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. Configuração do Sistema e Assembléia <ol><li> Limpar o transdutor de ultra-sons com isopropanol. </li><li> Coloque o porta-luvas. <ol><li> Equipamentos necessários de carga e materiais (incluindo transdutor de ultra-som, ePbBi, vareta, e termopares) no porta-luvas, seguindo as instruções do fabricante do porta-luvas para minimizar a entrada de oxigénio e humidade. </li><li> Mantenha materiais porosos sob vácuo na antecâmara luvas durante 12 horas antes de entrar no porta-luvas. </li></ol></li><li> Sintonize o controlador PID (somente primeira vez). <ol><li> Coloque a mesma quantidade de ePbBi sólido para dentro do recipiente da bateria, que vai ser usado em experiências (840 g). </li><li> Coloque o isolamento do forno em torno da embarcação bateria se ela não estiver lá, e coloque a tampa no alto do navio da bateria, juntamente com o coletor de corrente negativa e termopares. </li><li> Adicione todas as ligações eléctricas e termopares para potência do forno, como mostrado na Fig <strong&gt; Ure 2B. </li><li> Iniciar o ajuste automático do controlador PID, utilizando 150 ° C como o ponto de ajuste. Nota: os detalhes desta etapa será diferente, dependendo do fabricante do controlador PID e modelo. O controlador usado aqui auto-melodias, controlando quatro ciclos térmicos a partir de RT completas, a temperatura de operação, ao longo de um curso de horas. <ol><li> Use as setas para ajustar o set point (mostrada por padrão após o ajuste do controlador) a 150 ° C. </li><li> Pressione e segure o botão de loop para 3 segundos para entrar no ciclo escondido. Em seguida, pressione o botão de loop repetidamente até que a tela do controlador mostra &quot;Tune&quot;. Use as setas para alterá-lo para YES. </li></ol></li><li> Insira um termopar e usar a estação de trabalho para monitorar e registrar a temperatura. </li><li> Uma vez que auto-tune é completa, gravar os parâmetros proporcional, integral e derivativa que o controlador PID tem automaticamente selecionados usando a interface do controlador, de acordo com tO instruções do fabricante. </li></ol></li></ol> Medição 2. Som velocidade <ol><li> Utilizar a fornalha para derreter ePbBi suficiente para a experiência, pelo menos 400 g. Nota: a quantidade necessária vai variar para diferentes equipamentos, e ePbBi funde a 125 ° C. <ol><li> Se for necessário, remover o excesso de óxido por desnatação-lo a partir da superfície de topo do ePbBi usando uma vara de agitação. </li><li> Insira um transdutor de ultra-som para o dispositivo de medição de velocidade do som e aperte a conexão swage para evitar vazamentos, em seguida, insira um termopar e usar a estação de trabalho para monitorar e registrar a temperatura. </li></ol></li><li> Transferência de metal fundido para o dispositivo de medição de velocidade de som. <ol><li> Coloque o dispositivo de medição de velocidade do som na base do forno e deixá-lo lá por 2 min para aumentar gradualmente a temperatura e evitar o choque térmico. </li><li> Prepare-se para uma transferência segura através da remoção de equipamentos ou materiais sensíveis ao calor da área. </li><li> Adicione pequeno amontantes de metal fundido ao mesmo tempo, devido ao choque térmico pode danificar o transdutor de ultra-sons. Adicionar ePbBi até que a face do transdutor e cabeça micrométrica são ambos completamente submerso. </li><li> Aguarde até que a temperatura permanece estável dentro de 1 ° C por pelo menos 5 minutos antes das medições iniciais, já que a velocidade do som depende da temperatura. </li></ol></li><li> Medida ultra-som ecoa em dois locais. <ol><li> Defina a ponta micrômetro para um local arbitrário, mas conhecido. Medidas de eco ultra-som Grave, seguindo as instruções fornecidas pelo fabricante do instrumento. </li><li> Usando o micrômetro, mova a ponta do micrômetro por uma distância conhecida. Ficha de ultra-som medidas de eco. </li></ol></li><li> Remova o metal fundido a partir do dispositivo de medição de velocidade de som e armazená-lo em um recipiente tolerantes ao calor. </li><li> Para determinar a velocidade de som, lote amplitude do eco como uma função do tempo de eco para cada uma das duas medições. Localize os ecos ajustando