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. Installazione del sistema e montaggio <ol><li> Pulire il trasduttore ad ultrasuoni con isopropanolo. </li><li> Caricare il cassetto portaoggetti. <ol><li> Carico attrezzature necessarie e materiali (compresi gli ultrasuoni trasduttore, ePbBi, bastoncino, e termocoppie) nel cassetto portaoggetti, seguendo le istruzioni del produttore del cassetto portaoggetti per ridurre al minimo l&#39;ingresso di ossigeno e di umidità. </li><li> Tenere i materiali porosi sotto vuoto in anticamera cassetto portaoggetti per 12 ore prima di entrare nel vano portaoggetti. </li></ol></li><li> Tune il regolatore PID (solo la prima volta). <ol><li> Inserire la stessa quantità di solido ePbBi nel recipiente della batteria che verrà utilizzato in esperimenti (840 g). </li><li> Inserire l&#39;isolamento del forno intorno recipiente batteria se non è già presente, e posizionare il coperchio cima recipiente della batteria, con il collettore di corrente negativo e termocoppie. </li><li> Effettuare tutte le connessioni elettriche per termocoppie e l&#39;alimentazione della fornace, come mostrato in Fig <strong&gt; Ure 2B. </li><li> Iniziare la sintonizzazione automatica del regolatore PID, utilizzando 150 ° C, come il set point. Nota: i dettagli di questo passo saranno diverse, a seconda del produttore regolatore PID e il modello. Il controller utilizzato qui auto-tunes controllando quattro cicli termici completi, da RT a temperatura di esercizio, su un percorso di ore. <ol><li> Utilizzare i tasti freccia per regolare il set point (mostrata di default dopo aver sintonizzato il controllore) a 150 ° C. </li><li> Premere e tenere premuto il pulsante loop per 3 secondi per entrare nel ciclo di nascosto. Quindi premere il pulsante ciclo ripetutamente fino a quando lo schermo del controller mostra &quot;Tune&quot;. Utilizzare i tasti freccia per cambiarlo in YES. </li></ol></li><li> Inserire una termocoppia e utilizzare la stazione di lavoro per il monitoraggio e la temperatura log. </li><li> Una volta che l&#39;auto-tune è completa, registrare i parametri proporzionale, integrale, e derivati ​​che il regolatore PID ha selezionato automaticamente utilizzando l&#39;interfaccia di controllo, secondo to le istruzioni del produttore. </li></ol></li></ol> 2. Velocità del Suono di misura <ol><li> Utilizzare il forno per fondere abbastanza ePbBi per l&#39;esperimento, almeno 400 g. Nota: necessaria importo varia per diverse apparecchiature, e ePbBi fonde a 125 ° C. <ol><li> Se necessario, rimuovere ossido eccesso per scrematura dalla superficie superiore del ePbBi utilizzando un bastoncino. </li><li> Inserire un trasduttore ad ultrasuoni nel dispositivo di misurazione della velocità del suono e serrare la connessione swage per evitare perdite, quindi inserire una termocoppia e utilizzare la stazione di lavoro per il monitoraggio e la temperatura log. </li></ol></li><li> Trasferimento del metallo fuso al dispositivo di misurazione della velocità del suono. <ol><li> Posizionare il dispositivo di misurazione della velocità del suono sulla base del forno e lasciarlo lì per 2 min per aumentare gradualmente la temperatura ed evitare shock termici. </li><li> Preparati per un trasferimento sicuro, eliminando apparecchiature o materiali sensibili al calore dalla zona. </li><li> Aggiungi piccolo amI supporti di metallo fuso in un momento, perché lo shock termico può danneggiare il trasduttore ad ultrasuoni. Aggiungere ePbBi fino alla faccia del trasduttore e la testa micrometrica sono entrambi completamente sommerse. </li><li> Attendere finché la temperatura rimane stabile entro 1 ° C per almeno 5 minuti prima misurazioni iniziali, poiché la velocità del suono dipende dalla temperatura. </li></ol></li><li> Misura ultrasuoni echeggia in due sedi. <ol><li> Impostare la punta micrometro una posizione arbitraria, ma conosciuta. Registra misurazioni ultrasuoni eco, seguendo le istruzioni fornite dal costruttore dello strumento. </li><li> Utilizzando il quadrante del micrometro, spostare la punta micrometro da una distanza nota. Misure eco Record ultrasuoni. </li></ol></li><li> Rimuovere il metallo fuso dal dispositivo di misurazione della velocità del suono e memorizzarlo in un contenitore di calore tollerante. </li><li> Per determinare la velocità del suono, la trama ampiezza dell&#39;eco in funzione del tempo di eco per ciascuno dei due misurazioni. Individuare gli echi montando una curva gaussianaper ogni eco picco, come in Fig ure 4. Calcolare la velocità del suono dividendo la distanza di spostamento dalla differenza nei tempi di punta eco. </li></ol> 3. Ultrasound misura di