Leistung und Signale, wie in Figur 2B gezeigt ure. Mit einem Ohmmeter überprüfen, dass keine unbeabsichtigten elektrischen Pfade vorhanden sind, das heißt, ob der elektrische Widerstand zwischen der negativen Stromkollektor und alle Signalleitungen mindestens 1 MOhm. </li></ol></li><li> Beginnen Sie die Messungen. <ol><li> Beginnen Sie die Protokollierung und Überwachung von Temperatur, Heizleistung, Batteriespannung und BatterieStrom. Anmerkung: Hier wurde eine Arbeitsstation mit benutzerdefinierte LabVIEW-Code verwendet werden, um alle Messwerte zu protokollieren, mit entsprechenden Zeitstempeln. </li><li> Passen Sie die Ultraschall-Geräteeinstellungen nach Bedarf. <ol><li> Achten Sie darauf, die Schallgeschwindigkeit festgelegt, mit der entsprechenden Temperatur, nach einem anerkannten Modell 19. Für ePbBi bei 150 ° C, wie nachstehend verwendet, die Geschwindigkeit auf 1760 m / sec. </li><li> Stellen Sie die Pulsfolgefrequenz, so dass Echo Tiefen eng beabstandet sind (in der Regel 0,25 mm). </li><li> Stellen Sie die Gatterzahl, so dass der starke Echo von der gegenüberliegenden Wand des Gefäßes in den letzten Toren erscheint; es bietet eine nützliche Plausibilitätsprüfung zur Fehlerbehebung Signalstärke Fragen. </li><li> Gebrauchsanleitung des Herstellers, setzen Sie das Gerät zur Hardware Auslösung. </li></ol></li><li> Begin Protokollierung und Überwachung Geschwindigkeit mit dem Ultraschallgerät durch die Einleitung Auslösung von der Arbeitsstation. Nehmen Sie vier Geschwindigkeitsprofile pro Sekunde für 30Minute </li></ol></li><li> Stellen Sie den Batteriestrom bis 5 A, warten Sie 5 Minuten für die Strömung zu stabilisieren, und nehmen Sie dann vier Geschwindigkeitsprofile pro Sekunde für 30 min. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 3.5 für 10 A, 15 A, 20 A, 25 A und 30 A. Anmerkung: Viele andere Versuchspläne sind ebenfalls möglich, einschließlich Temperaturänderungen und glatte Stromänderungen. Eine Atmosphäre niedrig in Sauerstoff und Feuchtigkeit ermöglicht Experimente mit guter Signalqualität für Stunden oder mehr. </li><li> Nachdem die Versuche abgeschlossen sind, beenden Sie die Protokollierung von Daten und schalten Sie den Ofen. Trennen Sie elektrische Verbindungen und ziehen Sie den Ofendeckel. Entfernen des geschmolzenen Metalls aus dem Batteriebehälter, wobei die gleichen Verfahren für die sichere Übertragung, die verwendet wurden bei der Befüllung des Behälters. Bewahren Sie die geschmolzene ePbBi in einem hitzeverträglich Behälter. Fügen Sie Zusatz Argon auf dem Handschuhfach; sein Druck sinkt, wie die Atmosphäre kühlt. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Ultraschalltechniken können Geschwindigkeitsmessungen in Hunderten oder Tausenden von Orten in einem transparenten oder opaken Fluids, viele Male pro Sekunde zu erzeugen. In eine flüssige Metallelektrode angelegt wird, Ultraschalltechniken begegnet Anforderungen aufgrund hoher Temperatur, chemische Aktivität und elektrischen Leitfähigkeit. Die Methoden zur Überwindung dieser Herausforderungen und Durchflussmessung in flüssigen aktiven Metallelektroden wurden beschrieben. Zuerst wird ein Elektrodenmaterial unterlie...