uma curva de Gausspara cada eco de pico, como na Fig ure 4. Calcular a velocidade do som, dividindo distância de deslocamento pela diferença de horários de pico de eco. </li></ol> 3. O ultra-som de medição de velocidade <ol><li> Derreta o suficiente ePbBi para o experimento (840 g), removendo o excesso de óxido se necessário. Nota: Para obter melhores resultados, use a mesma quantidade de ePbBi que foi usado para sintonizar o controlador PID. <ol><li> Insira um transdutor de ultra-som para o recipiente da bateria e aperte a conexão swage para evitar vazamentos, assegurando que a base do forno está nivelado. </li></ol></li><li> Transferir o metal fundido para o vaso de bateria. <ol><li> Coloque navio bateria na base do forno e deixá-lo lá por 5 min para aumentar gradualmente a temperatura e evitar o choque térmico. Prepare-se para uma transferência segura através da remoção de equipamentos ou materiais sensíveis ao calor da área. </li><li> Adicionaram-se pequenos volumes de metal derretido de cada vez, porque choque térmico pode danificar o ultransdutor trasound. </li><li> Aguarde até que a temperatura atinge 150 ° C antes de medições iniciais, já que a velocidade do som depende da temperatura. </li></ol></li><li> Terminar a montagem do aparelho. <ol><li> Coloque o isolamento do forno em torno da embarcação bateria se ela não estiver lá. Colocar a tampa no topo do recipiente da bateria, juntamente com o colector de corrente negativa e termopares. Certifique-se de que todos são posicionados com precisão e repetidamente; colares do eixo trabalhar bem para isso. </li><li> Adicione todas as ligações eléctricas, tanto para sinais de energia e, como mostrado na Fig ure 2B. Utilize um ohmímetro para verificar se não há caminhos eléctricos não intencionais estão presentes, ou seja, verificar se a resistência elétrica entre o coletor de corrente negativa e tudo leva sinal é pelo menos 1 mohms. </li></ol></li><li> Começar a fazer medições. <ol><li> Começar o registo e monitorização da temperatura, potência do aquecedor, voltagem da bateria, ea bateriacorrente. Nota: Aqui, uma estação de trabalho executando o código do LabVIEW costume foi usada para registrar todas as medidas, com data e hora correspondentes. </li><li> Ajuste as configurações do instrumento ultra-som, se necessário. <ol><li> Certifique-se de definir a velocidade do som, usando a temperatura apropriada, de acordo com um modelo aceite 19. Para ePbBi a 150 ° C como utilizado a seguir, defina a velocidade de 1.760 m / s. </li><li> Ajuste a frequência de repetição do pulso de modo a que profundezas de eco são espaçados (tipicamente 0,25 mm). </li><li> Ajustar a contagem de porta de tal forma que o eco forte a partir da parede do fundo do recipiente aparece nos últimos portões; ele fornece uma verificação de sanidade útil para problemas de intensidade de sinal solução de problemas. </li><li> Usando as instruções fornecidas pelo fabricante, defina o instrumento de hardware desencadeante. </li></ol></li><li> Começar o registo e monitorização da velocidade com o instrumento de ultra-som, iniciando disparo da estação de trabalho. Recorde de quatro perfis de velocidade por segundo para 30min. </li></ol></li><li> Ajustar a corrente da bateria para 5 A, espere 5 minutos para o fluxo se estabilizar, e depois gravar quatro perfis de velocidade por segundo durante 30 minutos. </li><li> Repetir o passo 3.5 para 10 A, 15 A, 20 A, 25 A e 30 A. Nota: Muitos outros planos experimentais também são possíveis, incluindo variações de temperatura e mudanças suaves atual. Uma baixa atmosfera em oxigênio e umidade permite experimentos com boa qualidade de sinal para horas ou mais. </li><li> Uma vez que os experimentos são completos, interromper o registro de dados e desligue o forno. Desligue as ligações eléctricas e retire a tampa do forno. Remover o metal fundido a partir do recipiente da bateria, utilizando os mesmos procedimentos para a transferência segura de que foram utilizadas quando do enchimento do reservatório. Guarde o ePbBi fundido em um recipiente tolerantes ao calor. Adicionar árgon extra para a caixa de luvas; sua pressão vai cair como sua atmosfera esfria. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

