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. Sistem Kurulumu ve Montajı <ol><li> Izopropanol ile ultrason transdüktörünü temizleyin. </li><li> Torpido gözünü yükleyin. <ol><li> Yük gerekli ekipman ve oksijen ve nem girişini en aza indirmek için torpido gözü üreticisinin yönergeleri izleyerek, torpido gözü içine (ultrason probu, ePbBi, karıştırma sopa ve termokupl dahil) malzemeler. </li><li> Torpido gözünü girmeden önce 12 saat torpido gözü antechamber vakum altında gözenekli malzeme tutun. </li></ol></li><li> Dinle PID kontrolörü (sadece ilk kez). <ol><li> Deneyler (840 g) içinde kullanılacak, pil kabı içine bir katı ePbBi aynı miktarda yerleştirin. </li><li> Zaten orada değilse pil geminin etrafında fırın yalıtım yerleştirin ve negatif akım toplayıcı ve termokupl ile birlikte pil geminin tepesinde kapağı yerleştirin. </li><li> Şek, termokupl ve fırın gücü için tüm elektrik bağlantılarını yapın <strong&gt; Ure 2B. </li><li> Set noktası olarak 150 ° C ile PID kontrol cihazının otomatik ayarlamasını başlatır. Not: Bu adımla ilgili ayrıntılar PID kontrolör üretici ve modeline bağlı olarak, farklı olacaktır. saatlik bir süre boyunca, oda sıcaklığında, işletim sıcaklığı, dört tam ısı döngüsü kontrol ederek otomatik ayar yapar Burada kullanılan kontrol ünitesi. <ol><li> 150 ° C (kontrolör ayarlama sonrasında varsayılan olarak gösterilir) ayar noktasını ayarlamak için ok tuşlarını kullanın. </li><li> Basın gizli döngüye girmek için 3 saniye döngü düğmesini basılı tutun ve. Kontrolör ekranı &quot;TUNE&quot; görünene kadar art arda döngü düğmesine basın. EVET bunu değiştirmek için ok tuşlarını kullanın. </li></ol></li><li> Bir termokupl yerleştirin ve izlemek ve sıcaklık oturum iş istasyonu kullanın. </li><li> Otomatik ayar tamamlandıktan sonra, t göre, PID kontrolör otomatik kontrolör arabirimini kullanarak seçtiği, Oransal İntegral ve Türev parametreleri kayıtÜreticinin talimatları o. </li></ol></li></ol> 2. Ses Hız Ölçümü <ol><li> , Deney için en az 400 g kadar ePbBi eritmek için fırın kullanın. Not: Gerekli miktar farklı ekipman için değişecektir ve ePbBi 125 ° C&#39;de erir. <ol><li> Gerekirse, bir heyecan sopa kullanarak ePbBi üst yüzeyi onu kaymağını tarafından aşırı oksit çıkarın. </li><li> Ses hızı ölçüm cihazı içine ultrason transdüser yerleştirin ve sızıntıları önlemek için dövmek bağlantısını sıkın, daha sonra bir termokupl yerleştirin ve izlemek ve sıcaklık oturum iş istasyonu kullanın. </li></ol></li><li> Ses hızı ölçüm cihazı Erimiş metali aktarın. <ol><li> Fırın tabanına ses hızı ölçümü cihazı yerleştirin ve yavaş yavaş sıcaklığını artırmak ve termal şok önlemek için 2 dakika süreyle orada bırakın. </li><li> