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.システムの設定とアセンブリ<ol><li>イソプロパノールで超音波トランスデューサを清掃してください。 </li><li>グローブボックスをロードします。 <ol><li>負荷が酸素や水分の侵入を最小限にするためにグローブボックスの製造業者の説明書に従って、グローブボックスの中に（超音波トランスデューサ、ePbBi、攪拌棒、熱電対を含む）機器や材料を必要としました。 </li><li>グローブボックスに入る前に12時間グローブボックスの副室に真空下で多孔性材料を保管してください。 </li></ol></li><li>チューニングPIDコントローラ（初回のみ）。 <ol><li>実験（840グラム）で使用される電池容器内に固体ePbBiの同量を置きます。 </li><li>そこに既に存在しない場合は、電池容器の周りに炉断熱材を配置し、負極集電体および熱電対とともに、電池容器の上に蓋を配置します。 </li><li> 図に示すように、熱電対炉電力のすべての電気接続を行ってください<strong&gt; URE 2B。 </li><li>セットポイントとして150°Cを使用して、PID制御器の自動調整を開始します。注：この手順の詳細は、PIDコントローラの製造元とモデルによって異なります。コントローラは、時間の経過とともに、RTから動作温度まで、4つのフル熱サイクルを制御することによって、ここでオートチューンを使用していました。 <ol><li> 150°Cまで（コントローラをチューニングした後、デフォルトでは表示）のセットポイントを調整するには、矢印キーを使用します。 </li><li>隠されたループを入力する3秒間のループボタンを押したままに。コントローラ画面は「TUNE」を示すまでを繰り返し、ループボタンを押してください。 YESに変更するには、矢印キーを使用。 </li></ol></li><li>熱電対を挿入して、温度を監視し、ログに記録するワークステーションを使用しています。 </li><li>自動調整が完了したら、Tに従って、PIDコントローラは自動的にコントローラインタフェースを用いて選択した比例、積分、微分パラメータを記録します製造元の説明書、O。 </li></ol></li></ol> 2.音速測定<ol><li> 、実験のために少なくとも400グラムを十分ePbBiを溶融する炉を使用してください。注：必要な量は、異なる機器に変化し、ePbBiは125℃で溶融します。 <ol><li>必要に応じて、攪拌棒を使用してePbBiの上面から、それをすくい取ることにより、過剰の酸化物を除去します。 </li><li>熱電対を挿入し、温度を監視し、ログに記録するワークステーションを使用し、その後、音速測定装置に超音波トランスデューサを挿入し、漏れを防ぐためにスエージ接続を締めます。 </li></ol></li><li>音速測定装置に溶融金属を移します。 <ol><li>炉ベースの音速測定装置を配置し、徐々に温度を高め、熱衝撃を回避するために、2分のためにそこにそれを残します。 </li><li>エリアから感熱装置または材料を除去することにより、安全に転送するための準備をします。 </li><li>小さな午前を追加時の溶融金属のounts、熱衝撃は、超音波トランスデューサを損傷する可能性があるため。トランスデューサ面とマイクロメータヘッドは両方完全に水没するまでePbBiを追加します。 </li><li>音速は温度に依存するので、温度が、測定を開始する前に少なくとも5分間、1℃以内に安定したままになるまで待ちます。 </li></ol></li><li>メジャー超音波は2箇所にエコーします。 <ol><li>任意であるが既知の場所にマイクロチップを設定します。機器の製造業者が提供する手順以下のレコード超音波エコー測定、。 </li><li>マイクロメータのダイヤルを使用して、既知の距離によってマイクロメートルの先端を移動します。レコード超音波エコー測定。 </li></ol></li><li>音速測定装置から溶融金属を除去し、熱耐性の容器に保管してください。 </li><li>音速、二つの測定のそれぞれについて、エコー時間の関数としてプロットエコー振幅を決定すること。