Técnicas de ultra-som pode produzir medições de velocidade em centenas ou milhares de locais em um líquido transparente ou opaco, muitas vezes por segundo. Aplicada a um eletrodo de metal líquido, técnicas de ultra-som encontrar desafios de alta temperatura, a atividade química, e condutividade elétrica. Os métodos para superar estes desafios e medindo o fluxo de metal líquido em eléctrodos activos foram descritos. Em primeiro lugar, um material de eléctrodo sujeitos ao mesmo física como eléctrodos de alta...

Baterias de metal líquidos são uma tecnologia promissora para fornecer armazenamento de energia em grande escala sobre redes elétricas em todo o mundo um. Estas baterias oferecem alta densidade energética, alta densidade de energia, ciclo de vida longo, e baixo custo, tornando-os ideais para o armazenamento de energia grade escala 3. Apresentando baterias de metal líquido para a rede de energia permitiria pico de barbear, melhorar a estabilidade da rede e permitir um uso mais generalizado de fontes renováveis ​​intermitentes, como solar, eólica e energia das marés. Pilhas de metal líquido são constituídos por dois eléctrodos de metal líquido separados por um electrólito de sal fundido, como descrito em maior detalhe em trabalhos anteriores 1. Embora muitas combinações diferentes de metais e de electrólito pode resultar em uma pilha de metal líquido de trabalho, os princípios de operação permanecem os mesmos. Os metais são escolhidos de tal modo que é energeticamente favorável para eles de modo a formar uma liga; assim liga descarrega a bateria, e-liga de carregar o cartão. A salt camada é escolhido de modo que ele permite que os iões metálicos para passar entre os dois eléctrodos, mas bloqueia o transporte de espécies neutras, proporcionando assim o controlo do sistema electroquímico. Este trabalho vai avançar tecnologia de bateria de metal líquido por quantificar e controlar os efeitos de transporte de massa. Os métodos descritos aqui são informados por métodos eletroquímicos desenvolvidos para baterias de metal líquido por Sadoway et al 1-4, bem como anteriormente líquido trabalho bateria de metal no Laboratório Nacional Argonne 5,6, eo trabalho da comunidade mais ampla eletroquímica (Bard e Faulkner. 7 fornecem muitas referências relevantes). Os métodos descritos aqui também construir em cima de anteriores estudos de dinâmica de fluidos. O ultra-som velocimetria foi desenvolvido e utilizado pela primeira vez em água desde 8,9 e foi aplicado a metais líquidos incluindo gálio 10,11, 12,13 sódio, 14 mercúrio, chumbo e bismuto 15, de cobre-estanho 15 &lt;/ Sup&gt;, e levar-lítio 16, entre outros. Eckert et al. Fornecer uma análise útil da velocimetria em metais líquidos 17. Trabalho através de métodos recentes semelhantes aos descritos aqui 18 mostrou que as correntes da bateria pode aumentar o transporte de massa em eletrodos de metal líquido. Como o transporte de massa do eléctrodo positivo é o passo limitante da velocidade na carga e descarga das baterias de metal líquido, misturando, por conseguinte, permite a carga e descarga mais rápida do que de outro modo seria possível. Além disso evita mistura inomogeneidades locais no eléctrodo, que podem formar sólidos que limitam a vida útil de uma bateria. No trabalho em curso, que continuam a estudar o papel do fluxo de fluido no eléctrodo positivo da bateria de metal líquido, que resulta do facto de as forças electromagnéticas e térmicas. Gradientes térmicos dirigir fluxo convectivo através de flutuabilidade, e conduzir o fluxo de correntes de bateria através da interacção com os campos magnéticos induzidos por o batedory correntes si. Em experimentos utilizando os métodos descritos a seguir, temos observado fluxos com o número de Reynolds 50 &lt;Re &lt;200, calculado a partir da profundidade do eletrodo e velocidade-quadrático