velocità <ol><li> Melt abbastanza ePbBi per l&#39;esperimento (840 g), rimuovendo ossido eccesso, se necessario. Nota: Per ottenere i migliori risultati, utilizzare la stessa quantità di ePbBi che è stato utilizzato per sintonizzare il regolatore PID. <ol><li> Inserire un trasduttore ad ultrasuoni nel vaso di batteria e serrare il collegamento swage per evitare perdite, assicurando che la base del forno sia a livello. </li></ol></li><li> Trasferimento del metallo fuso al vaso batteria. <ol><li> Posizionare nave batteria base del forno e lasciarlo lì per 5 minuti di aumentare gradualmente la temperatura ed evitare shock termici. Preparati per un trasferimento sicuro, eliminando apparecchiature o materiali sensibili al calore dalla zona. </li><li> Aggiungere piccole quantità di metallo fuso alla volta, perché shock termico può danneggiare l&#39;ultrasduttore trasound. </li><li> Attendere che la temperatura raggiunge 150 ° C prima di misurazioni iniziali, poiché la velocità del suono dipende dalla temperatura. </li></ol></li><li> Termina assemblaggio dell&#39;apparato. <ol><li> Inserire l&#39;isolamento del forno intorno recipiente batteria se non è già presente. Posizionare il coperchio cima recipiente della batteria, con il collettore di corrente negativo e termocoppie. Assicurarsi che tutti sono posizionati in modo preciso e ripetibile; collari per albero funzionano bene per questo. </li><li> Tutti i collegamenti elettrici per l&#39;alimentazione e segnali, come mostrato in Fig ure 2B. Utilizzare un ohmmetro per verificare che non percorsi elettrici non intenzionali sono presenti, cioè, verificare che la resistenza elettrica tra il collettore di corrente negativo e porta tutti i segnali è almeno 1 MW. </li></ol></li><li> Cominciare a fare misurazioni. <ol><li> Inizia la registrazione e monitoraggio della temperatura, potenza di riscaldamento, tensione della batteria, e la batteriacorrente. Nota: Qui, una workstation che esegue codice LabVIEW personalizzato è stato utilizzato per accedere tutte le misurazioni, con data e ora corrispondenti. </li><li> Regolare le impostazioni dello strumento ad ultrasuoni, se necessario. <ol><li> Assicurarsi di impostare la velocità del suono, utilizzando la temperatura adeguata, secondo un modello accettato 19. Per ePbBi a 150 ° C come utilizzato di seguito, impostare la velocità di 1.760 m / sec. </li><li> Regolare la frequenza di ripetizione degli impulsi in modo che profondità eco vengono ravvicinati (in genere 0,25 millimetri). </li><li> Regolare il conteggio porta tale che il forte eco dalla parete di fondo del recipiente appare negli ultimi porte; fornisce un controllo di integrità utile per problemi di potenza del segnale di risoluzione dei problemi. </li><li> Utilizzando le istruzioni fornite dal produttore, impostare lo strumento per l&#39;hardware di attivazione. </li></ol></li><li> Inizia la registrazione e il controllo della velocità con lo strumento ad ultrasuoni avviando innescando dalla workstation. Record quattro profili di velocità al secondo per 30min. </li></ol></li><li> Impostare la corrente della batteria a 5 A, attendere 5 min per il flusso di stabilizzarsi, e quindi registrare quattro profili di velocità al secondo per 30 min. </li><li> Ripetere il passaggio 3.5 per 10 A, 15 A, 20 A, 25 A e 30 A. Nota: molti altri piani sperimentali sono possibili, comprese le variazioni di temperatura e le variazioni regolari di corrente. Una bassa atmosfera di ossigeno ed umidità permette esperimenti con buona qualità del segnale per ore o più. </li><li> Una volta che gli esperimenti sono complete, interrompere la registrazione dei dati e spegnere il forno. Staccare i collegamenti elettrici e rimuovere il coperchio del forno. Rimuovere il metallo fuso dal recipiente della batteria, usando le stesse procedure per il trasferimento sicuro che sono stati utilizzati durante il riempimento del serbatoio. Conservare il ePbBi fuso in un contenitore termico tollerante. Aggiungi argon in più per il cassetto portaoggetti; la sua pressione scende come la sua atmosfera si raffredda. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Tecniche ad ultrasuoni in grado di produrre misure di velocità a centinaia o migliaia di sedi in un liquido trasparente o opaco, molte volte al secondo. Applicato ad un elettrodo di metallo liquido, tecniche ecografiche incontrano problemi di alta temperatura, attività chimica, e la conducibilità elettrica. Sono stati descritti i metodi per superare queste sfide e misurazione del flusso in elettrodi metallici liquidi attivi. In primo luogo, un materiale elettrodico soggetto alla stessa fisica come ad alta temperatura...

Batterie metallo liquido sono una tecnologia promettente per la fornitura di accumulo di energia su larga scala di reti elettriche in tutto il mondo 1. Queste batterie offrono alta densità di energia, ad alta densità di potenza, vita di ciclo lunga, ed il basso costo, che li rende ideali per la griglia scala accumulo di energia 3. L&#39;introduzione di batterie metallo liquido per la rete energetica permetterebbe peak shaving, migliorare la stabilità della rete e consente un uso molto più diffuso delle fonti rinnovabili intermittenti come quella solare, eolica e delle maree. Batterie metallo liquido sono composti da due elettrodi metallici liquidi separati da un elettrolita sale fuso, come descritto in maggior dettaglio nella precedente lavoro 1. Sebbene molte combinazioni diverse di metalli e di elettrolita può provocare una batteria di metallo liquido di lavoro, i principi di funzionamento rimangono gli stessi. I metalli sono scelti in modo tale che è energeticamente favorevole per loro per formare una lega; quindi lega scarichi la batteria, e de-lega spese IT. La sastrato lt è scelto in modo da consentire ioni metallici di passare tra i due elettrodi, ma blocca il trasporto di specie neutre, offrendo così il controllo del sistema elettrochimico. Questo lavoro avanzerà tecnologia delle batterie a metallo liquido quantificando e controllo degli effetti di trasporto di massa. I metodi qui descritti sono informati con metodi elettrochimici sviluppate per le batterie metallo liquido per Sadoway et al. 1-4, così come liquido precedente lavoro della batteria in metallo presso Argonne National Laboratory 5,6, e il lavoro della comunità elettrochimica ampio (Bard e Faulkner 7 fornire molti riferimenti rilevanti). I metodi descritti qui costruiscono anche su precedenti studi di fluidodinamica. Ultrasuoni velocimetria è stato sviluppato e la prima volta nel acqua 8,9 e da allora è stato applicato ai metalli liquidi, tra cui gallio 10,11, sodio 12,13, mercurio 14, piombo-bismuto 15, rame-stagno 15 &lt;/ Sup&gt;, e il piombo-litio 16, tra gli altri. Eckert et al. Fornire una revisione utile velocimetry in metalli liquidi 17. Lavoro con metodi recenti analoghe a quelle qui descritte 18 ha dimostrato che le correnti batteria possono potenziare il trasporto di massa a elettrodi metallici liquidi. Poiché il trasporto di massa nella elettrodo positivo è il fattore limitante in carica e scarica delle batterie metallo liquido, mescolando quindi permette carica veloce e scarico di quanto sarebbe altrimenti possibile. Inoltre miscelazione impedisce disomogeneità locali dell&#39;elettrodo, che può formare solidi che limitano la durata di ciclo di una batteria. Nel lavoro in corso, continuiamo a studiare il ruolo del flusso del fluido nella elettrodo positivo della batteria metallo liquido, che sorge a causa di forze termiche ed elettromagnetiche. Gradienti termici auto flusso convettivo attraverso galleggiamento e correnti batteria auto flusso interagendo con i campi magnetici indotti dal battitorey stesse correnti. In esperimenti utilizzando i metodi descritti di seguito, abbiamo osservato i flussi con numero di Reynolds 50 &lt;Re &lt;200, calcolata dalla profondità degli elettrodi e della velocità root-mean-square. Una caratterizzazione sperimentale approfondita è stata intrapresa e utilizzerà il set di dati risultante di costruire modelli di batteria predittivi. L&#39;obiettivo di questo manoscritto è sulla progettazione e procedure richieste per produrre tali dati sperimentali. Ultrasound velocimetry fornisce la maggior parte delle misurazioni e condizioni sperimentali deve essere attentamente controllata in modo da utilizzare correttamente ultrasuoni in metallo liquido. Ad alta temperatura, attività chimica, e la conducibilità elettrica devono essere tutte gestite con cura. In primo luogo, le batterie metallo liquido operano necessariamente ad alta temperatura, in quanto entrambi i metalli e il sale che li separa devono essere fuso. Una scelta promettente dei materiali, che usa litio come l&#39;elettrodo negativo, piombo-antimonio come elet positivaelettrodo, e una miscela eutettica