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.

1. 시스템 설치 및 조립 <ol><li> 이소프로판올와 초음파 변환기를 청소합니다. </li><li> 글러브 박스를로드합니다. <ol><li> 로드 필요한 장비와 산소 및 수분의 유입을 최소화하기 위해 글러브 박스 제조업체의 지침에 따라, 글러브 박스에 (초음파 변환기, ePbBi, 볶음 스틱 및 열전대 포함) 소재. </li><li> 글러브 박스에 들어가기 전에 12 시간 동안 글러브 박스의 대기실에서 진공 상태에서 다공성 물질을 보관하십시오. </li></ol></li><li> 조정 PID 제어기 (만 처음). <ol><li> 실험 (840g)에 사용되는 배터리 용기에 고체 ePbBi의 같은 양을 놓습니다. </li><li> 이 있지 않은 경우 배터리 용기 주위로 절연을 놓고 부정적인 집과 열전대와 함께 배터리 용기 위에 뚜껑을 놓습니다. </li><li> 에 나타낸 바와 같이, 열전대와로 전력에 대한 모든 전기 연결 확인 <strong&gt; URE 2B. </li><li> 설정 점 150 ° C를 사용하여, PID 제어기의 자동 튜닝을 시작합니다. 참고 :이 단계의 세부 사항은 PID 제어기 제조 업체와 모델에 따라 다를 수 있습니다. 시간에 걸쳐, RT에서 작동 온도 네 전체 냉열 사이클을 제어함으로써, 자동 동조 여기서 사용되는 제어기를 포함한다. <ol><li> 150 ° C 내지 (제어기 튜닝 후 기본적으로 표시) 세트 포인트를 조절하기 위해 화살표 키를 사용한다. </li><li> 눌러 숨겨진 루프를 입력 할 3 초 동안 루프 버튼을 누르고 있습니다. 컨트롤러 화면이 &quot;조정&quot;이 표시 될 때까지 반복 루프 버튼을 누릅니다. YES로 변경하려면 화살표 키를 사용합니다. </li></ol></li><li> 열전대를 삽입하고 모니터링하고 온도를 기록하는 워크 스테이션을 사용합니다. </li><li> 자동 조정이 완료되면, t를 따라, PID 제어기는 자동 컨트롤러 인터페이스를 이용하여 선택한, 비례, 적분 및 미분 파라미터를 기록제조업체의 지시 오. </li></ol></li></ol> 2. 음속 측정 <ol><li> 실험을 위해 적어도 400g을 충분히 ePbBi을 녹여 노를 사용합니다. 주 : 필요한 양은 다른 장비에 따라 달라질 것이며, ePbBi은 125 ℃에서 녹는다. <ol><li> 필요한 경우, 교반 스틱을 사용하여 ePbBi의 상부면에서 그것을 감추고에 의해 초과 산화물을 제거합니다. </li><li> 소리의 속도 측정 장치에 초음파 변환기를 삽입하고 누수를 방지하기 위해 스웨이지 연결을 강화하고 열전대를 삽입하고 모니터링하고 온도를 기록하는 워크 스테이션을 사용합니다. </li></ol></li><li> 소리의 속도 측정 장치에 용탕을 전송. <ol><li> 노베이스 음속 측정 장치를 배치하고, 점차적으로 온도를 증가 및 열적 충격을 방지하기 위해 2 분 동안 거기에두고. </li><li> 지역에서 열에 민감한 장비 나 물질을 제거하여 안전한 전송을 위해 준비합니다. </li><li> 작은 오전 추가열충격이 초음파 변환기를 손상시킬 수 있기 때문에 시간에 용탕 ounts. 트랜스 듀서의 얼굴과 마이크로 미터 헤드가 모두 완전히 침수 될 때까지 ePbBi를 추가합니다. </li><li> 소리의 속도는 온도에 의존하기 때문에 온도가 측정 시작하기 전에 최소 5 분 동안 1 ° C 내에서 안정적으로 유지 될 때까지 기다립니다. </li></ol></li><li> 측정 초음파는 두 위치에서 메아리. <ol><li> 임의하지만 알려진 위치로 마이크로 미터 팁을 설정합니다. 장비 제조업체에서 제공 한 지침에 따라 기록 초음파 에코 측정. </li><li> 마이크로 미터 다이얼을 사용하여, 공지의 마이크로 미터의 거리만큼 팁을 이동. 녹음 초음파 에코 측정. </li></ol></li><li> 음속 측정 장치에서 용융 금속을 제거하고 열 내성 용기에 보관. </li><li> 소리의 속도, 두 측정마다 에코 시간의 함수로서 플롯 에코 진폭을 결정한다. 