Name: ultrasound velocity measurement in a liquid metal electrode
Uploaded: 2015-08-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 41 s
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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. Configuración del sistema y de la Asamblea <ol><li> Limpiar el transductor de ultrasonidos con isopropanol. </li><li> Cargue la guantera. <ol><li> Cargar el equipo necesario y los materiales (incluyendo transductor de ultrasonido, ePbBi, varilla agitadora y termopares) en la guantera, siguiendo las instrucciones del fabricante guantera para minimizar la entrada de oxígeno y la humedad. </li><li> Mantenga los materiales porosos en vacío en la antecámara guantera durante 12 horas antes de entrar en la guantera. </li></ol></li><li> Sintonice el controlador PID (sólo la primera vez). <ol><li> Coloque la misma cantidad de sólido ePbBi en el recipiente de la batería que se utiliza en los experimentos (840 g). </li><li> Coloque el aislamiento de horno alrededor del vaso de la batería si no está ya allí, y coloque la tapa encima del recipiente de la batería, junto con el colector de corriente negativa y termopares. </li><li> Haga todas las conexiones eléctricas para los termopares y potencia del horno, como se muestra en la figura <strong&gt; Ure 2B. </li><li> Iniciar la sintonización automática del regulador PID, con 150 ° C, según el punto de ajuste. Nota: los detalles de esta etapa serán diferentes, dependiendo del fabricante del controlador PID y modelo. El controlador utilizado aquí auto-melodías mediante el control de cuatro ciclos térmicos completos, a partir de RT a la temperatura de funcionamiento, durante un transcurso de horas. <ol><li> Utilice las teclas de flecha para ajustar el punto de ajuste (que se muestra de forma predeterminada después de sintonizar el controlador) a 150 ° C. </li><li> Mantenga pulsado el botón de bucle durante 3 segundos para entrar en el bucle oculto. A continuación, pulse el botón de bucle varias veces hasta que la pantalla del controlador muestra &quot;Tune&quot;. Utilice las teclas de flecha para cambiarlo a SÍ. </li></ol></li><li> Inserte un termopar y utilizar la estación de trabajo para vigilar y registrar la temperatura. </li><li> Una vez auto-tune es completa, registrar los parámetros proporcional, integral y derivativo que el controlador PID ha seleccionado automáticamente por medio de la interfaz del controlador, según to las instrucciones del fabricante. </li></ol></li></ol> Medida 2. Velocidad de sonido <ol><li> Utilice el horno para fundir suficientemente ePbBi para el experimento, por lo menos 400 g. Nota: se requiere cantidad variará para diferentes equipos, y ePbBi funde a 125 ° C. <ol><li> Si es necesario, eliminar el exceso de óxido con una lectura rápida desde la superficie superior de la ePbBi utilizando una varilla agitadora. </li><li> Inserte un transductor de ultrasonido en el dispositivo de medición de la velocidad del sonido y apriete la conexión de estampación para evitar fugas, a continuación, inserte un termopar y utilizar la estación de trabajo para vigilar y registrar la temperatura. </li></ol></li><li> Transferencia de metal fundido para el dispositivo de medición de la velocidad del sonido. <ol><li> Coloque el dispositivo de medición de la velocidad del sonido en la base del horno y dejarlo allí durante 2 min para aumentar gradualmente la temperatura y evitar el choque térmico. </li><li> Prepárese para una transferencia segura mediante la eliminación de los equipos o materiales sensibles al calor de la zona. </li><li> Añadir pequeña amounts de metal fundido a la vez, debido a un choque térmico puede dañar el transductor de ultrasonido. Añadir ePbBi hasta que la cara del transductor y la cabeza del micrómetro son a la vez completamente sumergidos. </li><li> Esperar hasta que la temperatura se mantiene estable dentro de 1 ° C durante al menos 5 min antes de las mediciones iniciales, ya que la velocidad del sonido depende de la temperatura. </li></ol></li><li> Medida ecografía se hace eco en dos ubicaciones. <ol><li> Establezca la punta del micrómetro a una ubicación arbitraria pero conocido. Mediciones de eco de ultrasonido Record, siguiendo las instrucciones proporcionadas por el fabricante del instrumento. </li><li> Utilizando el micrómetro, mueva la punta del micrómetro por una distancia conocida. Ultrasonido Registro mediciones de eco. </li></ol></li><li> Retire el metal fundido desde el dispositivo de medición de la velocidad del sonido y guardarlo en un recipiente resistente al calor. </li><li> Para determinar la velocidad del sonido, la trama amplitud del eco como una función del tiempo de eco para cada una de las dos mediciones. Localice los ecos ajustando una curva de Gaussa cada eco de pico, como en la figura 4 ure. Calcula la velocidad del sonido dividiendo