di sali di litio come elettrolita, richiede temperature intorno a 550 ° C. Misurazione del flusso di un fluido opaca a temperature così elevate è piuttosto difficile. Trasduttori ad ultrasuoni ad alta temperatura, che separano i componenti elettro-acustici delicati dal fluido di prova con una guida d&#39;onda acustica, sono stati dimostrati 15 e commercializzati. Tuttavia, poiché i trasduttori hanno perdita di inserzione vicino 40 dB, sia per la difficoltà generale di lavorare a tali temperature, un sistema surrogata è stato scelto per studio iniziale: una batteria di metallo liquido può anche essere realizzata con sodio come elettrodo negativo, eutettico 44% piombo 56% di bismuto (di seguito, ePbBi) come elettrodo positivo, e una miscela eutettica tripla di sali di sodio (10% di ioduro di sodio, idrossido di sodio 38%, 52% di ammide di sodio) come elettrolita. Tale batteria è completamente fusa sopra 127 ° C, il che rende molto più suscettibili di studio di laboratorio. Poiché si compone di tre liquidostrati separati da densità, è soggetto alla stessa fisica come altre batterie metallo liquido. Ed è compatibile con trasduttori ad ultrasuoni prontamente disponibili, che sono valutati a 230 ° C, comporta perdite guida d&#39;onda, e costano molto meno di trasduttori ad alta temperatura. Questi esperimenti si svolgono normalmente a 150 ° C. A questa temperatura, ePbBi ha viscosità ν = 2.79 x 10 -7 m 2 / sec, diffusività termica κ = 6,15 x 10 -6 m 2 / sec, e diffusività magnetico η = 0,8591 m 2 / sec, tale che il suo numero di Prandtl è Pr = ν / κ = 4.53 x 10 -2 e il suo numero di Prandtl magnetico è Pm = ν / η = 3.24 x 10 -7. Anche se questo a bassa temperatura del liquido di chimica della batteria in metallo rende studi sul flusso molto più facile di quanto lo sarebbero in batterie più caldi, la temperatura deve essere comunque gestita con attenzione. Essere delicati dispositivi elettroacustici, trasduttori ad ultrasuoni sono susceptible ai danni da shock termico, e quindi deve essere riscaldata gradualmente. Misure ultrasuoni di alta qualità richiedono un&#39;attenta regolazione della temperatura. Ultrasound velocimetry funziona come sonar, come mostrato in Figura 1: il trasduttore emette un segnale acustico (qui, la frequenza è di 8 MHz), quindi attende echi. Misurando il tempo di volo dell&#39;eco, la distanza dal corpo eco può essere calcolata, e misurando lo spostamento Doppler dell&#39;eco, un componente della velocità del corpo può anche essere calcolato. In acqua, particelle traccianti devono essere aggiunti per produrre echi, ma senza particelle traccianti sono richiesti in metalli liquidi, un fatto che non è compreso in dettaglio, ma è tipicamente attribuito alla presenza di piccole particelle di ossido di metallo. Ogni misura è una media di tutte le particelle traccianti in un volume di interrogatorio; in questo lavoro, il suo diametro minimo è di 2 mm, ad una distanza di 30 mm dalla sonda. Sebbene ossidazione può eventualmente limitare la durata degli esperimenti, utilizzando thMetodi e descritti di seguito, abbiamo fatto misure continuamente finché 8 ore. Calcolo distanza o velocità richiede la conoscenza della velocità del suono nel fluido di prova, e che la velocità varia con la temperatura. Il lavoro qui descritto si concentra sul flusso nell&#39;elettrodo negativo ePbBi, dove la velocità del suono è 1.766 m / sec a 150 ° C, 1.765 m / sec a 160 ° C e 1.767 m / sec a 140 ° C 19. Così il controllo della temperatura inadeguata introdurrebbe errori sistematici nelle misure ultrasuoni. Un dispositivo è stato costruito per misurare la velocità del suono in ePbBi, trovando valori coerenti con quelle pubblicate e accettato dalla Energy Agency nucleare 19 (vedi sotto). Infine, poiché la convezione termica è un fattore primario di flusso nelle batterie metallo liquido, sia la temperatura media e la differenza di temperatura tra la parte superiore e inferiore dell&#39;elettrodo ePbBi influenzare direttamente osservazioni. Per risultati coerenti, precisi termicocontrollo è essenziale. Di conseguenza, la temperatura viene misurata continuamente con almeno tre