가우스 곡선 피팅하여 에코를 찾습니다각 그림의 URE 4에서와 같이 피크를 에코. 에코 피크 시간에서의 차이에 의해 변위량 나눈 사운드 속도를 계산한다. </li></ol> 3. 초음파 속도 측정 <ol><li> 실험 (840g)에 대한 충분한 ePbBi 용융 필요한 경우 초과 산화물을 제거하는 단계를 포함한다. 참고 : 최상의 결과, 조정 PID 제어기를 사용 ePbBi의 동일한 양을 사용하십시오. <ol><li> 배터리 용기에 초음파 변환기를 삽입하고 노베이스 수준 보장, 누수를 방지하기 위해 스웨이지 연결을 조입니다. </li></ol></li><li> 배터리 용기에 용융 금속을 전송합니다. <ol><li> 노베이스에 배터리 용기를 놓고 서서히 온도를 증가시키고 열 충격을 방지하기 위해 5 분 동안 거기에 둡니다. 지역에서 열에 민감한 장비 나 물질을 제거하여 안전한 전송을 위해 준비합니다. </li><li> 열충격이 UL에 손상을 줄 수 있기 때문에, 한 번에 용융 금속을 소량 추가잰 솔리드 씨는 변환기. </li><li> 소리의 속도는 온도에 의존하기 때문에 온도가 측정 시작 전에 150 ° C를 도달 할 때까지 기다립니다. </li></ol></li><li> 장치의 조립 완료. <ol><li> 이 있지 않은 경우 배터리 용기 주위로 절연을 놓습니다. 음극 집 전체 및 열전대와 함께, 배터리 용기 위에 뚜껑을 놓습니다. 모두가 정확하고 반복적으로 배치되어 있는지 확인; 샤프트 목걸이이 잘 작동합니다. </li><li> 도의 URE의 (b)에 도시 된 바와 같이, 전원 및 신호들 모두에 대한 모든 전기적 연결을 확인하십시오. , 의도하지 않은 전기 경로 즉, 존재하지 않는 것을 확인하기 위해 저항계를 사용하여 음의 집과 모든 신호 리드 사이의 전기 저항이 최소 1 MΩ되어 있는지 확인합니다. </li></ol></li><li> 측정을 시작합니다. <ol><li> 로깅 및 모니터링 온도, 히터 전원, 배터리 전압, 배터리 시작현재. 참고 : 여기에, 워크 스테이션 실행 사용자 정의 LabVIEW 코드는 모든 측정 값을 기록하는 데 사용 된, 해당 타임 스탬프와 함께. </li><li> 필요에 따라 초음파 장비 설정을 조정합니다. <ol><li> 수용 모델 (19)에 따라 적절한 온도를 사용하여 사운드 속도를 설정해야합니다. 아래에 사용 된 150 ° C에서 ePbBi를 들어, 1,760m / 초 속도를 설정합니다. </li><li> 펄스 반복 주파수 울림 깊이는 근접하게 이격되어 (일반적으로 0.25 mm)를 조정한다. </li><li> 용기의 벽으로부터 멀리 강한 에코가 최후의 게이트에 표시되도록 게이트 수를 조정한다; 이 문제 해결의 신호 강도 문제에 대한 유용한 전성 검사를 제공합니다. </li><li> 제조업체에서 제공 한 지침을 사용하여, 하드웨어 트리거링 악기를 설정합니다. </li></ol></li><li> 워크 스테이션에서 트리거 시작하여 초음파 장비와 로깅 및 모니터링 속도를 시작합니다. 30 초당 기록 네 속도 프로파일분. </li></ol></li><li> 5의 배터리 전류를 설정, 흐름이 안정을 위해 5 분을 기다린 다음 30 분 동안 초당 네 속도 프로파일을 기록합니다. </li><li> 10, 15, 20, 25, 30 (A) 단계를 반복 3.5 참고 : 다른 많은 실험 계획은 온도 변화와 현재의 부드러운 변화를 포함하여, 또한 가능하다. 산소와 수분에 대기 낮은 시간 이상 좋은 신호 품질 실험을 할 수 있습니다. </li><li> 실험이 완료되면, 데이터 로깅 중지로 전원을 끄십시오. 전기 연결을 분리하고 노 뚜껑을 제거합니다. 용기를 충전 할 때 사용 된 안전한 전송을위한 동일한 방법을 사용하여, 배터리 용기로부터 용융 금속을 제거한다. 열 허용 용기에 용융 ePbBi를 저장합니다. 글러브 박스에 추가 아르곤을 추가; 그 분위기가 냉각로의 압력이 떨어질 것이다. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

