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

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

הגדרת מערכת 1. ועצרת <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נקה את מתמר אולטרסאונד עם isopropanol. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טען את תא הכפפות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ציוד עומס הנדרש וחומרים (כולל מתמר אולטרסאונד, ePbBi, מערבבים מקל, וצמדים) לתא הכפפות, בעקבות ההוראות של יצרן תא הכפפות כדי למזער חדירת החמצן והלחות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שמור חומרים נקבוביים תחת ואקום בחדר קבלת תא הכפפות עבור שעות 12 לפני הכניסה לתא הכפפות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מנגינת בקר PID (הפעם הראשונה בלבד). <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את אותה הכמות של ePbBi המוצק לתוך כלי הסוללה שישמש בניסויים (840 גר &#39;). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את הבידוד סביב תנור כלי הסוללה אם זה לא כבר שם, והנח את המכסה על גבי כלי הסוללה, יחד עם האספן הנוכחי השלילי וצמדים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפוך את כל חיבורי החשמל עבור צמדים תרמיים וכוח התנור, כפי שמוצג באיור <strong&gt; יור 2B. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ליזום כוונון אוטומטי של בקר PID, באמצעות 150 מעלות צלזיוס כנקודת הסט. הערה: הפרטים של צעד זה יהיה שונה, בהתאם ליצרן בקר PID ומודל. בקר משמש כאן אוטומטי מנגינות על ידי שליטה ארבעה מחזורים תרמיים מלאים, מRT לטמפרטורת הפעלה, על מסלול של שעות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש במקשי החצים כדי להתאים את נקודת הסט (המוצגת כברירת מחדל לאחר כוונון בקר) 150 ° C. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחצו לחיצה ארוכה על כפתור הלולאה במשך 3 שניות כדי להיכנס ללולאה הנסתרת. לאחר מכן לחץ על כפתור הלולאה שוב ושוב עד שמסך הבקר מראה &quot;מנגינה&quot;. השתמש במקשי החצים כדי לשנות את זה כן. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס תרמי ולהשתמש בתחנת העבודה כדי לפקח והיכנס טמפרטורה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ברגע אוטומטי מנגינה היא מלאה, להקליט פרמטרים פרופורציונליים, אינטגרליים, ונגזרים שבקר PID שנבחר באופן אוטומטי על ידי שימוש בממשק בקר, לפי to הוראות היצרן. </li></ol></li></ol> מדידת 2. קול המהיר <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש בתנור כדי להמס מספיק ePbBi לניסוי, לפחות 400 גרם. הערה: הסכום הנדרש ישתנה לציוד שונה, וePbBi נמס ב 125 מעלות צלזיוס. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> במידת צורך, להסיר תחמוצת עודפת ברפרוף אותו מהמשטח העליון של ePbBi באמצעות מערבבים מקל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס מתמר אולטרסאונד למכשיר מדידת מהירות קול ולהדק את קשר swage כדי למנוע הדלפות, לאחר מכן הכנס תרמי ולהשתמש בתחנת העבודה כדי לפקח והיכנס טמפרטורה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> העבר את המתכת מותכת למכשיר מדידת מהירות הקול. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את מכשיר מדידת מהירות קול על בסיס התנור ולהשאיר אותו שם למשך 2 דקות כדי להגדיל בהדרגה את הטמפרטורה ולמנוע הלם תרמי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להתכונן להעברה בטוחה על ידי הסרת ציוד רגיש לחום או חומרים מהאזור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להוסיף בבוקר קטןounts של מתכת מותכת בכל פעם, כי הלם תרמי יכול לגרום נזק למתמר אולטרסאונד. להוסיף ePbBi עד הפנים מתמר וראש מיקרומטר שניהם שקועים לחלוטין. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חכה עד שהטמפרטורה נשארת יציבה בתוך 1 מעלות צלזיוס במשך לפחות 5 דקות לפני תחילת מדידות, מאז מהירות קול תלויה בטמפרטורה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אולטרסאונד המידה מהדהד בשני מקומות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את קצה מיקרומטר למיקום שרירותי אבל ידוע. מדידות שיא הד אולטרסאונד, ביצוע ההוראות הניתנות על ידי יצרן המכשיר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שימוש בחיוג מיקרומטר, להזיז את קצה מיקרומטר על ידי מרחק ידוע. מדידות הד השיא אולטרסאונד. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את המתכת המותכת ממכשיר מדידת מהירות קול ולאחסן אותו במכל חום-סובלני. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כדי לקבוע את מהירות קול, משרעת הד עלילה כפונקציה של זמן הד לכל אחד משתי המדידות. אתר את ההדים על ידי התאמת עקומת גאוסלכל הד שיא, כמו ביור איור 4. לחשב את מהירות קול על ידי חלוקת מרחק עקירה על ידי ההבדל בזמני שיא הד. </li></ol> 3. מדידת מהירות אולטראסאונד <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ממסים מספיק ePbBi לניסוי (840 גר &#39;), הסרת תחמוצת עודפת במידת צורך. הערה: לקבלת התוצאות הטובות ביותר, השתמשו באותה הכמות של ePbBi ששימשה למנגינת בקר PID. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנס מתמר אולטרסאונד לכלי הסוללה ולהדק את קשר swage כדי למנוע הדלפות, להבטיח כי בסיס התנור הוא ברמה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> העבר את המתכת מותכת לכלי שיט הסוללה. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים כלי סוללה על בסיס תנור ולהשאיר אותו שם למשך 5 דקות כדי להגביר בהדרגה את הטמפרטורה ולמנוע הלם תרמי. להתכונן להעברה בטוחה על ידי הסרת ציוד רגיש לחום או חומרים מהאזור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להוסיף כמויות קטנות של מתכת מותכת בכל פעם, כי הלם תרמי יכול לגרום נזק לulמתמר trasound. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חכה עד שהטמפרטורה מגיעה 150 מעלות צלזיוס לפני מדידות מתחילות, מאז מהירות קול תלויה בטמפרטורה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לסיים הרכבת המנגנון. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מניחים את הבידוד סביב תנור כלי הסוללה אם זה לא כבר שם. מניחים את המכסה על גבי כלי הסוללה, יחד עם האספן הנוכחי השלילי וצמדים. להיות בטוח שכולם ממוקמים בדיוק וrepeatably; פיר צווארונים לעבוד גם עבור זה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפוך את כל חיבורי החשמל עבור חשמל ואותות, כפי שמוצג באיור 2 ב יור. השתמש מד התנגדות כדי לוודא שאין נתיבים חשמליים לא מכוון נוכחים, כלומר, לבדוק שההתנגדות החשמלית בין האספן הנוכחי השלילי וכל האות היא מוביל MΩ לפחות 1. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בגין ביצוע מדידות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בגין רישום וטמפרטורת ניטור, כוח דוד, מתח סוללה, וסוללהנוכחי. שים לב: כאן, קוד מותאם אישית LabView תחנת עבודה פועלת שימש כדי להתחבר כל המדידות, עם חותמות זמן מתאים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את הגדרות מכשיר אולטרסאונד בהתאם לצורך. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הקפד להגדיר את מהירות קול, באמצעות הטמפרטורה המתאימה, על פי מודל מקובל 19. לePbBi ב 150 מעלות צלזיוס כפי שלהלן, לקבוע את המהירות ל1,760 מ &#39;/ שנייה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את תדירות החזרה הדופק (בדרך כלל 0.25 מ&quot;מ) שמעמקי הדו צפופים כזה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התאם את ספירת השער כזה שההד החזק מהקיר המרוחק של כלי השיט מופיע בכמה השערים האחרונים; הוא מספק בדיקת שפיות שימושית בנושאי עוצמת אות פתרון בעיות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שימוש בהוראות הניתנות על ידי היצרן, להגדיר את המכשיר לחומרה מפעילה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בגין רישום וניטור מהירות עם מכשיר אולטרסאונד על ידי ייזום מפעילה מתחנת העבודה. שיא מהירות ארבעה פרופילים לשנייה עבור 30דקות. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדר את הסוללה הנוכחית עד 5, לחכות 5 דקות לזרימה לייצב, ולאחר מכן להקליט ארבעה מהירות פרופילים לשנייה למשך 30 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על שלב 3.5 עבור 10, 15, 20, 25, ו -30 א הערה: תוכניות ניסיוניות רבות אחרות גם אפשריות, כוללים וריאציות טמפרטורה ושינויים חלקים בנוכחי. נמוך אווירה בחמצן ולחות מאפשר ניסויים עם איכות אות טובה לשעות או יותר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ברגע שהניסויים הושלמו, להפסיק לרשום נתונים ולכבות את התנור. נתק חיבורי חשמל והסר את מכסה התנור. הסר את המתכת המותכת מספינת הסוללה, באמצעות אותם ההליכים להעברה בטוחה ששמשו בעת מילוי כלי השיט. אחסן את ePbBi המותך במכל חום-סובלני. הוסף ארגון נוסף לתא הכפפות; הלחץ שלה יירד כמו האטמוספרה שלו מתקררת. </li></ol>

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

The authors have nothing to disclose.

טכניקות אולטראסאונד יכולות לייצר מדידות מהירות במאות או אלפי מקומות בנוזל שקוף או אטום, פעמים רבות בשנייה. מוחל על האלקטרודה מתכת נוזלית, טכניקות אולטרסאונד נתקלות באתגרים של טמפרטורה גבוהה, פעילות כימית, ומוליכות חשמלית. השיטות להתגברות על האתגרים אלה ומדידת זרימה...

סוללות מתכת נוזלית הן טכנולוגיה מבטיחה למתן אחסון אנרגיה בקנה מידה גדולה על רשתות חשמל בעולם 1. סוללות אלו מציעות צפיפות אנרגיה גבוהה, צפיפות הספק גבוהה, מחזור חיים ארוכים, ועלות נמוכה, מה שהופך אותם אידיאליים לאחסון אנרגיית רשת בקנה מידה 3. היכרות עם סוללות מתכת נוזלית לרשת האנרגיה יאפשר גילוח שיא, לשפר את יציבות רשת, ומאפשר שימוש הרבה יותר נרחב של מקורות מתחדשים לסירוגין כמו שמש, רוח, וכוח של גאות ושפל. סוללות מתכת נוזלית מורכבות משתי אלקטרודות מתכת נוזלית מופרדות על ידי אלקטרוליט מלח מותך, כפי שתוארו בפירוט רב יותר בעבודה לפני 1. למרות ששילובים שונים של מתכות ואלקטרוליטים יכולים לגרום לסוללת מתכת נוזלית עבודה, עקרונות פעולה נשארים אותו הדבר. המתכות נבחרות כך שזה לטובה במרץ עבורם ליצירת סגסוגת; כך נתוך פורע את הסוללה, וחיובים נתוך-דה. Saשכבת LT נבחרה כך שהוא מאפשר יוני מתכת לעבור בין שתי אלקטרודות, אבל תחבורה בלוקים של מינים ניטראליים, ובכך מעניק שליטה אלקטרוכימי של המערכת. עבודה זו תקדם טכנולוגיית סוללה מתכת נוזלית על ידי כימות ושליטה אפקטי תחבורה המוניים. השיטות שתוארו כאן הם הודיעו על ידי שיטות אלקטרוכימיים שפותחו עבור סוללות מתכת נוזלית על ידי Sadoway et al. 1-4, כמו גם עבודת סוללה מתכת נוזלית קודם לכן במעבדה הלאומית Argonne 5,6, ועבודתה של הקהילה אלקטרוכימיים הרחבה יותר (בארד ופוקנר 7 לספק רב אזכור רלוונטי). השיטות שתוארו כאן גם לבנות על מחקרי דינמיקה של נוזלים לפני. velocimetry אולטראסאונד פותח וראשון בשימוש במים 8,9 ומאז הוחל מתכות נוזליים כוללים גליום 10,11, נתרן 12,13, 14 כספית, עופרת-ביסמוט 15, נחושת, בדיל 15 &lt;/ Sup&gt;, ולהוביל-ליתיום 16, בין יתר. אקרט et al. לספק סקירה שימושית של velocimetry במתכות נוזליים 17. שיטות עבודה באמצעות אחרונים דומות לאלה שתוארו כאן 18 הוכיחו כי זרמי סוללה יכולים לשפר תחבורה המונית באלקטרודות מתכת נוזלית. בגלל תחבורה המונית בהאלקטרודה החיובית הוא צעד שער הגבלה בטעינה ופריקה של סוללות מתכת נוזלית, ערבוב לכן מאפשר תשלום מהיר ופריקה מאשר היה