termocoppie tipo K, accedendo loro misurazioni elettronicamente con un dispositivo di acquisizione computerizzata e un programma LabView custom-written. Il programma controlla anche l&#39;alimentatore che fornisce corrente della batteria, tramite una connessione USB; registra la corrente della batteria e la tensione; e invia impulsi di comando allo strumento ad ultrasuoni, in modo che i dati possano essere sincronizzati con le altre misurazioni. Un diagramma di sistema è illustrato in figura 2. Il calore è fornito da un forno su misura (anche mostrato in figura 2), che contiene due elementi riscaldanti industriali 500-W alimentati da un relè commutato da un proporzionale-integrale-differenziale (PID) controllore. La piastra di base che supporta batterie è realizzato in alluminio solido; perché la sua conduttività termica è un ordine di grandezza superiore alla conducibilità termica del acciaio stnave cellula di batteria anguilla e il ePbBi contiene 19, la temperatura del fondo del forno è approssimativamente uniforme. Inoltre la base di alluminio raddoppia come un percorso per la corrente elettrica attraverso l&#39;elettrodo. La conducibilità elettrica è anche un ordine di grandezza superiore a quella dell&#39;acciaio inossidabile o ePbBi, quindi la tensione del pavimento del forno è approssimativamente uniforme. Gambe isolanti separano la base dal banco superiore sotto, evitando bruciature e pantaloncini. I lati del vaso batteria sono isolati con isolamento in ceramica silice, tagliato per adattarsi nave da vicino, ma lasciare spazio per l&#39;accesso la porta ad ultrasuoni della cellula. Infine, un coperchio politetrafluoroetilene (PTFE) isola la cella dall&#39;alto e tiene il collettore di corrente negativo e termocoppie in posto. Sebbene piastre disponibili in commercio possono raggiungere le temperature richieste per questi esperimenti, il nostro forno fuoriserie mantiene la temperatura con un ordine di grandezza inferiore variazione, unnd anche permette di misurare direttamente il potere di calore. Oltre a problemi associati con la temperatura, ci sono problemi associati con attività chimica. A 150 ° C, un elettrodo positivo ePbBi è chimicamente compatibile con molti materiali comuni. Un elettrodo negativo di sodio, tuttavia, corrode molti materiali, ossida facilmente, e reagisce energicamente con l&#39;umidità. Un elettrodo negativo di litio è anche aggressivo, soprattutto perché le batterie metallo liquido al litio in genere eseguite a temperature molto più elevate. Anche se i sistemi più alta temperatura sono al di fuori del campo di applicazione di questo lavoro, molte delle stesse misure per la gestione attività chimica sono usati qui come in quei sistemi. Tutti gli esperimenti descritti si svolgono in un cassetto portaoggetti argon-riempita contenente solo tracce di ossigeno o umidità. Il vaso batteria è costituito da lega di acciaio inossidabile 304, che corrode minimamente anche con litio a 550 ° C. Le termocoppie e corrente negativacollettore sono anche in acciaio inox. La geometria del serbatoio viene scelto per abbinare navi utilizzate per i test elettrochimico di batterie metallo liquido, per modellare il più fedelmente possibile i sistemi che vengono commercializzati. La nave, illustrata in figura 2, è cilindrica, con un diametro interno 88,9 millimetri e una profondità 67 mm. Tutte le pareti dei vasi hanno uno spessore di 6,4 millimetri. Il vaso differisce da quelli utilizzati per gli esperimenti precedenti, tuttavia, dal fatto che presenta una porta ultrasuoni. La porta passa attraverso la parete laterale lungo un diametro orizzontale del cilindro, ed il centro del porto è di 6,6 mm dal pavimento recipiente. La porta è di 8 mm di diametro ad ospitare un trasduttore ad ultrasuoni 8 mm e guarnizioni attorno al trasduttore con un swage. In questi esperimenti, l&#39;elettrodo di metallo liquido è abbastanza profonda da coprire il trasduttore a ultrasuoni, tipicamente 13 mm. Per conseguire forti segnali ad ultrasuoni, si richiede buona trasmissione acusticatra il trasduttore a ultrasuoni e le sonde fluidificandolo (ePbBi). Massima potenza acustica