la distancia de desplazamiento por la diferencia en las horas punta de eco. </li></ol> 3. Ultrasonido de medición de velocidad <ol><li> Derretir suficiente ePbBi para el experimento (840 g), eliminando el exceso de óxido de si es necesario. Nota: Para obtener los mejores resultados, use la misma cantidad de ePbBi que se utilizó para sintonizar el controlador PID. <ol><li> Inserte un transductor de ultrasonido en el vaso de la batería y apriete la conexión de estampación para evitar fugas, asegurándose de que la base del horno esté nivelado. </li></ol></li><li> Transferencia de metal fundido en el recipiente de la batería. <ol><li> Coloque recipiente de la batería en la base del horno y dejarlo allí durante 5 min para aumentar gradualmente la temperatura y evitar el choque térmico. Prepárese para una transferencia segura mediante la eliminación de los equipos o materiales sensibles al calor de la zona. </li><li> Añadir pequeñas cantidades de metal fundido a la vez, debido a choque térmico puede dañar el ultransductor trasound. </li><li> Espere hasta que la temperatura alcanza los 150 ° C antes de que comiencen las mediciones, ya que la velocidad del sonido depende de la temperatura. </li></ol></li><li> Termine de montar el aparato. <ol><li> Coloque el aislamiento de horno alrededor del vaso de la batería si no está ya allí. Coloque la tapa encima de la vasija de la batería, junto con el colector de corriente negativo y termopares. Asegúrese de que todos están posicionados de forma precisa y repetible; collares de eje funcionan bien para esto. </li><li> Hacer todas las conexiones eléctricas para la energía y señales, como se muestra en la figura 2B ure. Utilice un ohmímetro para comprobar que no hay caminos eléctricos no deseados están presentes, es decir, comprobar que la resistencia eléctrica entre el colector de corriente negativa y todas las señales conduce es al menos 1 MW. </li></ol></li><li> Comience a hacer mediciones. <ol><li> Comience la tala y la temperatura de la supervisión, la potencia del calentador, voltaje de la batería y la bateríaactual. Nota: En este caso, se utilizó un código de LabVIEW encargo estación de trabajo corriendo para registrar todas las mediciones, con sus correspondientes marcas de tiempo. </li><li> Ajuste la configuración del instrumento de ultrasonido como necesario. <ol><li> Asegúrese de ajustar la velocidad del sonido, utilizando la temperatura adecuada, de acuerdo con un modelo aceptado 19. Para ePbBi a 150 ° C, como se usa a continuación, establecer la velocidad de 1760 m / seg. </li><li> Ajuste la frecuencia de repetición de pulso tal que profundidades de eco están estrechamente espaciados (típicamente 0,25 mm). </li><li> Ajuste el número de puertas de manera que el eco fuerte de la pared del fondo de la embarcación aparece en los últimos puertas; que proporciona una comprobación de validez útil para cuestiones de intensidad de señal de solución de problemas. </li><li> Siguiendo las instrucciones proporcionadas por el fabricante, establezca el instrumento para el hardware de disparo. </li></ol></li><li> Comience la velocidad de registro y monitoreo con el instrumento de ultrasonido mediante el inicio de la activación de la estación de trabajo. Grabar cuatro perfiles de velocidad por segundo para 30min. </li></ol></li><li> Ajuste la corriente de la batería a 5 A, espere 5 minutos para que el flujo se estabilice, y después grabar cuatro perfiles de velocidad por segundo durante 30 minutos. </li><li> Repita el paso 3.5 para 10 A, 15 A, 20 A, 25 A y 30 A. Nota: Muchos otros planes experimentales también son posibles, incluyendo las variaciones de temperatura y los cambios suaves en curso. Una atmósfera baja en oxígeno y la humedad permite experimentos con buena calidad de señal para horas o más. </li><li> Una vez que los experimentos están completos, detener el registro de datos y apague el horno. Desconecte las conexiones eléctricas y retire la tapa del horno. Retire el metal fundido desde el recipiente de la batería, usando los mismos procedimientos para la transferencia segura que se utilizaron cuando se llena el recipiente. Guarde el ePbBi fundido en un recipiente resistente al calor. Añadir argón extra para la guantera; su presión caerá como su atmósfera se enfría. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Técnicas de ultrasonido pueden producir mediciones de velocidad en cientos o miles de ubicaciones en un fluido transparente u opaco, muchas veces por segundo. Aplicado a un electrodo de metal líquido, técnicas de ultrasonido se encuentran con desafíos de alta temperatura, la actividad química y conductividad eléctrica. Se han descrito los métodos para superar esos desafíos y medición de flujo en electrodos metálicos líquidos activos. En primer lugar, un material de electrodo sujeto a la misma física como de ...