초음파 기술은 투명 또는 불투명 한 액체에 수백 또는 위치의 수천, 초당 여러 번에서 속도 측정을 생성 할 수 있습니다. 액체 금속 전극에인가, 초음파 기술은 높은 온도, 화학적 활성 및 전기 전도성의 문제가 발생. 이러한 문제점을 극복하고 활성화 된 액체 금속 전극의 흐름을 측정하기위한 방법이 설명되었다. 첫째, 동일한 물리학 고온 액체 금속 전지 전극 (550 ° C)에서 작동하지만, 훨씬 낮은...

액체 금속 전지는 세계적인 전기 그리드 (1) 상에 대규모 에너지 저장을 제공하기위한 유망한 기술이다. 이 배터리는 그리드 스케일 에너지 저장 3 이상적, 높은 에너지 밀도, 높은 출력 밀도, 긴 수명, 및 낮은 비용을 제공한다. 피크 면도을 허용 그리드의 안정성을 향상시키고, 태양 광, 풍력 및 조력 발전과 같은 간헐적 신 재생 에너지 원의 훨씬 더 광범위한 사용을 가능하게 할 에너지 그리드에 액체 금속 배터리를 소개합니다. 이전 작업 1에서 더 상세히 설명한 바와 같이 액체 금속 전지, 용융 염 전해에 의해 분리 된 두 개의 액체 금속 전극으로 구성되어있다. 금속과 전해액의 많은 상이한 조합이 작동 액체 금속 전지 초래할 수 있지만, 동작 원리는 동일하게 유지. 금속은 그들 합금을 형성하기 위해 에너지 적으로 유리한 것으로 선택된다; 따라서, 합금은 배터리를 배출하고, 탈 합금화 전하 그것. SA그것이하여 전기 제어 시스템을 수득 금속 이온이 두 개의 전극 사이를 통과하도록 허용하지만, 중성 종의 블록 전송되도록 LT 층이 선택된다. 이 작품은 정량화 및 물질 전달 효과를 제어하여 액체 금속 배터리 기술을 진출하게됩니다. 여기에 설명 된 방법은 Sadoway 등으로 액체 금속 배터리 개발 전기 화학적 방법으로 통보한다. 1-4뿐만 아니라 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory) 5,6에서 이전 액체 금속 배터리 작업, 그리고 광범위한 전기 공동체의 일 (바드와 포크너를 7) 많은 관련 참조를 제공합니다. 여기서 설명하는 방법은 이전에 유체 역학 연구에 구축 할 수 있습니다. 초음파 유속계 개발과 처음으로 물 8, 9에 사용 된 이후 갈륨 10, 11, 12, 13 나트륨, 수은 (14)를 포함하는 액체 금속에 적용되었습니다했다, 구리 - 주석 (15) (15) &lt;납 - 비스무스/ SUP&gt;, 납 - 리튬 다른 사람의 사이에서 (16). 커트 등. 액체 금속 (17)에 속도계의 유용한 리뷰를 제공합니다. 여기에 18 설명한 것과 유사한 최근 작업 사용 방법은 배터리 전류가 액체 금속 전극에 대량 전송을 향상시킬 수 있음을 보여 주었다. 정극 대량 수송이 액체 금속 배터리 충 방전에서 속도 제한 단계이기 때문에, 혼합 따라서 달리 가능한 것보다 더 빠른 충전 및 방전을 허용한다. 또한, 혼합은 전지의 사이클 수명을 제한 고형물을 형성 할 수있는 전극, 로컬 불균일성을 방지한다. 진행중인 연구에서는 때문에 열적 전자기력 발생 액체 금속 전지의 양극에서의 유체 유동의 역할을 연구하는 것을 계속한다. 열 구배는 부력을 통한 대류 흐름을 이용시, 배터리 전류는 반죽에 의한 자계와의 상호 작용에 의해 유동을 이용시Y 전류 자체. 