viene trasmesso quando l&#39;impedenza acustica del materiale trasduttore e il fluido di prova sono identici; quando le impedenze diverse, segnali soffrono. Posizionando un trasduttore ad ultrasuoni in contatto diretto con pulito ePbBi (resa possibile dalla porta sopra descritto) fornisce ampio segnale, spesso per ore alla volta. Ossidi metallici, però, hanno differenti impedenze, e possono anche interferire con l&#39;irrorazione modificando la tensione superficiale. Se il ePbBi è sostanzialmente ossidato, segnali a ultrasuoni degradano e presto scompaiono. Ancora una volta, atmosfera inerte è essenziale. Se tracce di ossigeno causano alcuni ossidazione tuttavia, la superficie dell&#39;ossido di metallo è scremato prima di trasferire ePbBi nel recipiente della batteria. Infine, questi esperimenti presentano sfide per la presenza di correnti elettriche. Anche se le correnti sono la nostra tra scientifico e tecnologico centraleest, sono abbastanza (30 A) grande da causare danni se indirizzato in modo errato. Termocoppie senza messa a terra assicurano che le correnti elettriche pericolose non passare attraverso il dispositivo di acquisizione dati o il computer che lo sostiene, perché termocoppie senza messa a terra non hanno alcun collegamento elettrico interno dalla guaina protettiva ad uno dei fili del segnale. Allo stesso modo è indispensabile utilizzare trasduttori ad ultrasuoni senza messa a terra (Signal-Processing SA, TR0805LTH) per evitare correnti vaganti di danneggiare lo strumento ad ultrasuoni prezioso (Signal-Processing SA, DOP 3010). Come accennato in precedenza, la base del forno serve a condurre corrente elettrica, e deve anche essere elettricamente isolata dal suo ambiente. In dell&#39;elettrodo ePbBi, corrente provoca riscaldamento ohmico, potenzialmente interrompendo la temperatura. Così il sistema automatizzato di controllo termico deve essere in grado di adattarsi alle variazioni di apporto di calore. La figura 3 mostra come la temperatura dell&#39;elettrodo ePbBi varia come curaffitto scorre attraverso di essa, e come il regolatore PID regola per compensare. Mantenere la temperatura costante con correnti grandi (50 A = 800 mA / cm) richiederebbe raffreddamento addizionale, ma le correnti inferiori più realistiche per batterie metallo liquido in applicazioni industriali (tipicamente 17 A = 275 mA / cm 1), il controllore è in grado per compensare il riscaldamento ohmico premuto variazione di temperatura di 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 numero crescente di tecnologie elettrochimiche dipende flusso del fluido, e spesso che il fluido è opaco. Misurazione del flusso di un fluido opaca è intrinsecamente più difficile di misurare il flusso di un fluido trasparente, poiché i metodi ottici non sono applicabili. Ultrasuoni può essere utilizzato per misurare la velocità di un fluido opaco, non solo in punti isolati, ma a centinaia o migliaia di punti disposti lungo linee, con buona risoluzione temporale. Quando viene applicato a un elettrodo metallico liquido, ecografia velocimetria comporta ulteriori sfide: alta temperatura, attività chimica e conducibilità elettrica. Qui si descrive l&#39;apparecchiatura e metodi che consentono di superare queste sfide e consentire la misurazione del flusso in un elettrodo di metallo liquido, come conduce corrente, alla temperatura di esercizio sperimentale. La temperatura è regolata a ± 2 ° C con un controllore proporzionale-integrale-derivativo (PID) che i poteri di una fornace custom-built. L&#39;attività chimica è uomoinvecchiato scegliendo accuratamente materiali nave e che racchiude il setup sperimentale in un cassetto portaoggetti argon-riempita. Infine, percorsi elettrici non intenzionali sono accuratamente evitati. Un sistema automatizzato registra le impostazioni di controllo e misure sperimentali, utilizzando i segnali di trigger hardware per sincronizzare i dispositivi. Questo apparecchio e questi metodi possono produrre misurazioni che sono impossibili con altre tecniche, e consentire l&#39;ottimizzazione e il controllo delle tecnologie elettrochimiche come le batterie metallo liquido.