Baterías de metal líquido son una tecnología prometedora para proporcionar almacenamiento de energía a gran escala en las redes eléctricas de todo el mundo 1. Estas baterías ofrecen una alta densidad de energía, alta densidad de potencia, largo ciclo de vida, y de bajo costo, lo que es ideal para el almacenamiento de energía a escala de malla 3. Presentación de las baterías de metal líquido a la red de energía permitiría pico de afeitar, mejorar la estabilidad de la red y permitir el uso más generalizado de las fuentes renovables intermitentes como la solar, eólica y mareomotriz. Baterías de metal líquido se componen de dos electrodos metálicos líquidos separados por un electrolito de sal fundida, tal como se describe en mayor detalle en el trabajo previo 1. Aunque muchas combinaciones diferentes de metales y electrolitos pueden resultar en una batería de metal líquido de trabajo, los principios de funcionamiento siguen siendo los mismos. Los metales se eligen de manera que es energéticamente favorable para ellos para formar una aleación; por tanto, de aleación descarga la batería, y los cargos de-aleación de TI. El salt capa se elige de manera que permite el paso de iones metálicos entre los dos electrodos, pero bloquea el transporte de especies neutras, proporcionando así el control electroquímico del sistema. Este trabajo avanza la tecnología de baterías de metal líquido mediante la cuantificación y control de los efectos de transporte masivo. Los métodos descritos aquí son informados por métodos electroquímicos desarrollados para las baterías de metal líquido por Sadoway et al. 1-4, así como a principios de trabajo de la batería de metal líquido a Argonne National Laboratory 5,6, y el trabajo de la comunidad más amplia electroquímico (Bard y Faulkner 7 proporcionar muchas referencias pertinentes). Los métodos descritos aquí también se basan en anteriores estudios de dinámica de fluidos. Ultrasonido velocimetría se desarrolló y se utilizó por primera vez en el agua 8,9 y desde entonces se ha aplicado a los metales líquidos incluyendo galio 10,11, 12,13 de sodio, mercurio 14, plomo y bismuto 15, cobre y estaño 15 &lt;/ Sup&gt;, y plomo-litio 16, entre otros. Eckert et al. Proporcionar una revisión útil de velocimetría en metales líquidos 17. Métodos de trabajo utilizando recientes similares a las descritas aquí 18 ha demostrado que las corrientes de la batería pueden mejorar el transporte masivo en electrodos de metal líquido. Debido a que el transporte de masa en el electrodo positivo es el paso limitante de la velocidad en la carga y descarga de las baterías de metal líquido, mezcla, por tanto, permite la carga y la descarga más rápida de lo que sería posible. Además de mezcla impide inhomogeneidades locales en el electrodo, que puede formar sólidos que limitan el ciclo de vida de una batería. En los trabajos en curso, continuamos estudiando el papel del flujo de fluido en el electrodo positivo de la batería de metal líquido, que surge debido a fuerzas térmicas y electromagnéticas. Los gradientes térmicos en coche flujo convectivo a través de flotabilidad, y corrientes de la batería en coche flujo mediante la interacción con los campos magnéticos inducidos por el bateadorY corrientes sí mismos. En experimentos usando los métodos descritos a continuación, hemos observado flujos con número de Reynolds 50 &lt;Re &lt;200, calculado a partir de la profundidad del electrodo y la velocidad de la raíz cuadrada media. Se está realizando una caracterización minuciosa experimental y utilizará el conjunto de datos resultante para construir modelos predictivos de la batería. El objetivo de este manuscrito es en el diseño y procedimientos necesarios para producir tales datos experimentales. Ultrasonido velocimetría proporciona la mayor parte de las mediciones, y las condiciones experimentales debe ser controlada cuidadosamente con el fin de utilizar el ultrasonido con éxito en metal líquido. Alta temperatura, la actividad química y conductividad eléctrica deben todos ser manejados con cuidado. En primer lugar, las baterías de metal líquido operan necesariamente a alta temperatura, debido a que ambos metales y la sal que los separa deben ser fundido. Una opción prometedora de materiales, que utiliza litio como el electrodo negativo, el plomo-antimonio como el elec positivoelectrodo, y una mezcla eutéctica de sales de litio como electrolito, requiere temperaturas alrededor de 550 ° C. La medición del flujo de un fluido opaco a temperaturas tan altas es bastante difícil. Transductores de ultrasonido de alta temperatura, que separan los componentes electro-acústica delicados desde el fluido de ensayo con una guía de ondas acústicas, se han demostrado 15 y comercializado. Sin embargo, debido a que los transductores tienen pérdida de inserción cerca de 40 dB, y debido a la dificultad general de trabajar a tales temperaturas, un sistema sustituto ha sido elegido para el estudio inicial: una batería de metal líquido también puede hacerse usando sodio como el electrodo negativo, eutéctica 44% de plomo 56% de bismuto (en lo sucesivo, ePbBi) como el electrodo positivo, y una mezcla eutéctica de triple de sales de sodio (10% de