להיות אחר אפשרי. יתר על כן ערבוב מונע inhomogeneities המקומי באלקטרודה, שיכול ליצור את מוצקים המגבילים את מחזור החיים של סוללה. בעבודה שוטפת, אנו ממשיכים ללמוד את התפקיד של זרימת נוזל בהאלקטרודה החיובית של הסוללה מתכת הנוזלית, אשר נגרם כתוצאה של כוחות תרמיים ואלקטרומגנטים. שינויי טמפרטורה לנהוג זרימת הסעה באמצעות ציפה, וזרמי סוללה לנהוג זרימה על ידי אינטראקציה עם השדות המגנטיים הנגרמים על ידי הבלילהזרמים עצמם y. בניסויים באמצעות השיטות מתוארות להלן, שראינו זורם עם מספר ריינולדס 50 &lt;Re &lt;200, מחושב מעומק אלקטרודה ומהירות שורש ממוצע מרובע. אפיון ניסיוני יסודי התבצע וישתמש בערכת הנתונים וכתוצאה מכך לבנות מודלים סוללה חזוי. המיקוד של כתב היד הזה הוא על העיצוב והנהלים הנדרשים כדי לייצר נתונים כגון ניסיוניים. velocimetry אולטראסאונד מספק את חלק הארי של המדידות, ותנאי ניסוי חייבים להיות מבוקרים בקפידה על מנת להשתמש באולטרסאונד בהצלחה במתכת נוזלית. טמפרטורה גבוהה, פעילות כימית, ומוליכות חשמלית חייבת להיות מנוהלים בזהירות. ראשית, סוללות מתכת נוזלית פועלות בהכרח בטמפרטורה גבוהה, כי הן מתכות והמלח שמפריד ביניהם חייב להיות מותכים. בחירה אחת מבטיחה של חומרים, אשר עושה שימוש בליתיום כמו האלקטרודה השלילית, תוביל-אנטימון כELEC החיוביtrode, ותערובת של מלחי ליתיום eutectic כאלקטרוליט, דורשים טמפרטורות סביב 550 מעלות צלזיוס. מדידת זרימת נוזל אטום בטמפרטורות גבוהות כזה היא די קשה. מתמרים אולטרסאונד בטמפרטורה גבוהה, המפרידים את רכיבי אלקטרו-אקוסטי העדינים מנוזל הבדיקה עם מוליך גל אקוסטי, הוכח 15 וממוסחרים. עם זאת, בגלל שיש לי מתמרים אובדן הכנסה קרובה 40 dB, ובגלל הקושי הכללי של עבודה בטמפרטורות כאלה, מערכת פונדקאית נבחרה למחקר ראשוני: סוללה מתכת נוזלית יכולה גם להתבצע באמצעות נתרן כמו האלקטרודה, eutectic השלילית 44% יובילו ביסמוט 56% (להלן, ePbBi) כמו האלקטרודה החיובית, ותמהיל eutectic משולש של מלחי נתרן (10% יודיד נתרן, 38% סודיום הידרוקסיד, 52% אמידי נתרן) כמו אלקטרוליט. כגון סוללה היא לגמרי מותכת מעל 127 מעלות צלזיוס, מה שהופך את זה הרבה יותר נוח למחקר במעבדה. כי זה מורכב משלושה נוזלישכבות מופרדות בצפיפות, הוא כפוף לאותה הפיזיקה סוללות מתכת נוזלית אחרות. והוא תואם עם מתמרים אולטרסאונד זמין, שמדורגים 230 ° C, כרוך לא הפסדי מוליך גל, ועולה הרבה פחות ממתמר טמפרטורה גבוהה. ניסויים אלה בדרך כלל יתקיימו ב 150 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה ש, יש ePbBi ν צמיגות = 2.79 x 10 -7 מ &#39;2 / sec, κ תרמית diffusivity = 6.15 x 10 -6 2 / sec מ&#39;, וdiffusivity המגנטי η = .8591 מ &#39;2 / sec, כך שמספר Prandtl שלה הוא Pr = ν / κ = 4.53 x 10 -2 ומספר Prandtl המגנטי שלו מנותק = ν / η = 3.24 x 10 -7. למרות כימיה סוללה מתכת זו בטמפרטורה נמוכה נוזל הופכת זרימת מחקרים הרבה יותר קלה ממה שהם יהיו בסוללות חמה, הטמפרטורה חייבת בכל זאת להיות מנוהלת בזהירות. להיות מכשירי אלקטרו-אקוסטי עדינים, מתמרים אולטרסאונד הם susceptiblדואר לפגוע בהלם תרמי, ולכן חייב להיות מחומם בהדרגה. מדידות אולטרסאונד באיכות גבוהה דורשות גם ויסות טמפרטורה זהירה. velocimetry אולטראסאונד עובד כמו סונאר, כפי שמוצג באיור 1: מתמר משמיע צפצוף (כאן, התדירות היא 8 מגה-הרץ), ואז מקשיב להדים. על ידי מדידת הזמן של טיסה של ההד, המרחק לגוף מהדהד ניתן לחשב, ועל ידי מדידת היסט דופלר של ההד, רכיב אחד של המהירות של הגוף יכול גם להיות מחושב. במים, חלקיקים נותב יש להוסיף לייצר הדים, אך לא חלקיקים נותב נדרשים במתכות נוזלית, עובדה שאינו מובן בפירוט אבל מיוחסת בדרך כלל לנוכחות של חלקיקי תחמוצת מתכת קטנים. כל מדידה היא ממוצעת על כל החלקיקים נותב בחקירה נפח; בעבודה זו, בקוטר המינימאלי שלה הוא 2 מ&quot;מ, במרחק 30 מ&quot;מ מהבדיקה. למרות חמצון עשוי סופו של דבר מגביל את משך הניסויים, באמצעות השיטות דואר מתוארות להלן, עשינו מדידות ברציפות במשך זמן רב ככל 8 שעות. חישוב או מרחק או מהירות דורש לדעת את מהירות הקול בנוזל הבדיקה, ומהירות שמשתנית עם טמפרטורה. העבודה המתוארת כאן מתמקדת בזרימה בהאלקטרודה השלילית ePbBi, שבו מהירות הקול היא 1,766 מ &#39;/ שנייה ב 150 מעלות צלזיוס, 1,765 מ&#39; / שנייה על 160 מעלות צלזיוס, ו1,767 מ &#39;/ שנייה ב 140 מעלות צלזיוס 19. לפיכך בקרת טמפרטורה לקויה הייתה להציג את הטעויות שיטתיות במדידות אולטרסאונד. מכשיר נבנה כדי למדוד את מהירות הקול בePbBi, מציאת ערכים בקנה אחד עם אלה שפורסמו והתקבלו על ידי הסוכנות לאנרגיה הגרעינית 19 (ראה להלן). לבסוף, מאז הסעה התרמית הוא נהג עיקרי של זרימה בסוללות מתכת נוזלית, שניהם הטמפרטורה הממוצעת והבדלי הטמפרטורה בין החלק העליון והתחתון של האלקטרודה ePbBi משפיע ישירות על תצפיות. לקבלת תוצאות עקביות, תרמית מדויקתהשליטה היא חיונית. בהתאם לכך, טמפרטורה נמדדת הרף עם לפחות שלושה צמדים K-סוג, כניסה המדידות שלהם באופן אלקטרוני עם מכשיר רכישה מבוסס מחשב ותכנית LabView אישית בכתב. התכנית גם