ガウス曲線をフィットさせることによってエコーを探し各図の URE 4のように、ピークをエコー。エコーピーク時間の差によって移動距離を分割して音速を計算します。 </li></ol> 3.超音波速度測定<ol><li>必要に応じて過剰の酸化物を除去し、実験（840グラム）のために十分なePbBiを溶かします。注意：最良の結果を得るには、PIDコントローラのチューニングに使用されたePbBiの同量を使用しています。 <ol><li>電池容器内に超音波トランスデューサを挿入し、炉のベースがレベル​​であることを確認して、漏れを防止するためにスエージ接続を締めます。 </li></ol></li><li>電池容器に溶融金属を転送します。 <ol><li>炉ベースに電池容器を置き、徐々に温度を高め、熱衝撃を回避するために、5分のためにそこにそれを残します。エリアから感熱装置または材料を除去することにより、安全に転送するための準備をします。 </li><li>熱衝撃は、ULに損傷を与える可能性があるため、一度に溶融金属の少量を追加します。trasoundトランスデューサ。 </li><li>音速は温度に依存するので、温度が、測定を開始する前に、150℃に達するまで待ちます。 </li></ol></li><li>装置の組み立てを完了します。 <ol><li>そこに既に存在しない場合は、電池容器の周りに炉断熱材を配置します。負極集電体および熱電対とともに、電池容器の上に蓋を置きます。すべてが正確かつ繰り返し配置されていることを確認してください。シャフトカラーはこのためにうまく機能します。 </li><li> 図の UREの （b）に示すように、電力と信号の両方のためのすべての電気的接続を行ってください。負極集電体と、すべての信号リードとの間の電気抵抗が少なくとも1MΩであることを確認し、すなわち 、意図しない電気経路が存在しないことを確認するために、抵抗計を使用してください。 </li></ol></li><li>測定を行うことを開始します。 <ol><li>ログ監視温度、ヒータ電力、バッテリ電圧、バッテリの開始現在。注：ここでは、ワークステーション実行カスタムLabVIEWコードは、対応するタイムスタンプで、すべての測定値を記録するために使用されました。 </li><li>必要に応じて超音波機器の設定を調整します。 <ol><li>受け入れモデル19によれば、適切な温度を使用して、音の速度を設定してください。以下に使用されるようにePbBi 150℃で、1760メートル/秒の速度を設定します。 </li><li>エコー深さが近接して配置されるように、パルス繰り返し周波数（典型的には0.25ミリメートル）を調整します。 </li><li>容器の奥の壁からの強いエコーが最後の数のゲートに現れるように、ゲート数を調整します。それは、トラブルシューティングの信号強度の問題のために有用な健全性チェックを提供します。 </li><li>製造業者が提供する指示を使用して、ハードウェアトリガするための機器を設定します。 </li></ol></li><li>ワークステーションからトリガー開始することにより、超音波機器でのロギングおよび監視速度を開始します。 30秒あたりのレコード4速度プロファイル分。 </li></ol></li><li> 5 Aにバッテリ電流を設定し、流れが安定するのを5分待ってから、30分の1秒あたり4の速度プロファイルを記録します。 </li><li> 10 A、15 A、20 A、25 A、30 Aの手順を繰り返し3.5 注：多くの他の実験計画は、温度変化や電流の滑らかな変化を含むことも可能です。酸素や水分の雰囲気の低いが時間以上良好な信号品質を用いた実験が可能になります。 </li><li>実験が完了したら、データのロギングを停止し、炉の電源をオフにします。電気的接続を切断し、炉のふたを取り外します。容器を充填する際に使用した安全な転送のために同じ手順を使用して、電池容器から溶融金属を除去します。暑さに強い容器内の溶融ePbBi保管してください。グローブボックスに追加のアルゴンを追加します。その雰囲気が冷えると、その圧力が低下します。 </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