후술하는 방법을 사용하여 실험에서는 전극 깊이 제곱 평균 속도로부터 산출 레이놀즈 수 50 &lt;재 &lt;200으로 흐름을 관찰했다. 철저한 실험 특성화 수행되는 예측 배터리 모델을 구축하기 위해 생성 된 데이터 세트를 사용한다. 이 원고의 포커스는 실험 디자인과 같은 데이터를 생성하기 위해 필요한 절차에있다. 초음파 유속계는 측정의 벌크를 제공하고, 실험 조건은 신중 액체 금속에서 초음파를 성공적으로 사용하기 위해 제어되어야한다. 고온, 화학 활동 및 전기 전도도는 모든 신중하게 관리해야합니다. 첫째, 액체 금속 배터리는 반드시 고온에서 작동 금속 및 그 용융해야 분리 소금 모두 있기 때문이다. 긍정적 인 ELEC과 음극으로 리튬을 사용하는 재료 중 하나는 유망한 선택은, 납, 안티몬trode 및 전해질로서 리튬 염의 공융 혼합물은, 550 ° C의 주위 온도를 요구한다. 이러한 높은 온도에서 불투명 유체의 흐름을 측정하는 것은 매우 곤란하다. 음향 도파로 시험액으로부터 섬세 전기 음향 부품을 분리 고온 초음파 트랜스 듀서 (15)를 증명 및 상용화되고있다. 트랜스 듀서는 40dB 근처 때문에 이러한 온도에서 작업의 일반적인 어려움의 삽입 손실을 가지고 있기 때문에, 대리 시스템은 초기의 연구를 위해 선택되었다 : 액체 금속 전지는 음극, 공융으로 나트륨을 사용하여 제조 될 수있다 44 % 56 정극 %에 비스무트 (이하, ePbBi) 및 전해질로서 나트륨 염 (10 % 요오드화 나트륨, 38 % 수산화 나트륨, 52 % 나트륨 아미드)의 트리플 공융 혼합물 리드. 이러한 배터리는 실험실 연구에 훨씬 더 순종하고, 127 ° C 이상 완전히 용융입니다. 그것은 세 가지 액체로 구성되어 있기 때문에밀도에 의해 분리 된 층은, 다른 액체 금속 배터리와 같은 물리학이 적용됩니다. 그리고 어떠한 도파로 손실을 수반하지 않고, 고온 센서보다 훨씬 적은 비용으로, 230 ° C로 평가하고 쉽게 구할 초음파 트랜스 듀서와 호환된다. 이 실험은 일반적으로 150 ℃에서 이루어집니다. 그 프란 틀 수가되도록 상기 온도에서, ePbBi는 점도 ν를 갖는다 = 2.79 X 10-7 m 2 / 초, 열 확산율의 κ = 6.15 × 10 -4 m 2 / 초, 자기 확산 η = 0.8591 m 2 / 초, PR = ν / κ = 4.53 × 10 -2과 자기 프란 틀 수는 오후 = ν / η = 3.24 × 10 -7입니다. 이 저온 액체 금속 배터리 화학 그들이 뜨거운 배터리의 것보다 흐름 연구 훨씬 쉽게하지만, 온도는 그럼에도 불구하고 신중하게 관리해야합니다. 민감한 전기 음향 장치이기 때문에, 초음파 트랜스 듀서이다 susceptibl전자는 열 충격에 의해 손상하기 때문에 점차적으로 가열해야합니다. 고품질 초음파 측정은 또한 조심 온도 조정을 필요로한다. 그림 1과 같이 초음파 유속계는, 수중 음파 탐지기처럼 작동 : 변환기는 다음 에코를 수신 (여기서, 주파수 8 MHz의 경우)에서 경고음이 발생합니다. 에코의 비행 시간을 측정함으로써, 반향 체까지의 거리를 산출 할 수있어, 에코의 도플러 이동을 측정함으로써, 인체의 속도 성분 중 하나는 계산 될 수있다. 물에서, 트레이서 입자 에코를 생성하기 위해 추가되어야하지만 트레이서 입자는 액체 금속 않고 상세히 이해 되나 통상적으로 작은 금속 산화물 입자의 존재에 기인 사실 요구되지 않는다. 