yoduro de sodio, 38% de hidróxido sódico, 52% de amida de sodio) como el electrólito. Una batería de este tipo es totalmente fundido por encima de 127 ° C, lo que es mucho más susceptible de estudio de laboratorio. Debido a que se compone de tres líquidocapas separadas por densidad, que está sujeta a la misma física que otras baterías de metal líquido. Y es compatible con los transductores de ultrasonido de fácil acceso, que están clasificados a 230 ° C, implican pérdidas de guía de ondas, y cuestan mucho menos que los transductores de alta temperatura. Estos experimentos se llevan a cabo normalmente a 150 ° C. A esa temperatura, ePbBi tiene viscosidad ν = 2,79 x 10 -7 m 2 / seg, difusividad térmica κ = 6,15 x 10 -6 m 2 / seg, y la difusividad magnética η = 0,8591 m 2 / seg, de tal manera que su número de Prandtl es Pr = ν / κ = 4,53 x 10 -2 y su número de Prandtl magnético es Pm = ν / η = 3,24 x 10 -7. Aunque esta baja temperatura química de la batería de metal líquido hace estudios de flujo mucho más fácil de lo que serían en baterías más calientes, la temperatura, sin embargo, debe ser manejado con cuidado. Siendo dispositivos electroacústicos delicados, transductores de ultrasonido son susceptible dañar por choque térmico, y por lo tanto debe ser calentado gradualmente. Mediciones de ultrasonido de alta calidad también requieren una cuidadosa regulación de la temperatura. Ultrasonido velocimetría funciona como sonar, como se muestra en la Figura 1: El transductor emite un pitido (aquí, la frecuencia es de 8 MHz), entonces la escucha de ecos. Al medir el tiempo de vuelo del eco, la distancia al cuerpo haciendo eco se puede calcular, y midiendo el desplazamiento Doppler del eco, un componente de la velocidad del cuerpo también se puede calcular. En el agua, se deben agregar las partículas trazadoras para producir ecos, pero no hay partículas trazadoras son necesarios en los metales líquidos, un hecho que no se entiende en detalle, pero por lo general se atribuye a la presencia de partículas de óxido de metal pequeñas. Cada medida es la media de todas las partículas trazadoras en un volumen de interrogación; en este trabajo, su diámetro mínimo es de 2 mm, a una distancia de 30 mm de la sonda. Aunque la oxidación puede llegar a limitar la duración de los experimentos, utilizando THmétodos e describen a continuación, hemos realizado mediciones de forma continua durante todo el tiempo de 8 horas. Cálculo de distancia o velocidad requiere conocer la velocidad del sonido en el fluido de ensayo, y que la velocidad varía con la temperatura. El trabajo que se describe aquí se centra en el flujo en el electrodo negativo ePbBi, donde la velocidad del sonido es de 1.766 m / seg a 150 ° C, 1765 m / seg a 160 ° C y 1767 m / seg a 140 ° C 19. Por lo tanto inadecuado control de temperatura introduciría errores sistemáticos en las mediciones de ultrasonido. Un dispositivo fue construido para medir la velocidad del sonido en ePbBi, la búsqueda de valores coherentes con los publicados y aceptados por la Agencia de Energía Nuclear de 19 (ver más abajo). Finalmente, puesto que la convección térmica es un conductor primario de flujo en baterías de metal líquido, tanto la temperatura media y la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del electrodo ePbBi afectar directamente observaciones. Para obtener resultados consistentes, precisas térmicacontrol es esencial. En consecuencia, la temperatura se mide continuamente con al menos tres termopares de tipo K, registrando sus mediciones electrónicamente con un dispositivo de adquisición basado en ordenador y un programa personalizado LabView-escrito. El programa también controla la fuente de alimentación que proporciona corriente de la batería, a través de una conexión USB; registra la corriente de la batería y la tensión; y envía pulsos de disparo para el instrumento de ultrasonido, de modo que sus datos se pueden sincronizar con las otras mediciones. Un diagrama de sistema se muestra en la Figura 2. El calor es proporcionado por un horno construido a medida (también se muestra en la Figura 2), que contiene dos elementos calefactores industriales 500-W accionados por un relé de conmutación por a-integral-diferencial proporcional (PID) controlador. La placa base que soporta elementos de la batería es de aluminio sólido; porque su conductividad térmica es un orden de magnitud más alta que la conductividad térmica de la st inoxidablerecipiente de pilas anguila y la ePbBi que contiene 19, la temperatura del suelo del horno es aproximadamente uniforme. Además, la base de aluminio se dobla como un camino para que las corrientes eléctricas que pasan a través del electrodo. Su conductividad eléctrica es también un orden de magnitud mayor que la de acero inoxidable o ePbBi, por lo que la tensión de la piso del horno es también aproximadamente uniforme. Patas aislantes separan la base del banco superior abajo, evitando quemaduras y pantalones cortos. Los lados de la nave de la batería están aislados con aislamiento cerámico de sílice, cortar para ajustarse a la vasija de cerca sino dejad lugar a acceder a puerto ecografía de la célula. Finalmente, un politetrafluoroetileno (PTFE) tapa