超音波技術は、透明または不透明な流体中の位置の数百または数千に毎秒多数回の速度測定値を生成することができます。液体金属電極に印加され、超音波技術は、高温、化学的活性、および導電性の課題に直面します。これらの課題を克服し、活性液体金属電極で流量を測定するための方法が記載されています。まず、同一の物理として高温液体金属電池の電極（550°C）が、動作において?...

液体金属電池は、世界的な電気グリッド1に大規模なエネルギー貯蔵を提供するための有望な技術です。これらの電池は、グリッドスケールエネルギー格納部3に最適です、高エネルギー密度、高出力密度、長寿命、低コストを提供します。エネルギーグリッドに液体金属電池を導入することは、ピークシェービングを可能にするグリッドの安定性を向上させ、太陽光、風力、潮力などと断続的な再生可能エネルギーのはるかに広範囲に使用することが可能になります。前のワーク1に詳細に記載されるように液体金属電池は、溶融塩電解質によって分離された2つの液体金属電極で構成されています。金属と電解質の多くの異なる組み合わせが機能して液体金属電池をもたらすことができるが、動作原理は同じまま。金属は、それらの合金を形成することがエネルギー的に有利であるように選択されます。このように合金化は、それを電池を放電し、脱合金化料金。 SAそれにより、システムの電気制御を与える、金属イオンは、2つの電極間を通過することを可能にするが、中性種のブロックを転送するようにLT層が選択されます。 この作品は、質量輸送の影響を定量化し、制御することにより、液体金属電池技術を推進します。ここで説明する方法は、Sadoway らによって液体金属電池用に開発された電気化学的方法により通知されます。1-4と同様に、以前の液体金属電池のアルゴンヌ国立研究所5,6での作業、およびより広範な電気化学コミュニティ（バードとフォークナーの仕事7）多くの関連する参考資料を紹介します。ここで説明する方法はまた、前の流体力学の研究に基づいて構築します。超音波速度測定が開発され、最初に水8,9で使用され、以来、ガリウム10,11を含む液体金属に適用されている、ナトリウム12,13、水銀14、鉛-ビスマス15を 、銅-スズ15 &lt;ました/ SUP&gt;、および鉛リチウム16を 、とりわけ。エッカートら液体金属17で速度測定の有用なレビューを提供しています。 ここ18記載のものと同様の方法を用いた最近の研究は、バッテリ電流が液体金属電極に物質輸送を高めることができることを示しています。正極中の物質輸送は、液体金属電池の充放電における律速段階であるため、混合は、したがって、他の方法で可能であるよりも速い充放電を可能にします。また混合は、電池のサイクル寿命を制限する固体を形成することができる電極の局所不均一性を防止します。進行中の作業では、我々が原因の熱と電磁力の発生する液体金属電池の正極における流体の流れの役割を研究し続けています。温度勾配は、浮力を介して対流を駆動し、バッテリ電流が打者によって誘導される磁界との相互作用によって流れを駆動しますY電流そのもの。以下に記載する方法を用いた実験では、我々は、電極の深さ及び二乗平均平方根速度から算出さレイノルズ数50 &lt;再&lt;200で流れを観察しました。徹底した実験的な特徴付けは行われていると予測バッテリーモデルを構築するために、得られたデータセットを使用します。本稿の焦点は、実験計画、そのようなデータを生成するために必要な手順です。超音波速度測定は、測定値の大部分を提供し、実験条件は慎重に液体金属で正常に超音波を使用するために制御されなければなりません。高温、化学的活性、及び電気伝導度は、すべて慎重に管理する必要があります。 まず、液体金属電池は、必ずしも金属およびそれらが溶融でなければならない分離塩の両方ので、高温で動作します。正ELECとして負極にリチウムを使用した材料の1つの有望な選択肢は、鉛アンチモンtrode、及び電解質としてリチウム塩の共晶混合物は、550℃付近の温度を必要とします。このような高温での不透明な流体の流れを測定することは非常に困難です。音響導波路と試験流体から繊細な電気音響成分を分離高温超音波トランスデューサは、15を示し、商品化されています。しかしながら、トランスデューサは40デシベル近く挿入損失を有し、なぜならそのような温度での作業の一般的な難しさのため、代行システムは、初期研究のために選択されているので、液体金属電池は、負極としてナトリウムを使用して作製することができる、共晶44％は、電解質として正極として56％のビスマス（以下、ePbBi）、及びナトリウム塩の三重共晶混合物（10％ヨウ化ナトリウム、38％水酸化ナトリウム、52％のナトリウムアミド）を導きます。