Flüssigmetall-Batterien sind eine vielversprechende Technologie für die Bereitstellung von großen Energiespeicher am weltweiten Stromnetze 1. Diese Batterien bieten hohe Energiedichte, hohe Leistungsdichte, lange Lebensdauer und niedrige Kosten, wodurch sie ideal für netz Skala Energiespeicher 3. Einführung in Flüssigmetall-Batterien auf den Energienetz würde Spitzenausgleich zu ermöglichen, verbessern die Netzstabilität und ermöglichen viel mehr weit verbreitete Verwendung von intermittierenden erneuerbaren Quellen wie Sonne, Wind und Gezeitenkraft. Flüssigmetall-Batterien bestehen aus zwei flüssigen Metallelektroden durch einen geschmolzenen Salzelektrolyten getrennt sind, wie detaillierter in früheren Arbeiten 1 beschrieben. Obwohl viele verschiedene Kombinationen von Metallen und Elektrolyt kann in einer Arbeitsflüssigkeit, Metall Batterie führen, wobei die Prinzipien des Betriebs bleiben die gleichen. Die Metalle so gewählt sind, dass sie energetisch günstig für sie eine Legierung zu bilden; so Legierungs entlädt den Akku, und de-Legierungskosten es. Die salt Schicht wird so gewählt, dass es ermöglicht Metallionen zwischen den beiden Elektroden passieren, blockiert aber den Transport von neutralen Spezies, wodurch elektrochemische Steuerung der System Man erhält. Diese Arbeit wird Flüssigmetall-Batterie-Technologie von Quantifizierung und Steuerung von Massentransporteffekte voranzutreiben. Die hier beschriebenen Methoden sind für Flüssigmetall-Batterien durch Sadoway et al entwickelten elektrochemischen Methoden 1-4 sowie frühere Flüssigmetall-Batterie Arbeit am Argonne National Laboratory 5,6, und die Arbeit des breiteren elektro Gemeinschaft (Bard und Faulkner informiert. 7 bieten viele relevante Zeugnisse). Die hier beschriebenen Methoden auch nach vorheriger Fluiddynamik Studien bauen. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung entwickelt und zunächst in Wasser 8,9 verwendet und hat sich seitdem zu flüssigen Metallen wie Gallium 10,11, 12,13 Natrium, Quecksilber 14 aufgebracht worden ist, Blei-Wismut-15 Kupfer-Zinn-15 &lt;/ Sup&gt;, und Blei-Lithium-16, unter anderem. Eckert et al. Eine nützliche Überprüfung der Geschwindigkeitsmessung in flüssigen Metallen 17. Neuere Arbeiten mit Methoden ähnlich den hier beschriebenen 18 hat gezeigt, dass Batterieströme können Stofftransport in flüssiger Metallelektroden zu verbessern. Weil Massentransport in der positiven Elektrode ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in Laden und Entladen von flüssigem Metall-Batterien, Misch ermöglicht somit schnellere Ladung und Entladung als es sonst möglich wäre. Außerdem Mischen verhindert lokale Inhomogenitäten in der Elektrode, die Feststoffe, die die Zykluslebensdauer einer Batterie zu begrenzen bilden können. In den laufenden Arbeiten wir weiterhin die Rolle der Flüssigkeitsstrom in der positiven Elektrode der Flüssigmetall-Batterie, die wegen der thermischen und elektromagnetischen Kräften entsteht studieren. Thermischen Gradienten fahren konvektive Strömung durch Auftrieb und Batterieströme treiben Fluss durch die Interaktion mit den Magnetfeldern von der Teig induzierty Ströme selbst. In Experimenten unter Verwendung der unten beschriebenen Verfahren, haben wir Strömungen mit Reynolds-Zahl 50 &lt;Re &lt;200, von der Elektrodentiefe und root-mean-square Geschwindigkeit berechnet beobachtet. Eine gründliche experimentelle Charakterisierung wird eingeleitet und die resultierende Datenmenge verwenden, um vorausschauende Akku-Modelle zu bauen. Der Schwerpunkt dieses Handschrift ist auf dem Versuchsaufbau und Verfahren erforderlich, um solche Daten zu erzeugen. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung liefert den Großteil der Messungen und Versuchsbedingungen sorgfältig, um Ultraschall in flüssigen Metalls erfolgreich nutzen gesteuert werden. Hohe Temperatur, chemische Aktivität, und die elektrische Leitfähigkeit sind alle sorgfältig verwaltet werden. Erstens, Flüssigmetall-Batterien unbedingt bei hoher Temperatur zu betreiben, weil beide Metalle und dem Salz, das trennt sie muss geschmolzen werden. Eine vielversprechende Wahl der Materialien, der Lithium als negative Elektrode verwendet, Blei-Antimon als positive Elektrode und einer eutektischen Mischung von Lithiumsalzen als Elektrolyt erfordert Temperaturen von etwa 550 ° C. Messen des Durchflusses einer opaken Flüssigkeit bei solch hohen Temperaturen ist ziemlich schwierig. Hochtemperatur-Ultraschallwandler, der die empfindlichen elektro-akustische Komponenten aus der Testflüssigkeit mit einem akustischen Wellenleiter zu trennen, wurde gezeigt, 15 und kommerzialisiert. Jedoch, weil die Wandler haben Einfügungsverlust in der Nähe von 40 dB, und wegen der Schwierigkeit der allgemeinen arbeitet bei solchen Temperaturen ein Surrogatsystem wurde für anfängliche Untersuchungen ausgewählt worden: ein flüssiges Metall Batterie kann auch unter Verwendung von Natrium als die negative Elektrode hergestellt werden eutektischen 44% Blei 56% Bismut (nachfolgend ePbBi) als positive Elektrode, und eine dreifache eutektische Mischung aus Natriumsalze (10% Natriumiodid, 38% Natriumhydroxid, 52% Natriumamid) als Elektrolyt. Eine solche Batterie ist vollkommen geschmolzenen über 127 ° C, so dass es viel zugänglicher Laborstudie. Da sie aus drei Flüssigkristall zusammenSchichten, die durch Dichte getrennt sind, ist es Gegenstand der gleichen physikalischen andere Flüssigmetall-Batterien. Und es ist mit leicht verfügbaren Ultraschallwandler, die bis 230 ° C ausgelegt sind kompatibel, beinhalten keine Wellenleiterverluste und kosten viel weniger als Hochtemperatur-Wandler. Diese Versuche finden typischerweise bei 150 ° C. Bei dieser Temperatur hat ePbBi Viskosität ν = 2,79 x 10 -7 m 2 / s, Temperaturleitfähigkeit κ = 6,15 x 10 -6 m 2 / sec, und magnetische Diffusivität η = 0,8591 m 2 / sec, so daß seine Prandtl-Zahl ist Pr = ν / κ = 4,53 x 10 -2 und ihre magnetischen Prandtl-Zahl ist Pm = ν / η = 3,24 x 10 -7. Obwohl dieser Niedertemperatur-Flüssigmetall-Batteriechemie macht Fluss Studien viel einfacher, als sie es in Batterien heißer zu sein, müssen Temperatur dennoch sorgfältig verwaltet werden. Als empfindliche elektro-akustischen Geräten, sind Ultraschallwandler susceptible durch thermischen Schock beschädigt und muß daher allmählich erhitzt werden. Hochwertige Ultraschall-Messungen erfordern auch eine sorgfältige Temperaturregelung. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung funktioniert wie Sonar, wie in Abbildung 1 gezeigt: der Wandler einen Piepton (hier ist die Frequenz 8 MHz), dann wartet auf Echos. Durch Messen der Flugzeit des Echos kann die Entfernung zu dem Echo Körpers berechnet werden, und durch Messen der Dopplerverschiebung der Echo kann eine Komponente der Körpergeschwindigkeit berechnet werden. In Wasser muß Tracerpartikel zugesetzt werden, um Echos zu erzeugen, aber keine Tracer-Partikel in flüssigen Metallen erforderlich, ein Umstand, der nicht im Detail verstanden wird, aber sie wird typischerweise auf das Vorhandensein von kleinen Metalloxidteilchen zurückzuführen. Jede Messung ist ein Mittelwert über alle Tracer-Partikel in einer Abfragevolumen; In dieser Arbeit ist der Mindestdurchmesser 2 mm, in einem Abstand von 30 mm von der Sonde. Obwohl Oxidation kann schließlich begrenzen die Dauer der Experimente, mit thnachfolgend beschriebenen Verfahren e haben wir Messungen kontinuierlich solange 8 Stunden vorgenommen. Berechnung entweder Abstand oder Geschwindigkeit erfordert