aísla la célula desde arriba y mantiene el colector de corriente negativo y termopares en su lugar. Aunque placas calientes disponibles comercialmente pueden alcanzar las temperaturas requeridas para estos experimentos, nuestro horno construido a medida mantiene la temperatura con un orden de magnitud menor variación, unaTambién nd nos permite medir la energía de calor directamente. Además de los retos asociados con la temperatura, hay desafíos asociados con la actividad química. A 150 ° C, un electrodo positivo ePbBi es químicamente compatible con muchos materiales comunes. Un electrodo negativo de sodio, sin embargo, se corroe muchos materiales, se oxida fácilmente, y reacciona vigorosamente con la humedad. Un electrodo negativo de litio también es agresivo, sobre todo porque las baterías de metal líquido a base de litio funcionan típicamente a temperaturas mucho más altas. Aunque los sistemas de mayor temperatura están fuera del alcance de este trabajo, muchas de las mismas medidas para la gestión de la actividad química se utilizan aquí como en esos sistemas. Todos los experimentos descritos aquí se llevan a cabo en una caja de guantes llena de argón que contiene sólo trazas de oxígeno o humedad. El recipiente de la batería está hecha de aleación de acero inoxidable 304, que corroe mínimamente incluso con litio a 550 ° C. Los termopares y corriente negativacolector también están hechos de acero inoxidable. La geometría buque se elige para que coincida con los buques utilizados para la prueba electroquímica de baterías de metal líquido, para modelar lo más cerca posible de los sistemas que están siendo comercializados. El recipiente, que se muestra en la Figura 2, es cilíndrica, con un diámetro interior 88,9 mm y una profundidad de 67 mm. Todas las paredes de los vasos son de 6,4 mm de espesor. El recipiente difiere de los utilizados para los experimentos anteriores, sin embargo, en que tiene un puerto de ultrasonido. El puerto pasa a través de la pared lateral a lo largo de un diámetro horizontal del cilindro, y el centro del puerto es 6,6 mm por encima del suelo del vaso. El puerto es de 8 mm de diámetro para dar cabida a un transductor de ultrasonidos 8 mm, y los sellos de todo el transductor con una estampación. En estos experimentos, el electrodo de metal líquido es sólo lo suficientemente profundo para cubrir el transductor de ultrasonidos, típicamente 13 mm. A fin de lograr fuertes señales de ultrasonido, se requiere una buena transmisión acústicaentre el transductor de ultrasonido y las sondas de TI de fluido (ePbBi). La potencia máxima acústica se transmite cuando la impedancia acústica del material transductor y el fluido de ensayo son idénticos; cuando las impedancias difieren, las señales sufren. La colocación de un transductor de ultrasonido en contacto directo con la limpieza ePbBi (como se hizo posible por el puerto se ha descrito anteriormente) proporciona un amplio señal, a menudo durante horas a la vez. Óxidos de metal, sin embargo, tienen muy diferente impedancia, y también pueden interferir con la humectación mediante la alteración de la tensión superficial. Si el ePbBi se oxida sustancialmente, las señales de ultrasonido se degradan y pronto desaparecen. Una vez más, una atmósfera inerte es esencial. Si trazas de oxígeno causan algo de oxidación, sin embargo, la superficie del óxido metálico es desnatada antes de transferir ePbBi en el recipiente de la batería. Finalmente, estos experimentos desafíos presentes debido a la presencia de corrientes eléctricas. Aunque las corrientes son nuestra inter científica y tecnológica centroest, que son suficientes (30 A) grande como para causar daño si enrutado incorrectamente. Termopares sin conexión a tierra a asegurar que las corrientes eléctricas dañinas no pase a través del dispositivo de adquisición de datos o el equipo que lo apoya, porque termopares sin conexión a tierra no tienen conexión eléctrica interna de la funda protectora para cualquiera de los cables de señal. Asimismo es imprescindible el uso de transductores de ultrasonido sin conexión a tierra (de procesamiento de señal SA, TR0805LTH) para evitar corrientes parásitas de dañar el instrumento de ultrasonido valioso (Signal-Processing SA, DOP 3010). Como se mencionó anteriormente, la base del horno sirve para conducir la corriente eléctrica, y también debe ser eléctricamente aislado de su entorno. En el electrodo ePbBi, corriente hace que el calentamiento óhmico, lo que podría alterar la temperatura. Así, el sistema de control térmico automatizado debe ser capaz de adaptarse a los cambios en la entrada de calor. La Figura 3 muestra cómo la temperatura del electrodo ePbBi varía como curalquiler fluye a través de él, y cómo el controlador PID ajusta para compensar. Mantener la temperatura constante con grandes corrientes (50 A = 800 mA / cm) requeriría una refrigeración adicional, pero en las corrientes más bajas más realistas para las baterías de metal líquido en aplicaciones industriales (típicamente 17 A = 275 mA / cm 1), el controlador es capaz para compensar el calentamiento óhmico y mantenga variación de la temperatura a 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