שולטת באספקת החשמל שמספקת נוכחי סוללה, באמצעות חיבור USB; יומנים נוכחי הסוללה ומתח; ושולח פולסים הדק למכשיר אולטרסאונד, כך שניתן לסנכרן את הנתונים שלו עם מדידות האחרות. תרשים מערכת מוצג באיור 2. החום מסופק על ידי תנור בנוי מותאם אישית (גם מוצג באיור 2), המכיל שני גופי חימום תעשייתי 500-W מופעל על ידי ממסר עבר על ידי נפרד-ההפרש יחסי (PID) בקר. צלחת הבסיס התומכת בתאי סוללה עשויה מאלומיניום מוצק; בגלל מוליכות התרמית שלה היא בסדר גודל גבוה יותר מאשר מוליכות תרמית של רח חלדכלי תא סוללה הצלופח וePbBi הוא מכיל 19, הטמפרטורה של רצפת התנור הוא כ אחידה. יתר על כן בסיס האלומיניום משמש גם כדרך לזרמים החשמליים עוברים דרך אלקטרודה. מוליכות החשמלית שלה היא גם בסדר גודל גבוה יותר מזה של פלדת אל-חלד או ePbBi, כך המתח של רצפת התנור הוא גם כ אחיד. רגלי בידוד להפריד את הבסיס מהספסל עליון למטה, מניעת כוויות ומכנסיים קצרים. הצדדים של כלי שיט הסוללה מבודדים עם בידוד הקרמיקה סיליקה, לחתוך כדי להתאים את הכלי באופן הדוק אך משאיר מקום לגישה נמל אולטרסאונד של התא. לבסוף, מכסה polytetrafluoroethylene (PTFE) מבודד את התא מלמעלה ומחזיק אספן השלילי הנוכחי וצמדים במקום. למרות צלחות חמות, זמינות מסחרי יכולות להשיג את הטמפרטורות דרושות לניסויים אלה, התנור בנוי המותאם אישית שלנו שומר על טמפרטורה עם סדר וריאציה פחות גודל,גם ND מאפשר לנו למדוד את כוח חום ישירות. בנוסף לאתגרים הקשורים בטמפרטורה, יש אתגרים הקשורים בפעילות כימית. ב 150 מעלות צלזיוס, האלקטרודה חיובית ePbBi כימית תואמת עם חומרים רבים משותפים. האלקטרודה שלילית נתרן, לעומת זאת, corrodes חומרים רבים, מתחמצנת בקלות, ומגיבה בתקיפות עם לחות. האלקטרודה שלילית ליתיום היא גם אגרסיבית, בעיקר בגלל סוללות מתכת נוזלית מבוסס ליתיום פועלות בדרך כלל טמפרטורות גבוהות בהרבה. למרות שהמערכות גבוהה יותר בטמפרטורה אלה הן מחוץ לתחום של עבודה זו, רב מאותו האמצעים לניהול פעילות כימית המשמשים כאן כבמערכות אלה. כל הניסויים שתוארו כאן מתרחשים בתא כפפות מלא ארגון המכילים כמויות זעירות בלבד של חמצן או לחות. כלי הסוללה עשויים מסגסוגת 304 נירוסטה, שcorrodes אפילו מינימאלי עם ליתיום ב 550 מעלות צלזיוס. צמדים ונוכחיים שלילייםאספן גם עשוי נירוסטה. הגיאומטריה הכלי נבחרה כדי להתאים כלי המשמשים לבדיקות אלקטרוכימי של סוללות מתכת נוזלית, לדגמן קרוב ככל האפשר המערכות שבן להיות ממוסחרים. הכלי, שמוצג באיור 2, הוא גלילי, עם קוטר פנימי 88.9 מ&quot;מ ועומק 67 מ&quot;מ. כל דפנות הכולים הם 6.4 מ&quot;מ עובי. הכלי שונה מאלו המשמשים לניסויים קודמים, עם זאת, כי יש לו יציאת אולטרסאונד. הנמל עובר דרך הקיר הצדדי לאורך קוטר אופקי של הגליל, והמרכז של הנמל הוא 6.6 מ&quot;מ מעל רצפת הספינה. הנמל הוא 8 מ&quot;מ קוטר כדי להתאים מתמר אולטרסאונד 8 מ&quot;מ, וחותמות סביב מתמר עם swage. בניסויים אלה, את האלקטרודה המתכת הנוזלית היא פשוט עמוקה מספיק כדי לכסות את מתמר אולטרסאונד, בדרך כלל 13 מ&quot;מ. על מנת להשיג אותות אולטרסאונד חזקים, אחד דורש שידור אקוסטי טובבין מתמר אולטרסאונד ובדיקות נוזל זה (ePbBi). כוח אקוסטית מרבי מועבר כאשר העכבה האקוסטית של החומר רגשי ונוזל הבדיקה זהות; כאשר העכבות שונות, אותות סובלים. הצבה מתמר אולטרסאונד במגע ישיר עם ePbBi הנקי (כמתאפשר על ידי הנמל שתואר לעיל) מספקת אות בשפע, לעתים קרובות במשך שעות בכל פעם. תחמוצות מתכת, לעומת זאת, יש לי עכבה שונה מאוד, וגם עלולה להפריע להרטבה על ידי שינוי מתח הפנים. אם ePbBi הוא מתחמצן באופן משמעותי, אותות אולטרסאונד לבזות ובקרוב ייעלמו. שוב, אווירת אינרטי היא חיונית. אם כמויות זעירות של חמצן לגרום לחמצון בכל זאת, את פני השטח של תחמוצת המתכת ברפרוף לפני העברת ePbBi לתוך כלי הסוללה. לבסוף, אתגרי ניסויים אלה הנוכחיים בגלל הנוכחות של זרמים חשמליים. למרות זרמי היתר המדעי וטכנולוגי המרכזי שלנוest, הם גדולים מספיק (30) לגרום נזק אם מנותב באופן שגוי. צמדים חסרי בסיס להבטיח שהזרמים החשמליים מזיקים לא עוברים דרך מכשיר רכישת נתונים או המחשב שתומך בו, כי יש לי צמדים חסרי בסיס אין קשר חשמלי פנימי מנדן מגן לאו חוט אות. כמו כן הוא חיוני להשתמש מתמרים אולטרסאונד חסר בסיס (אות-העיבוד SA, TR0805LTH) כדי למנוע נוכחי תועה מפגיעה במכשיר אולטרסאונד היקר (אות-העיבוד SA, DOP 3010). כאמור, הבסיס של התנור משמש להוליך זרם חשמלי, וגם חייב להיות מבודד חשמלי מסביבתו. באלקטרודה ePbBi, נוכחי גורם לחימום ohmic, שעלול לשבש את הטמפרטורה. כך מערכת בקרת תרמית האוטומטית חייבת להיות מסוגלת להסתגל לשינויים בקלט חום. איור 3 מראה כיצד הטמפרטורה של האלקטרודה ePbBi משתנה נוכ כהשכרה זורמת דרכו, וכיצד בקר PID מתאים לפיצוי. שמירה על טמפרטורה יציבה עם זרמים גדולים (50 = 800 mA / סנטימטר) היה דורשת קירור נוסף, אבל בזרמים הנמוכים יותר מציאותיים לסוללות מתכת נוזלית ביישומים תעשייתיים (בדרך כלל 17 = 275 mA / 1 סנטימטר), בקר הוא מסוגל כדי לפצות על חימום ohmic ולהחזיק וריאציה טמפרטורה עד 2 מעלות צלזיוס.