die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in der Testflüssigkeit und dass Geschwindigkeit variiert mit der Temperatur. Die hier beschriebene Arbeit konzentriert sich auf die Strömung in dem ePbBi negativen Elektrode, wo die Schallgeschwindigkeit ist 1766 m / sec bei 150 ° C, 1.765 m / s bei 160 ° C und 1.767 m / sec bei 140 ° C 19. So unzureichenden Temperaturregelung würde systematische Fehler in den Ultraschallmessungen einzuführen. Eine Vorrichtung wurde konstruiert, um die Schallgeschwindigkeit in ePbBi messen, der Suche nach Werten entsprachen denen veröffentlichte, vom Nuclear Energy Agency 19 akzeptiert (siehe unten). Da schließlich die thermische Konvektion ist ein wesentlicher Faktor der Strömung im flüssigen Metall-Batterien, sowohl die Durchschnittstemperatur und die Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und unteren Rand des ePbBi Elektrode unmittelbar auf Beobachtungen. Für gleichbleibende Ergebnisse, präzise WärmeKontrolle ist unerlässlich. Dementsprechend wird die Temperatur kontinuierlich mit mindestens drei K-Typ-Thermoelementen gemessen, die Anmeldung ihre Messungen elektronisch mit einem Computer-basierten Erfassungsgerät und einem speziell geschriebenen LabView-Programm. Das Programm steuert auch die Stromversorgung, Batteriestrom liefert, über einen USB-Anschluss; meldet die Batterie Strom und Spannung; und sendet Triggerimpulse an das Ultraschallinstrument, so daß seine Daten können mit den anderen Messungen synchronisiert werden. Ein Systemdiagramm in Abbildung 2 dargestellt. Die Wärme wird durch einen speziell angefertigten Ofen, der zwei 500-W industrielle Heizelemente angetrieben von einem Relais, das durch einen Proportional-Integral-Differential schaltet enthält (PID) (auch in Figur 2 gezeigt) vorgesehen, Controller. Die Grundplatte, die Batteriezellen unterstützt wird aus massivem Aluminium; weil seine Wärmeleitfähigkeit ist um eine Größenordnung höher als die Wärmeleitfähigkeit des rostfreien StAal Batteriezellengefäß und der es 19 enthält ePbBi, ist die Temperatur der Ofenboden etwa gleichmäßig. Außerdem verdoppelt sich die Aluminiumbasis als Weg für den elektrischen Ströme, die durch die Elektrode. Seine elektrische Leitfähigkeit ist auch eine Größenordnung höher als die von rostfreiem Stahl oder ePbBi, so dass die Spannung der Ofenboden ist auch annähernd gleichmäßig. Isolations Beine trennen die Basis von der Tisch unten und verhindert Verbrennungen und Shorts. Die Seiten des Batteriegefäßes mit Silica Keramikisolierung, geschnitten, um den Behälter dicht zu passen, sondern lassen Raum für den Zugriff auf Ultraschall-Anschluss der Zelle isoliert. Schließlich isoliert eine Polytetrafluorethylen (PTFE) Deckel der Zelle von oben und hält den negativen Stromkollektor und Thermoelemente vorhanden. Obwohl im Handel erhältlichen Kochplatten können die für diese Experimente erforderlichen Temperaturen zu erreichen, unsere maßgeschneiderten Ofen hält die Temperatur mit einer Größenordnung geringer Variation, einnd erlaubt uns auch, Wärmeleistung direkt zu messen. Zusätzlich zu Herausforderungen Temperatur verbunden sind, gibt es Herausforderungen mit chemischen Aktivität. Bei 150 ° C, ist ein ePbBi positive Elektrode mit vielen gängigen Materialien chemisch kompatibel. Eine Natrium negative Elektrode jedoch korrodiert viele Materialien, oxidiert leicht und reagiert heftig mit Feuchtigkeit. Eine negative Lithiumelektrode ist auch aggressive, insbesondere weil Lithium basierende Flüssigmetall-Batterien typischerweise bei viel höheren Temperaturen. Obwohl diese Hochtemperatursysteme sind außerhalb des Umfangs dieser Arbeit viele der gleichen Maßnahmen zur Steuerung von chemischen Aktivität als bei jenen Systemen verwendet. Alle hier beschriebenen