각각의 측정은 심문 볼륨의 모든 추적 입자에 비해 평균; 이 연구에서, 최소 직경은 프로브으로부터의 거리 30mm에서 2 mm이다. 비록 산화 결국 제를 사용하여, 실험 기간을 제한 할 수있다전자의 방법은 우리는 긴 팔과 같은 시간 동안 연속 측정을 한, 아래에 설명. 거리 또는 속도를 계산하는 시험 유체의 소리의 속도를 알고 있어야하고, 그 속도는 온도에 따라 달라진다. 여기에 설명 된 작품은 140 ° C (19) 160 ° C에서 1,765m / 초, 그리고 1,767m / 초, 소리의 속도는 150 ° C에서 1,766m / 초이다 ePbBi 음극의 흐름에 초점을 맞추고 있습니다. 따라서 불충분 한 온도 제어가 초음파 측정 체계적인 에러를 도입한다. 장치 (아래 참조) 원자력 에너지기구 (19)에 의해 출판이를 수락와 일치 값을 찾는 ePbBi에서 소리의 속도를 측정하기 위해 건설되었다. 열대 류는 액체 금속 전지의 흐름의 기본 드라이버 모두 평균 온도 및 ePbBi 전극의 상부 및 하부 사이의 온도차 때문에 마지막으로, 직접 관찰에 영향을 미친다. 일관된 결과를 들어, 정확한 열제어는 필수적이다. 따라서, 온도가 컴퓨터 기반의 획득 장치 및 맞춤 기록 LabVIEW 프로그램과 전자적 측정 로깅, 적어도 세 K 형 열전대 계속 측정된다. 프로그램은 또한 USB 접속을 통해, 배터리 전류를 제공하는 전원을 제어한다; 배터리 전류와 전압을 기록; 그 데이터는 다른 측정치와 동기화 될 수 있도록하고, 초음파 장비에 트리거 펄스를 전송한다. 시스템도가도 2에 도시되어있다. 열은 비례 - 적분 - 미분에 의해 전환 릴레이에 의해 구동 두 500-W 산업용 가열 요소를 포함한다 (PID) (또한,도 2에 도시 됨) 맞춤형 노에 의해 제공된다 컨트롤러. 전지 셀을 지원하는베이스 플레이트 고체 알루미늄으로 제조되고; 열전도율은 크기 순서는 스테인레스 명세서의 열전도율보다 높기 때문에장어 전지 셀 용기 (19)가 포함 ePbBi는 노 바닥의 온도가 대략 균일하다. 또한 알루미늄베이스 전극을 통과하는 전기 전류 경로 두배. 그 전기 전도도는 스테인리스 스틸 또는 ePbBi보다 높은 크기의 순서이므로, 노 바닥의 전위는 대략 균일하다. 절연 다리 화상과 반바지를 방지 맨 아래 벤치에서 받침대를 분리합니다. 전지 용기의 측면 밀접 용기 적합하지만 세포의 초음파 포트에 액세스하기위한 공간을 확보하기 위해 절단 실리카 세라믹 절연체로 절연된다. 마지막으로, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) 뚜껑 위에서 세포를 단열 제자리에 음의 전류 집 전체 및 열전대를 보유하고있다. 시판 핫 플레이트는이 실험에 필요한 온도를 달성 할 수 있지만, 우리의 맞춤형로는 크기가 작은 변화,의 순서로 온도를 유지ND는 우리가 직접 열 전력을 측정 할 수 있습니다. 온도와 관련된 문제뿐만 아니라, 화학적 활성과 관련된 문제점들이있다. 150 ° C에서 ePbBi 양극 많은 일반적인 물질과 화학적으로 호환 가능하다. 음극은 나트륨, 그러나, 많은 재료를 부식 쉽게 산화 및 수분과 격렬하게 반응한다. 리튬 계 액체 금속 전지는 일반적으로 훨씬 더 높은 온도를 실행하기 때문에, 특히 리튬 음극, 공격적이다. 