médio. A caracterização experimental completa está sendo realizada e vai usar o conjunto de dados resultante para construir modelos preditivos de bateria. O foco deste artigo é sobre a concepção e procedimentos necessários para produzir tais dados experimentais. O ultra-som velocimetria fornece a maior parte das medições, e as condições experimentais devem ser cuidadosamente controlados, a fim de utilizar ultra-sons com sucesso no metal líquido. Alta temperatura, a atividade química, e condutividade elétrica devem ser gerenciados com cuidado. Em primeiro lugar, as pilhas de metal líquido necessariamente operar a alta temperatura, porque ambos os metais e o sal que separa-los deve ser fundida. Uma opção promissora de materiais, que usa lítio como o eletrodo negativo, levar-antimônio como o elec positivoeléctrodo, e uma mistura eutética de sais de lítio como electrólito, requer temperaturas ao redor de 550 ° C. Medindo o fluxo de um fluido opaco a temperaturas tão elevadas é bastante difícil. Os transdutores de ultra-som de alta temperatura, que separam os componentes electro-acústicos delicados do fluido de teste com uma guia de onda acústica, foram demonstradas 15 e comercializada. No entanto, porque os transdutores têm perda de inserção perto de 40 dB, e por causa da dificuldade de trabalhar geral a tais temperaturas, um sistema substituto foi escolhido para estudo inicial: uma pilha de metal líquido pode também ser feita usando sódio como o eléctrodo negativo, eutética 44% de chumbo 56% de bismuto (daqui em diante, ePbBi) como o eléctrodo positivo, e uma mistura eutética de triplo sais de sódio (iodeto de sódio 10%, hidróxido de sódio a 38%, de amida de sódio 52%) como o electrólito. Essa bateria é totalmente fundido acima de 127 ° C, tornando-o muito mais passíveis de estudo de laboratório. Uma vez que é composto por três líquidoscamadas separadas por densidade, é sujeita ao mesmo física como outras baterias de metal líquido. E é compatível com transdutores de ultra-som prontamente disponíveis, que são classificados para 230 ° C, não envolvem perdas de guia de onda, e custam muito menos do que os transdutores de alta temperatura. Estas experiências ocorrem tipicamente a 150 ° C. A essa temperatura, ePbBi tem viscosidade ν = 2,79 x 10 -7 m 2 / s, difusividade térmica κ = 6,15 x 10 -6 m 2 / s, e difusividade magnética η = 0,8591 m2 / seg, de tal modo que o seu número de Prandtl é Pr = ν / κ = 4,53 x 10 -2 eo número de Prandtl magnético é Pm = ν / η = 3,24 x 10 -7. Embora esta baixa temperatura líquido química da bateria de metal faz estudos de fluxo muito mais fácil do que seriam em baterias mais quentes, a temperatura deve, contudo, ser gerido com cuidado. Sendo dispositivos eletro-acústico delicados, transdutores de ultra-som são susceptible danos por choque térmico, e, portanto, deve ser aquecido gradualmente. Ultra-som de alta qualidade também requerem cuidadosa regulação de temperatura. O ultra-som velocimetria funciona como sonda, conforme mostrado na Figura 1: o transdutor emite um sinal sonoro (aqui, a frequência é de 8 MHz), em seguida, ouve ecos. Através da medição do tempo de voo do eco, a distância ao corpo eco pode ser calculada, e medindo o deslocamento de Doppler do eco, uma componente da velocidade do corpo pode também ser calculada. Em água, partículas marcadoras deve ser adicionado para produzir ecos, mas não há partículas marcadoras são necessários em metais líquidos, um facto que não é entendida em detalhe, mas é geralmente atribuída à presença de pequenas partículas de óxido de metal. Cada medição é uma média ao longo de todas as partículas de traçadores em um volume de interrogatório; Neste trabalho, o seu diâmetro mínimo é de 2 mm, a uma distância de 30 mm da sonda. Embora a oxidação pode eventualmente limitar a duração das experiências, utilizando