La procedura per misurare la velocità del suono (descritta in dettaglio sopra) è stato adattato da metodi utilizzati da Signal Processing-SA. In linea di massima, la velocità del suono può essere facilmente ottenuta misurando il tempo di volo di un eco da una parete a distanza nota. Ma misurare con precisione la posizione effettiva della faccia del trasduttore è difficile, così invece si può misurare il tempo di volo due volte, utilizzando un micrometro per spostare la parete da una distanza nota tra le misurazio...

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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.

Ultrasuoni misura di velocità in un metallo elettrodo Liquid

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 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.

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Echo Particle Image Velocimetry

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

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

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

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Ingegneria

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.

Scansione veloce per studiare goccia Impatto dinamica dei fluidi non newtoniani

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 metodo per manipolare Tensione superficiale di un metallo liquido tramite ossidazione superficiale e riduzione

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

Chimica

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.

Fenomeni AC elettrocinetico Generato da strutture microelettrodo

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, ...

Biologia

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.

Visivamente basato caratterizzazione del moto delle particelle incipiente in substrati regolare: da laminare a condizioni turbolente

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.

Generazione e controllo di idrodinamiche flussi in soluzioni acquose dell'elettrolito

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.

Fabbricazione e caratterizzazione dei dispositivi piezoelettrici della modalità Thickness per atomizzazione e acoustofluidica

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

Induction of Microstreaming by Nonspherical Bubble Oscillations in an Acoustic Levitation System

When located near biological barriers, oscillating microbubbles may increase cell membrane permeability, allowing for drug and gene internalization. Experimental observations suggest that the temporary permeabilization of these barriers may be due to shear stress that is exerted on cell tissues by cavitation microstreaming. Cavitation microstreaming is the generation of vortex flows which arise around oscillating ultrasound microbubbles. To produce such liquid flows, bubble oscillations must deviate from purely spherical oscillations and include either a translational instability or shape modes. Experimental studies of bubble-induced flows and shear stress on nearby surfaces are often restricted in their scope due to the difficulty of capturing shape deformations of microbubbles in a stable and controllable manner. We describe the design of an acoustic levitation chamber for the study of symmetry-controlled nonspherical oscillations. Such control is performed by using a coalescence technique between two approaching bubbles in a sufficiently intense ultrasound field. The control of nonspherical oscillations opens the way to a controlled cavitation microstreaming of a free surface-oscillating microbubble. High-frame rate cameras allow investigating quasi-simultaneously the nonspherical bubble dynamics at the acoustic timescale and the liquid flow at a lower timescale. It is shown that a large variety of fluid patterns may be obtained and that they are correlated to the modal content of the bubble interface. We demonstrate that even the high-order shape modes can create large-distance fluid patterns if the interface dynamics contain several modes, highlighting the potential of nonspherical oscillations for targeted and localized drug delivery.

A fast and reliable technique is proposed to control the shape oscillations of a single, trapped acoustic bubble that is based on coalescence technique between two bubbles. The steady-state, symmetry-controlled bubble shape oscillations allow analysis of the fluid flow generated in the vicinity of the bubble interface.

Induzione del microstreaming mediante oscillazioni di bolle non sferiche in un sistema di levitazione acustica

When located near biological barriers, oscillating microbubbles may increase cell membrane permeability, allowing for drug and gene internalization. ...

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 piattaforma di test delle prestazioni per una conduzione Micropump con una piastra elettrodo rivestito di rame 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 ...

Bioingegneria

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.

Ultrasound-based velocità dell&#39;onda di polso di valutazione nei topi

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 ...