<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

מספר הולך וגדל של טכנולוגיות אלקטרוכימיים תלוי בזרימת נוזל, ולעתים קרובות שהנוזל הוא אטום. מדידת זרימת נוזל אטום היא מטבעו יותר קשה מאשר מדידת זרימת נוזל שקוף, שכן שיטות אופטיות אינן ישימות. אולטראסאונד יכול לשמש כדי למדוד את המהירות של נוזל אטום, לא רק בנקודות בודדות, אבל במאות או אלפי נקודות ערוכות לאורך קווים, עם רזולוציה של זמן טוב. כאשר מוחל על האלקטרודה מתכת נוזלית, velocimetry אולטרסאונד כרוך אתגרים נוספים: טמפרטורה גבוהה, פעילות כימית, ומוליכות חשמלית. כאן אנו מתארים את המנגנון ושיטות שלהתגבר על אתגרים אלה ויאפשר המדידה של זרימה באלקטרודה מתכת נוזלית, כפי שהוא מקיים נוכחי, בטמפרטורת הפעלה הניסיוניים. טמפרטורה מוסדרת בתוך ± 2 מעלות צלזיוס באמצעות בקר פרופורציונלי-אינטגרלי נגזרים (PID) שסמכויות תנור בנוי מותאם אישית. פעילות כימית היא אישגילאים על ידי בחירת חומרי כלי בזהירות ולסגור את ההתקנה הניסיונית בתא כפפות מלא ארגון. לבסוף, נתיבים חשמליים לא מכוון מנועים בזהירות. מערכת אוטומטית יומני הגדרות בקרה ומדידה ניסיונית, באמצעות אותות הדק החומרה לסנכרן מכשירים. מנגנון זה ושיטות אלה יכולים לייצר מדידות שבלתי אפשריים עם טכניקות אחרות, ולאפשר אופטימיזציה ובקרה של טכנולוגיות אלקטרוכימיים כמו סוללות מתכת נוזלית.

ההליך למדידת מהירות קול (שתוארה בפירוט לעיל) הותאם משיטות המשמשות אות-עיבוד SA. בעיקרון, ניתן להשיג בקלות במהירות קול על ידי מדידת הזמן של טיסה של הד מקיר במגוון ידוע. אבל דווקא מדידת המיקום האפקטיבי של הפנים המתמר היא קשה, אז במקום ניתן למדוד זמן של טיסה פעמיים, באמצעות...

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

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

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

אולטראסאונד מהירות מדידה במתכת נוזלית אלקטרודה

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

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

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Sound

SCIENTISTS IN ACTION

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

Video: Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

Echo Particle Image Velocimetry

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

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

הד Velocimetry תמונת חלקיקים

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

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

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

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

ייצור, תפעול ויזואליזציה זרימה במיקרופלואידיקה אקוסטית-נגדית Surface--מונע גל אקוסטי

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.

טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית

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.

שיטה למניפולציות מתח פנים של מתכת נוזלית באמצעות חמצון פני שטח והפחתה

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

Chemistry

AC Electrokinetic Phenomena Generated by Microelectrode Structures

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

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

AC תופעות electrokinetic שנוצר על ידי מבנים microelectrode

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

Biology

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

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

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

באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

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.

דור ובקרה של Electrohydrodynamic זורם בפתרונות אלקטרוליט מימית

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.

ייצור ואפיון של מכשירי פיזואלקטריים במצב עובי לאטוביזציה

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.

פלטפורמה בדיקות ביצועים הולכה Micropump עם צלחת אלקטרודה לבושת נחושת FR-4

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

Bioengineering

Ultrasound-based Pulse Wave Velocity Evaluation in Mice

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

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

אולטראסאונד מבוסס הערכה מהירה גל דופק של עכברים

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 ...