the métodos descritos abaixo, fizemos as medições continuamente durante o tempo que 8 horas. Calculando distância ou velocidade requer sabendo a velocidade do som no fluido de teste, e que a velocidade varie com a temperatura. O trabalho descrito aqui concentra-se em fluxo no eléctrodo negativo ePbBi, onde a velocidade do som é 1,766 m / s a 150 ° C, 1765 m / seg a 160 ° C e 1767 m / seg a 140 ° C 19. Assim, o controle inadequado da temperatura iria introduzir erros sistemáticos nas medições de ultra-som. Um dispositivo foi construído para medir a velocidade do som em ePbBi, encontrando valores consistentes com os publicados e aceites pela Agência para a Energia Nuclear 19 (veja abaixo). Finalmente, uma vez que a convecção térmica é um condutor primário de fluxo em pilhas de metal líquido, tanto a temperatura média e a diferença de temperatura entre a parte superior e inferior do eléctrodo ePbBi afectar directamente observações. Para obter resultados consistentes, precisos térmicacontrolo é essencial. Por conseguinte, a temperatura é medida continuamente com pelo menos três termopares tipo K, registrar suas medições electronicamente com um dispositivo de aquisição baseado em computador e um programa LabView escrita por medida. O programa também controla a fonte de alimentação que fornece corrente da bateria, através de uma conexão USB; registra a corrente da bateria e tensão; e envia impulsos de disparo para o instrumento de ultra-sons, de modo que os dados podem ser sincronizados com as outras medições. Um diagrama de sistema é mostrado na Figura 2. O calor é fornecido por um forno de encomenda (também mostrado na Figura 2), que contém dois elementos de aquecimento industriais de 500 W alimentado por um relé comutada por um proporcional-integral-diferencial (PID) controlador. A placa de base que suporta as células da bateria é feita de alumínio sólido; porque a sua condutividade térmica é uma ordem de magnitude mais elevada do que a condutividade térmica do r inoxidávelrecipiente de célula de bateria e a enguia ePbBi que contém 19, a temperatura do fundo do forno é aproximadamente uniforme. Além disso, a base de alumínio funciona como um caminho para as correntes elétricas que passam através do eletrodo. A sua condutibilidade eléctrica é também uma ordem de magnitude mais elevada que a do aço inoxidável ou ePbBi, de modo que a tensão do fundo do forno é também de aproximadamente uniforme. Pernas isolantes separar a base do banco top abaixo, evitando queimaduras e shorts. Os lados da embarcação bateria são isolados com sílica isolamento cerâmico, cortado para caber o navio de perto, mas deixar espaço para acessar porta ultra-som da célula. Finalmente, uma tampa de politetrafluoretileno (PTFE) isola a célula a partir de cima e mantém o colector de corrente negativa e termopares no lugar. Embora as placas quentes disponíveis comercialmente podem atingir as temperaturas exigidas para estas experiências, a fornalha com especificação mantém a temperatura com uma ordem de grandeza menor variação, umand também nos permite medir a potência de calor diretamente. Em adição aos desafios associados com a temperatura, existem desafios associados com actividade química. A 150 ° C, um eléctrodo positivo ePbBi é quimicamente compatível com muitos materiais comuns. Um eletrodo negativo de sódio, no entanto, corrói muitos materiais, oxida facilmente, e reage vigorosamente com a umidade. Um eletrodo negativo de lítio também é agressivo, especialmente porque as baterias de metal líquido à base de lítio funcionam tipicamente temperaturas muito mais altas. Embora esses sistemas de alta temperatura são fora do âmbito do presente trabalho, muitas das mesmas medidas de gestão actividade química são aqui utilizados como naqueles sistemas. Todas as experiências descritas aqui têm lugar em uma