Un número creciente de tecnologías electroquímicas depende de flujo de fluido, y con frecuencia que el líquido es opaco. Medir el flujo de un fluido opaco es inherentemente más difícil que medir el flujo de un fluido transparente, ya que los métodos ópticos no son aplicables. El ultrasonido puede ser usado para medir la velocidad de un fluido opaco, no sólo en puntos aislados, pero a cientos o miles de puntos dispuestos a lo largo de líneas, con buena resolución temporal. Cuando se aplica a un electrodo de metal líquido, velocimetría ultrasonido implica retos adicionales: alta temperatura, la actividad química y conductividad eléctrica. Aquí se describe el aparato y los métodos que superar estos desafíos y permiten la medición de flujo en un electrodo de metal líquido, ya que conduce la corriente, a temperatura de funcionamiento experimental. La temperatura se regula dentro de ± 2 ° C por medio de un controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) que los poderes de un horno hecha a la medida. Actividad química es el hombreenvejecido eligiendo materiales de buques con cuidado y que encierra el montaje experimental en una caja de guantes de argón-llenado. Por último, trayectorias eléctricas no deseadas son cuidadosamente prevenidos. Un sistema automatizado registra ajustes de control y mediciones experimentales, utilizando señales de disparo de hardware para sincronizar dispositivos. Este aparato y estos métodos pueden producir mediciones que son imposibles con otras técnicas, y permitir la optimización y el control de las tecnologías electroquímicas como las baterías de metal líquido.