このような電池は、実験室での研究と、それははるかに順応すること、127℃以上、完全に溶融します。それは、3つの液体で構成されているので密度によって分離された層は、それが他の液体金属電池と同じ物理学の対象となります。そして、それは、導波路の損失を伴わず、高温のトランスデューサよりもはるかに少ない費用、230℃まで評価され、容易に入手可能な超音波トランスデューサとの互換性があります。これらの実験は、典型的には150℃で行われます。その温度で、ePbBiはプラントル数となるように粘度ν= 2.79×10 -7 M 2 /秒、熱拡散率κ= 6.15×10 -6 M 2 /秒、磁気拡散率η= 0.8591メートル2 /秒を有しますPR =ν/κ= 4.53×10 -2とその磁気プラントル数は、PM =ν/η= 3.24×10 -7です。 この低温液体金属電池の化学的性質は、彼らが熱い電池になるであろうよりも、流れの研究ははるかに容易になりますが、温度は、それにもかかわらず、慎重に管理する必要があります。繊細な電気音響機器なので、超音波トランスデューサはsusceptiblです熱衝撃による損傷に電子ので、徐々に加熱しなければなりません。高品質の超音波測定はまた注意深い温度制御を必要とします。 図1に示すように、超音波速度測定は、ソナーのように動作します：変換器からビープ音が鳴ります（ここでは、周波数が8MHzである）は、エコーを待機します。エコーの飛行時間を測定することにより、エコー体までの距離を計算することができ、エコーのドップラシフトを測定することにより、体の速度の成分は、計算することができます。水では、トレーサ粒子がエコーを生成するために加えなければならない、しかし、トレーサー粒子は、液体金属にはない詳細に理解されるが、一般的に小さな金属酸化物粒子の存在に起因することを必要とされません。各測定は調査体積内のすべてのトレーサ粒子の平均値です。この作品では、その最小直径は、プローブからの距離30ミリメートルで、2mmです。酸化は、最終的に目を使用して、実験の持続時間を制限することができるもののE法は、我々は限り8として時間連続して測定を行っている、以下に説明します。 距離または速度のいずれかを計算することは、試験流体中の音速を知ることが必要であり、その速度は、温度に応じて変化します。ここで説明する作業は140°C 19で160℃で1765メートル/秒、および1767メートル/秒、音の速度は150℃で1766メートル/秒であるePbBi負極、のフローに焦点を当てています。したがって、不適切な温度制御は、超音波測定における系統誤差を導入します。デバイスは、（下記参照）原子力機関19から発行され、受け入れられたものと一致した値を見つけ、ePbBi中の音速を測定するために構築しました。熱対流は、液体金属電池のフローの主な要因は、両方の平均温度とePbBi電極の上部と下部との温度差があるので、最終的に、直接観察に影響を与えます。一貫性のある結果を得るためには、正確な熱制御が不可欠です。 したがって、温度は、コンピュータベースの集録デバイスやカスタム書かれたLabVIEWプログラムで電子的に測定を記録する、少なくとも3、K型熱電対を用いて継続的に測定されます。プログラムは、USB接続を介して、電池電流を供給する電源を制御します。バッテリ電流および電圧を記録します。そのデータは他の測定値と同期させることができるように、超音波機器にトリガパルスを送信します。系統図を図2に示されている。熱は、比例-積分-微分（PID）によって切り替えリレーによって供給2 500-W工業加熱要素を含む特注の炉（また、 図2に示される）によって提供されますコントローラ。バッテリセルを支持するベース板は固体アルミニウムで作られ、その熱伝導率はステンレスSTの熱伝導率よりも桁違いに高いためウナギ電池容器とePbBiそれが19を含む炉床の温度がほぼ均一です。またアルミベースは、電極を通過する電気電流の経路を兼ねます。その電気伝導度はまた、ステンレス鋼またはePbBiよりも高い大きさのオーダーであるため、炉床の電圧もほぼ均一です。絶縁足は火傷やショートを防止すること、トップ下のベンチからベースを分離します。電池容器の側面は密接に容器にフィットするが、細胞の超音波ポートにアクセスするための余地を残してカットシリカセラミック絶縁体で絶縁されています。