caixa de luvas cheia de argônio contendo apenas vestígios de oxigénio ou humidade. O recipiente da bateria é feita de liga de aço inoxidável 304, que corrói minimamente mesmo com lítio a 550 ° C. Os termopares e corrente negativacolector também são feitos de aço inoxidável. A geometria do vaso é escolhido para coincidir com as embarcações utilizadas para o teste eletroquímico de baterias de metal líquido, para modelar, tanto quanto possível os sistemas que estão sendo comercializados. O recipiente, representado na Figura 2, é cilíndrica, com um diâmetro interno de 88,9 milímetros e uma profundidade de 67 milímetros. Todas as paredes dos vasos são de 6.4 mm de espessura. O recipiente difere dos utilizados para experiências anteriores, no entanto, na medida em que tem uma porta de ultra-som. A porta passa através da parede lateral ao longo de um diâmetro horizontal do cilindro, e o centro da porta é de 6,6 mm acima do chão vaso. A porta é de 8 mm de diâmetro para acomodar um transdutor de ultra-sons 8 mm, e vedantes em torno do transdutor com um recalcamento. Nestas experiências, o eléctrodo de metal líquido está a uma profundidade suficiente para cobrir o transdutor de ultra-sons, tipicamente 13 mm. A fim de atingir os sinais de ultra-som fortes, requer uma boa transmissão acústicaentre o transdutor de ultra-sons e as sondas (la fluida ePbBi). Potência acústica máxima é transmitido quando a impedância acústica do material transdutor e o fluido de teste são idênticos; quando as impedâncias diferentes, os sinais de sofrer. Colocar um transdutor de ultra-som em contato direto com limpo ePbBi (como possibilitada pela porta descrito acima) fornece sinal amplo, muitas vezes por horas em um momento. Óxidos de metal, no entanto, tem muito impedância diferente, e pode também interferir com humedecimento por alteração da tensão superficial. Se o ePbBi é substancialmente oxidada, os sinais de ultra-som degradar mais rapidamente e desaparecer. Mais uma vez, uma atmosfera inerte é essencial. Se pequenas quantidades de oxigénio causar alguma oxidação, no entanto, a superfície do óxido de metal é desnaturado antes da transferência para o recipiente de ePbBi bateria. Finalmente, estas experiências apresentam desafios devido à presença de correntes eléctricas. Embora as correntes são o nosso científica e tecnológica entre centroest, eles são grandes o suficiente (30 A) para causar danos se encaminhado de forma incorreta. Termopares não aterrados garantir que as correntes elétricas nocivas não passam através do dispositivo de aquisição de dados ou o computador que suporta-lo, porque termopares não aterrados não têm nenhuma conexão elétrica interna da bainha protetora para qualquer um dos fios de sinal. Da mesma forma, é imprescindível a utilização de transdutores de ultra-som não aterrados (Signal-Processing SA, TR0805LTH) para evitar a corrente de fuga de danificar o instrumento valioso de ultra-som (Signal-Processing SA, DOP 3010). Como mencionado anteriormente, a base do forno serve para conduzir a corrente eléctrica, e também deve ser electricamente isolado da sua envolvente. No eléctrodo ePbBi, corrente provoca aquecimento óhmico, perturbando potencialmente a temperatura. Assim, o sistema automatizado de controlo térmico deve ser capaz de ajustar a alterações na entrada de calor. A Figura 3 mostra a forma como a temperatura do eléctrodo ePbBi varia como curaluguel flui através dele, e como o controlador PID ajusta para compensar. A manutenção da temperatura constante com grandes correntes (50 A = 800 mA / cm) iria exigir um arrefecimento adicional, mas aqui as correntes mais baixas mais realistas para pilhas de metal líquido em aplicações industriais (tipicamente 17 A = 275 mA / cm 1), o controlador é capaz para compensar aquecimento óhmico e mantenha variação da temperatura a 2 ° C.