Experimente finden in einer mit Argon gefüllten Handschuhfach, die nur Spuren von Sauerstoff oder Feuchtigkeit. Der Batteriebehälter ist aus Legierung 304 rostfreiem Stahl, die minimal noch mit Lithium bei 550 ° C zersetzt werden. Die Thermoelemente und negativen StromSammler sind ebenfalls aus rostfreiem Stahl. Die Behältergeometrie so gewählt, daß Schiffe, die elektrochemische Prüfung von Flüssigmetall-Batterien übereinstimmt, um so nah wie möglich zu modellieren die Systeme, die kommerzialisiert werden. Das Gefäß, in Figur 2 dargestellt, ist zylindrisch mit einem 88,9 mm Innendurchmesser und einem 67 mm Tiefe. Alle Gefäßwände sind 6,4 mm dick. Der Behälter unterscheidet sich von denen früherer Versuche verwendet jedoch, daß es einen Ultraschall-Port hat. Der Port führt durch die Seitenwand entlang einer horizontalen Durchmesser des Zylinders, und das Zentrum der Öffnung beträgt 6,6 mm über dem Behälterboden. Der Hafen ist mit 8 mm Durchmesser, um ein 8 mm-Ultraschallwandler aufzunehmen und eine Dichtung um den Wandler mit einem Gesenk. In diesen Experimenten ist die flüssige Metallelektrode gerade tief genug, um den Ultraschallwandler, in der Regel 13 mm abzudecken. Um starke Ultraschallsignale zu erreichen, gute akustische Übertragung erfordert einezwischen dem Ultraschallwandler und den Fluid es Sonden (ePbBi). Maximale akustische Leistung übertragen wird, wenn die akustische Impedanz des Wandlermaterials und der Testflüssigkeit identisch sind; wenn die Impedanzen abweichen, Signale zu leiden. Anordnen eines Ultraschallwandlers in direktem Kontakt mit sauberen ePbBi (wie durch den oben beschriebenen Port ermöglicht) bietet ausreichend Signal oft stundenlang zu einem Zeitpunkt. Metalloxide haben jedoch sehr unterschiedliche Impedanz und können auch mit Netz stören, indem die Oberflächenspannung. Wenn die ePbBi wesentlich oxidiert wird, Ultraschallsignale verschlechtern und bald verschwinden. Auch hier ist eine inerte Atmosphäre erforderlich. Wenn Spurenmengen von Sauerstoff führen einige Oxidations dennoch wird die Oberfläche des Metalloxids vor dem Übertragen ePbBi in das Batteriegefäß abgeschöpft. Schließlich werden diese Experimente stellen Herausforderungen wegen der Anwesenheit von elektrischen Strömen. Obwohl die Ströme sind unsere zentralen wissenschaftlichen und technologischen interest, sie sind groß genug (30 A), Schaden zu verursachen, wenn sie falsch geleitet. Nicht geerdete Thermoelemente sorgen dafür, dass schädliche elektrische Ströme nicht durch das Datenerfassungsgerät oder den Computer übergeben, die es unterstützt, weil nicht geerdete Thermoelemente keine interne elektrische Verbindung von der Schutzhülle zu beiden Signaldraht haben. Ebenso ist es wichtig, nicht geerdeten Ultraschallwandler (Signalverarbeitungs SA, TR0805LTH) verwenden, um Streustrom an der Beschädigung der wertvollen Ultraschallgerät (Signalverarbeitungs SA, DOP 3010) zu verhindern. Wie zuvor erwähnt, ist der Boden des Ofens dient dazu, elektrischen Strom zu leiten, und ist auch von seiner Umgebung elektrisch isoliert sein. Im ePbBi Elektrode, Strom bewirkt ohmsche Heizung, die Temperatur möglicherweise stören. Somit muß die automatisierte Wärmesteuersystem in der Lage, auf Änderungen in der Wärmeeingang einzustellen. 3 zeigt, wie die Temperatur des ePbBi Elektrode variiert curMiete durchströmt, und wie der PID-Regler stellt kompensieren. Die Aufrechterhaltung konstanten Temperatur mit großer Ströme (50 A = 800 mA / cm) würden zusätzliche Kühlung erfordern, aber bei niedrigeren Strömen realistischer für Flüssigmetall-Batterien für industrielle Anwendungen (typischerweise 17 A = 275 mA / cm 1) ist der Regler in der Lage für ohmsche Erwärmung zu kompensieren und halten Temperaturänderung um 2 ° C.