El procedimiento para medir la velocidad del sonido (descrito en detalle anteriormente) fue adaptado de métodos utilizados por los de procesamiento de señal SA. En principio, la velocidad del sonido se puede obtener fácilmente mediante la medición del tiempo de vuelo de un eco desde una pared en la gama conocida. Pero medir con precisión la localización efectiva de la cara del transductor es difícil, así que en vez se puede medir el tiempo de vuelo en dos ocasiones, con un micrómetro para desplazar la pared por...

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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.

Ultrasonido de medición de velocidad en un metal líquido Electrodo

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 vistas.  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.

Echo velocimetría por imágenes de partículas

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

Investigación

Ingeniería

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.

Fabricación, operación y visualización del flujo en la superficie-acústico de ondas impulsadas Microfluídica Acústica contraflujo

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.

Técnica de escaneo rápido para el Estudio de impacto por caída de la Dinámica de Fluidos no newtonianos

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.

Un método para manipular tensión superficial de un metal líquido a través de la oxidación de la superficie y Reducción

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

Química

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 electrocinéticas fenómenos generados por las Estructuras de microelectrodos

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, ...

Biología

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.

Visual basado en la caracterización de la propuesta del partícula incipiente en sustratos Regular: de Laminar a turbulentas condiciones

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.

Generación y Control de electrohidrodinámicos flujos en soluciones acuosas electrolíticas

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.

Fabricación y caracterización de dispositivos piezoeléctricos en modo de espesor para atomización y acoustofluídicos

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.

Una plataforma de pruebas de rendimiento para una conducción Micropump con una placa de electrodo revestido de cobre 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 ...

Bioingeniería

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.

El ultrasonido basados ​​en la onda de pulso Evaluación de velocidad en ratones

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 ...

Ultrasonido de medición de velocidad en un metal líquido Electrodo

Resumen

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Capítulos en este video

Echo velocimetría por imágenes de partículas

Fabricación, operación y visualización del flujo en la superficie-acústico de ondas impulsadas Microfluídica Acústica contraflujo

Técnica de escaneo rápido para el Estudio de impacto por caída de la Dinámica de Fluidos no newtonianos

Un método para manipular tensión superficial de un metal líquido a través de la oxidación de la superficie y Reducción

AC electrocinéticas fenómenos generados por las Estructuras de microelectrodos

Visual basado en la caracterización de la propuesta del partícula incipiente en sustratos Regular: de Laminar a turbulentas condiciones

Generación y Control de electrohidrodinámicos flujos en soluciones acuosas electrolíticas

Fabricación y caracterización de dispositivos piezoeléctricos en modo de espesor para atomización y acoustofluídicos

Una plataforma de pruebas de rendimiento para una conducción Micropump con una placa de electrodo revestido de cobre FR-4

El ultrasonido basados en la onda de pulso Evaluación de velocidad en ratones

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El ultrasonido basados ​​en la onda de pulso Evaluación de velocidad en ratones

El ultrasonido basados en la onda de pulso Evaluación de velocidad en ratones