最後に、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）蓋が上からセルを絶縁し、代わりに、負極集電体および熱電対を保持しています。市販のホットプレートは、これらの実験のために必要な温度を達成することができますが、私たちのカスタム構築された炉は、大きさがあまり変化、Aの順で温度を維持しますNDはまた、私たちが直接熱電力を測定することができます。 温度に関連する課題に加えて、化学的活性に関連した課題があります。 150℃で、ePbBi正極は、多くの一般的な材料と化学的に互換性があります。ナトリウム負極は、しかしながら、多くの材料を腐食容易に酸化し、水分と激しく反応します。リチウム系液体金属電池は、典型的にははるかに高い温度で実行するため、特に、リチウム負極も、攻撃的です。これらのより高い温度システムは、この作業の範囲外であるが、化学的活動を管理するための同じ措置の多くは、これらのシステムのように、ここで使用されています。ここで説明する全ての実験は、酸素や水分の唯一の微量を含むアルゴン充填グローブボックス内で行われます。電池容器を550℃であっても、リチウムと最小限の腐食合金304ステンレス鋼から作られます。熱電対と負電流コレクタはまた、ステンレス鋼から作られています。容器の形状は、液体金属電池の電気化学的試験のために使用される血管に合わせて可能な限り厳密に商品化されているシステムをモデル化するように選択されます。 図2に示されている容器は、88.9ミリメートル、内径67ミリメートルの深さと、円筒形です。すべての血管壁6.4 mm厚です。容器は、超音波のポートを有していることで、しかし、以前の実験に使用したものとは異なります。ポートは、シリンダの水平直径に沿って側壁を通過し、ポートの中心は、血管床上6.6ミリメートルです。ポートは8 8ミリの超音波トランスデューサを収容するために、直径ミリメートル、およびスエージと変換器の周りのシールです。これらの実験では、液体金属電極は、超音波トランスデューサー、典型的には13ミリメートルをカバーするのに十分な深さです。 強力な超音波信号を達成するためには、良好な音響伝達を必要とします超音波トランスデューサ及び流体それプローブ（ePbBi）の間。トランスデューサ材料の音響インピーダンスと試験流体が同一であるとき、最大音響出力が送信されます。インピーダンスが異なる場合、信号が被ります。一度に多くの場合、時間のクリーンePbBi（前述のポートが可能になるように）十分な信号を提供する、と直接接触して超音波変換器を配置します。金属酸化物は、しかしながら、非常に異なるインピーダンスを有し、また、表面張力を変化させることによって濡れを妨害し得ます。 ePbBiが実質的に酸化されている場合は、超音波信号が劣化し、すぐに消えます。ここでも、不活性雰囲気が不可欠です。微量の酸素がそれにもかかわらず、いくつかの酸化を引き起こしている場合、金属酸化物の表面は、電池容器にePbBiを転送する前に脱脂されます。 ための電気電流の存在の最後に、本これらの実験は課題。電流は、当社の中央科学技術の間であるがESTは、彼らは間違ってルーティングされた場合に損傷を引き起こすのに十分（30 A）大きいです。非接地の熱電対は、接地されていない熱電対は、信号線のいずれかに保護鞘からは内部の電気的​​な接続を持っていないため、有害な電気電流は、データ収集装置またはそれをサポートするコンピュータを通過しないことを確認してください。同様に、それは、貴重な超音波装置（信号処理SA、DOP 3010）損傷からの迷走電流を防止するために接地されていない超音波トランスデューサ（信号処理SA、TR0805LTH）を使用することが必須です。前述のように、炉のベースは、電流を伝導するためのものであり、また、その周囲から電気的に絶縁されなければなりません。 ePbBi電極では、電流は、潜在的に温度を破壊し、オーム加熱を引き起こします。このように自動化された熱制御システムは、熱入力の変化に適応することができなければならない。ePbBi電極の温度がCURとしてどのように変化するかを図3に示す図家賃は、それを通って流れ、そしてどのようにPIDコントローラが補償するように調整されます。大電流（50 A = 800ミリアンペア/ cm）ので定常温度を維持するには、追加の冷却を必要とするが、より低い電流でより現実的な液体金属電池の産業用途（典型的には17 A = 275ミリアンペア/ cmの1）で、コントローラができるだろうオーム加熱を補償し、2℃に温度変化を保持します。