<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

Eine zunehmende Anzahl von elektrochemischen Techniken hängen von Fluidströmung, und oft, daß das Fluid undurchlässig ist. Messen des Durchflusses einer opaken Flüssigkeit ist inhärent schwieriger als Messen der Strömung einer transparenten Flüssigkeit, da optische Verfahren nicht anwendbar. Ultraschall kann verwendet werden, um die Geschwindigkeit einer opaken Flüssigkeit nicht nur an einzelnen Punkten zu messen, sondern in Hunderten oder Tausenden von Punkten entlang der Linien angeordnet sind, mit einer guten Zeitauflösung. Wenn sie auf eine Flüssigmetall-Elektrode angelegt wird, umfaßt Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung zusätzliche Herausforderungen: hohe Temperatur, chemische Aktivität und elektrischen Leitfähigkeit. Hier beschreiben wir die experimentelle Vorrichtung und Verfahren, die diese Herausforderungen zu bewältigen und ermöglichen die Messung der Strömung in einem flüssigen Metallelektrode, da es Strom leitet, bei Betriebstemperatur. Die Temperatur wird innerhalb von ± 2 ° C unter Verwendung einer Proportional-Integral-Differential (PID) Steuerung, die Befugnisse einer speziell angefertigten Ofen geregelt. Chemische Aktivität ist der Menschindem Sie Schiff Materialien sorgfältig und umschließt den Versuchsaufbau in einem mit Argon gefüllten Handschuhfach im Alter. Schließlich werden unbeabsichtigte elektrische Pfade sorgfältig vermieden. Ein automatisiertes System protokolliert Steuerungseinstellungen und experimentellen Messungen, mit Hardware-Trigger-Signale von Geräten zu synchronisieren. Diese Vorrichtung und diese Verfahren können die Messungen, die mit anderen Techniken unmöglich herzustellen, und erlauben die Optimierung und Steuerung des elektrochemischen Technologien wie Flüssigmetall-Batterien.

Das Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit (oben im Detail beschrieben) wurde von von Signalverarbeitungs SA Methoden angepasst. Im Prinzip kann die Schallgeschwindigkeit leicht durch Messen der Flugzeit eines Echos von einer Wand an bekannten Bereich erhalten werden. Aber gerade die Messung der effektiven Position des Wandlerfläche ist schwierig, so kann man anstelle der Flugzeit zweimal zu messen, mit einem Mikrometer, um die Wand durch einen bekannten Abstand zwischen den Messungen zu verdrängen. Dass Vers...

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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.

Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung in einem Liquid Metal Electrode

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 ...

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11.6K Aufrufe.  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.

Serie: 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.

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

Forschung

Ingenieurwesen

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.

Fabrication, Operation and Flow Visualization in Oberflächenschallwellen-wave-driven Acoustic-Gegenstrom Mikrofluidik

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.

Schnelle Bildtechnik Tropfen Schlag Dynamik der Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten Studieren

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.

Eine Methode, die Oberflächenspannung eines Liquid Metal manipulieren via Oberfläche Oxidation und Reduktion

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

Chemie

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.

AC elektrokinetischen Phänomenen von Mikroelektroden-Strukturen erzeugt

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, ...

Biologie

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.

Visuell basierte Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung in regelmäßigen Substraten: vom laminaren zum turbulenten Bedingungen

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.

Erzeugung und Kontrolle der Electrohydrodynamic fließt in wässrigen Elektrolytlösungen

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.

Herstellung und Charakterisierung von Piezoelektrischen Geräten für Zerstäubung und Akustofluidik

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.

Leistungstests Plattform für eine Wärmeleitung Mikropumpe mit einem FR-4 kupferummantelte Elektrodenplatte

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

Biotechnik

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.

Ultraschall-basierte Pulswellengeschwindigkeit Auswertung bei Mäusen

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 ...