이러한 높은 온도 시스템이 일의 범위 밖에 있지만, 화학적 활성을 관리하기위한 동일한 수단의 대부분은 이들 시스템에서와 같이 여기에 사용된다. 여기에 기재된 모든 실험은 산소 또는 수분의 미량 함유 아르곤 충진 글로브 박스에서 일어난다. 배터리 용기 합금 최소라도 550 ℃에서 리튬과 부식 304 스테인레스 스틸, 이루어진다. 열전대 및 음의 전류콜렉터는 스테인레스 스틸로 만들어집니다. 용기의 형상은, 액체 금속의 전기 화학 전지에 사용되는 시험 용기에 맞게 최대한 가깝게 상용화되고있는 시스템을 모델링하기 위해 선택된다. 도 2에 도시 된 용기는 88.9 mm, 내경 67mm의 깊이와, 원통형이다. 모든 용기의 벽 두께는 6.4 mm이다. 용기는 초음파 포트를 갖는 것을 그러나, 이전 실험에서 사용 된 것과 상이하다. 포트 실린더의 직경을 따라 수평 측벽을 통과하여 포트의 중심은 용기​​ 바닥 위에 6.6 mm이다. 포트는 스웨이지와 변환기 약 8 8mm 초음파 변환기를 수용 mm 직경, 및 밀봉된다. 이들 실험에서, 액체 금속 전극은 초음파 변환기 전형적 13mm 다루 단지 충분히 깊다. 강한 초음파 신호를 달성하기 위해, 하나의 양호한 음향 전송해야초음파 변환기 및이를 유체 프로브 (ePbBi) 사이. 변환기 재료의 음향 임피던스 및 시험 유체가 동일한 경우 탄성 최대 전력 송신된다; 임피던스가 다른 경우, 신호는 고통. (상술 한 포트에 의해 가능해진 바와 같이) 깨끗한 ePbBi 직접 접촉 초음파 변환기를 배치하는 것은 종종 시간에 시간, 충분한 신호를 제공한다. 금속 산화물은, 그러나, 매우 다른 임피던스를 가지며, 또한 표면 장력을 변화시켜 습윤성을 방해 할 수있다. ePbBi가 실질적으로 산화되는 경우, 초음파 신호가 저하 곧 사라. 또, 불활성 분위기는 필수적이다. 산소의 미량 그럼에도 일부 산화를 야기하는 경우, 금속 산화물의 표면은 전지 용기에 ePbBi 전송하기 전에 탈지된다. 마지막으로 인해 전기 전류의 존재의 실험 본 과제. 전류는 우리의 중앙 과학 기술 간 비록EST, 그들은 잘못 전달하면 손상을 일으킬 수있을만큼 (30) 크다. 접지되지 열전대 접지 열전대 중 하나를 신호선에 보호 덮개로부터 내부의 전기적 연결이 없기 때문에 그 유해한 전기 전류가, 데이터 수집 장치 또는 지원하는 컴퓨터를 통과하지 않도록. 마찬가지로 그것은 유용한 초음파 장비 (신호 처리 SA, DOP 3010)를 손상 표유 전류를 방지하기 위해 접지 초음파 트랜스 듀서 (신호 처리 SA, TR0805LTH)를 사용하는 것이 필수적이다. 앞서 언급 한 바와 같이, 용광로의 바닥은 전류를 전도하는 역할을하고, 또한 그 주변으로부터 전기적으로 분리되어야한다. ePbBi 전극에서 전류는 잠재적으로 온도를 방해, 저항 가열이 발생합니다. 따라서 자동화 열 제어 시스템은 열 입력의 변화에 적응할 수 있어야한다.도 3은 ePbBi 전극의 온도가 어떻게 변하는지를로서 CUR임대가 흐르는 방법과 PID 제어기는 보상을 조정합니다. 대전류 (50 A = 800mA / cm)와 일정한 온도를 유지하는 것은 추가의 냉각을 필요로하지만, 산업용 액체 금속 전지보다 현실적인 낮은 전류에서 (일반적으로 (17)은 = 275mA / cm 1), 제어기 수 것 저항 가열에 대한 보상과 2 ℃로 온도 변화를 개최합니다.