<table><tbody><tr><td>K Type Thermocouple Probe</td><td>McMaster-Carr</td><td>3856K83</td><td>http://www.mcmaster.com/</td></tr><tr><td>Red Lion PID Controller</td><td>Red Lion</td><td>P1610000</td><td>http://store.redlion.net/store/p16.html</td></tr><tr><td>Measurement Computing Data Acquisition Device</td><td>Measurement Computing Corporation</td><td>USB-2408</td><td>http://www.mccdaq.com/index.aspx</td></tr><tr><td>Power Supply</td><td>TDK-Lambda</td><td>GEN 8-90-USB-U</td><td>http://us.tdk-lambda.com/hp/</td></tr><tr><td>Ultrasound Instrument</td><td>Signal Processing SA</td><td>DOP3010</td><td>http://www.signal-processing.com/index.html</td></tr><tr><td>Ultrasound Transducer</td><td>Signal Processing SA</td><td>TR0805LTH</td><td>http://www.signal-processing.com/index.html</td></tr><tr><td>Bismuth-Lead Eutectic</td><td>VWR</td><td>AA40949-P2</td><td>https://us.vwr.com/</td></tr></tbody></table>

ultrasound velocity measurement in a liquid metal electrode

Um número cada vez maior de tecnologias electroquimicos dependem do fluxo de fluido, e muitas vezes a que o fluido é opaco. Medindo o fluxo de um fluido opaco é inerentemente mais difíceis de medir o fluxo de um fluido transparente, uma vez que os métodos ópticos não são aplicáveis. O ultra-som pode ser utilizada para medir a velocidade de um fluido opaco, não apenas em pontos isolados, mas em centenas ou milhares de pontos dispostos ao longo de linhas, com boa resolução temporal. Quando aplicada a um eléctrodo de metal líquido, velocimetria de ultra-sons envolve desafios adicionais: alta temperatura, química, actividade e condutividade eléctrica. Aqui nós descrevemos a aparelhos e métodos que superar estes desafios e permitem a medição de fluxo em um eletrodo de metal líquido, como ele conduz corrente, à temperatura de funcionamento experimental. A temperatura é regulada dentro de ± 2 ° C usando um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) que os poderes de um forno custom-built. Atividade química é homemenvelhecido, escolhendo cuidadosamente os materiais da embarcação e que encerra a montagem experimental em uma caixa de luvas cheia de árgon. Finalmente, trajectórias eléctricas não desejadas são cuidadosamente evitada. Um sistema automatizado registra configurações de controle e medições experimentais, utilizando sinais de disparo hardware para sincronizar os dispositivos. Este aparelho e estes métodos podem produzir medições que são impossíveis com outras técnicas, e que permita optimizar e controlo de tecnologias como as pilhas electroquímicas de metal líquido.

O procedimento para medir a velocidade do som (descrito em detalhe acima) foi adaptado de métodos usados ​​por processamento de sinal-SA. Em princípio, a velocidade do som pode facilmente ser obtida pela medição do tempo de voo de um eco de uma parede na gama conhecida. Mas medir com precisão a localização efectiva da face do transdutor é difícil, por isso, em vez pode-se medir o tempo de voo por duas vezes, utilizando um micrómetro para deslocar a parede por uma distância conhecida entre as medições. E...

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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.

O ultra-som de velocidade de medição em um eletrodo de metal líquido

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 visualizações.  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.

Echo Velocimetria por Imagem de Partículas

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

Engenharia

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.

Fabricação, Operação e Visualização de Fluxo em superfície acústico de ondas orientadas Microfluidics acústico contrafluxo

Surface acoustic waves (SAWs) can be used to drive liquids in portable microfluidic chips via the acoustic counterflow phenomenon. In this video we ...