<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

電気化学的技術の成長数は、流体の流れに依存し、多くの場合、流体は不透明です。光学的方法が適用されないので、不透明な流体の流れを測定することは、本質的に透明な流体の流れを測定するよりも困難です。超音波は、良好な時間分解能を有する、単離された点ではなく、ラインに沿って配列された点の数百または数千ではないだけで、不透明な流体の速度を測定することができます。高温、化学的活性、および導電性液体金属電極に適用した場合、超音波速度測定は、追加の課題を伴います。ここでは、実験装置と、これらの課題を克服し、それが運転温度で、電流を流すように、液体金属電極に流量の測定を可能にする方法が記載されています。温度は力特注の炉比例·積分·微分（PID）コントローラを使用して±2℃以内に制御されています。化学的活性は男です慎重に容器材料を選択し、アルゴンを充填したグローブボックス内の実験を囲んで熟成さ。最後に、意図しない電気経路を慎重に防止されます。自動化システムは、デバイスを同期するために、ハードウェア·トリガ信号を用いて、制御設定と実験測定値を記録します。この装置及び方法は、これらの他の技術では不可能である測定値を生成し、最適化し、液体金属電池のような電気化学的技術の制御を可能にすることができます。

（上で詳述）音速を測定するための手順は、信号処理SAによって使用される方法から適合させました。原理的には、音速を容易に知られている範囲で、壁からのエコーの飛行時間を測定することにより求めることができます。しかし、正確にトランスデューサ面の効果的な位置を測定することは困難であるので、その代わりに一つの測定値との間の既知の距離によって、壁を変位させるマイ?...

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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.

液体金属電極中の超音波速度計測

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 ビュー.  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.

エコー粒子画像流速測定法

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

工学

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.

表面弾性波駆動型アコースティック·逆流マイクロフルイディクスで製作、操作と流れの可視化

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.

非ニュートン流体の落下衝撃ダイナミクスを研究するための高速撮像法

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.

表面酸化と還元を経て液体金属の表面張力を操作する方法

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

化学

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.

マイクロ電極の構造によって生成されたAC動電現象

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, ...

生物学

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.

視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

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.

電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

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.

微粒化およびアユースト流体のための厚さモード圧電デバイスの作製と特性

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.

パフォーマンス テスト用 FR 4 銅クラッド電極に伝導マイクロ ポンプ

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

生物工学

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.

マウスにおける超音波ベースのパルス波速度の評価

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 ...

液体金属電極中の超音波速度計測

要約

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この動画の章

エコー粒子画像流速測定法

表面弾性波駆動型アコースティック·逆流マイクロフルイディクスで製作、操作と流れの可視化

非ニュートン流体の落下衝撃ダイナミクスを研究するための高速撮像法

表面酸化と還元を経て液体金属の表面張力を操作する方法

マイクロ電極の構造によって生成されたAC動電現象

視覚に基づいた正規の基板の初期粒子の運動特性: 層流乱流の条件から

電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

微粒化およびアユースト流体のための厚さモード圧電デバイスの作製と特性

パフォーマンステスト用 FR 4 銅クラッド電極に伝導マイクロポンプ

マウスにおける超音波ベースのパルス波速度の評価

液体金属電極中の超音波速度計測

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パフォーマンス テスト用 FR 4 銅クラッド電極に伝導マイクロ ポンプ

マウスにおける超音波ベースのパルス波速度の評価

パフォーマンステスト用 FR 4 銅クラッド電極に伝導マイクロポンプ