<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

전기 기술의 증가는 유체의 흐름에 따라, 종종 그 유체는 불투명하다. 광학적 방법을 적용하지 않기 때문에 불투명 한 유체의 흐름을 측정하는 것은, 투명한 액체의 흐름을 측정하는보다 본질적으로 더 어렵다. 초음파뿐만 아니라, 고립 점에서 불투명 유체의 속도를 측정하는데 사용될 수 있지만, 양호한 시간 해상도와, 선을 따라 배열 된 점 수백 또는 수천. 고온, 화학적 활성과 전기 전도도 : 액체 금속 전극에인가하면, 초음파 유속계 추가적인 어려움을 포함한다. 여기서 우리는 실험 장치 및 이러한 과제를 극복하고 작동 온도에서, 전류를 전도 같이, 액체 금속 전극에서의 흐름을 허용 측정 방법을 설명한다. 온도는 그 힘 맞춤형로 비례 - 적분 - 미분 (PID) 컨트롤러를 사용하여 ± 2 ℃ 내에서 조절된다. 화학 활성은 사람이다조심스럽게 용기 재료를 선택하고 아르곤 가득한 글로브 박스에있는 실험 장치를 둘러싸 세. 마지막으로, 의도하지 않은 전기적 경로는 신중하게 방지된다. 자동화 시스템은 디바이스를 동기화 하드웨어 트리거 신호를 이용하여, 제어 설정 및 실험 측정치를 기록. 이러한 장치 및 이러한 방법은 다른 방법으로 불가능 측정을 생성 및 최적화와 액체 금속 전지와 같은 전기 화학 기술의 제어를 허용 할 수있다.

(위에서 상세히 설명 된) 사운드의 속도를 측정하기위한 절차는 신호 처리 방법을 사용하여 SA에서 적응시켰다. 원칙적으로, 음속 쉽게 공지 범위에 벽에서 에코의 비행 시간을 측정함으로써 얻을 수있다. 그러나 정확하게 변환기면의 유효 위치를 측정하는 것은 어려운 일이므로, 그 대신 하나의 측정치 사이의 공지 된 거리에 의해 벽을 변위시키는 마이크로 미터를 사용하여, 두 배의 비행 시간?...

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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.

액체 금속 전극의 초음파 속도 측정

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 조회수.  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.

입자 이미지 Velocimetry 에코

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

연구

공학

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.

표면 음향 파 중심의 어쿠스틱 역류 미세 유체의 제조, 운영 및 유동 가시화

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.

비 뉴턴 유체의 낙하 충격 역학을 연구하기 위해 빠른 이미징 기술

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.

방법은 표면 산화와 환원을 통해 액체 금속의 표면 장력을 조작

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

화학

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.

Microelectrode 구조에 의해 발생 AC 계면 현상

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, ...

생물학

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.

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.

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.

원자화 및 부동 유체학을 위한 두께 모드 압전 장치의 제조 및 특성화

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.

FR-4 구리 입히는 전극 플레이트 전도 Micropump에 대 한 성능 테스트 플랫폼

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

생체공학

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.

마우스에 맥파 속도 평가 초음파 기반

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 ...