Fast Imaging Technique to Study Drop Impact Dynamics of Non-Newtonian Fluids

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for detailed observation, scenarios that make it challenging to observe with conventional imaging systems. One of these is the drop impact of liquids, which usually happens within one tenth of millisecond. To tackle this challenge, a fast imaging technique is introduced that combines a high-speed camera (capable of up to one million frames per second) with a macro lens with long working distance to bring the spatial resolution of the image down to 10 &#181;m/pixel. The imaging technique enables precise measurement of relevant fluid dynamic quantities, such as the flow field, the spreading distance and the splashing speed, from analysis of the recorded video. To demonstrate the capabilities of this visualization system, the impact dynamics when droplets of non-Newtonian fluids impinge on a flat hard surface are characterized. Two situations are considered: for oxidized liquid metal droplets we focus on the spreading behavior, and for densely packed suspensions we determine the onset of splashing. More generally, the combination of high temporal and spatial imaging resolution introduced here offers advantages for studying fast dynamics across a wide range of microscale phenomena.

Drop impact of non-Newtonian fluids is a complex process since different physical parameters influence the dynamics over a very short time (less than one tenth of a millisecond). A fast imaging technique is introduced in order to characterize the impact behaviors of different non-Newtonian fluids.

Técnica rápida de imagens para o Estudo de Impacto Dynamics Gota de fluidos não-newtonianos

In the field of fluid mechanics, many dynamical processes not only occur over a very short time interval but also require high spatial resolution for ...

A Method to Manipulate Surface Tension of a Liquid Metal via Surface Oxidation and Reduction

Controlling interfacial tension is an effective method for manipulating the shape, position, and flow of fluids at sub-millimeter length scales, where interfacial tension is a dominant force. A variety of methods exist for controlling the interfacial tension of aqueous and organic liquids on this scale; however, these techniques have limited utility for liquid metals due to their large interfacial tension.
Liquid metals can form soft, stretchable, and shape-reconfigurable components in electronic and electromagnetic devices. Although it is possible to manipulate these fluids via mechanical methods (e.g., pumping), electrical methods are easier to miniaturize, control, and implement. However, most electrical techniques have their own constraints: electrowetting-on-dielectric requires large (kV) potentials for modest actuation, electrocapillarity can affect relatively small changes in the interfacial tension, and continuous electrowetting is limited to plugs of the liquid metal in capillaries.
Here, we present a method for actuating gallium and gallium-based liquid metal alloys via an electrochemical surface reaction. Controlling the electrochemical potential on the surface of the liquid metal in electrolyte rapidly and reversibly changes the interfacial tension by over two orders of magnitude ( &#820;500 mN/m to near zero). Furthermore, this method requires only a very modest potential (&#60; 1 V) applied relative to a counter electrode. The resulting change in tension is due primarily to the electrochemical deposition of a surface oxide layer, which acts as a surfactant; removal of the oxide increases the interfacial tension, and vice versa. This technique can be applied in a wide variety of electrolytes and is independent of the substrate on which it rests.

We present a method to control the interfacial energy of a liquid metal in an electrolyte via electrochemical deposition (or removal) of a surface oxide layer. This simple method can control the capillary behavior of gallium-based liquid metals by tuning the interfacial energy rapidly, significantly, and reversibly using modest voltages.

Um Método para Manipular a Tensão Superficial de um Metal Líquido via Oxidação e Redução Superficial

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

Química

AC Electrokinetic Phenomena Generated by Microelectrode Structures

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

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

Fenômenos AC eletrocinéticas Gerado por Estruturas microeletrodos

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.

Visualmente, com base em caracterização do movimento de partículas incipiente em substratos Regular: de Laminar para turbulentas condições

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.

Geração e controle de Electrohydrodynamic flui em soluções aquosas de eletrólito

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.

Fabricação e caracterização de dispositivos piezoelétricos do modo de espessura para atomização e acoustofluidos

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.

Uma plataforma de testes de desempenho para uma microbomba de condução com uma placa de eletrodos de cobre-folheada 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 ...

Bioengenharia

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.

O ultra-som à base de pulso de onda Velocity Avaliação em ratos

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 ...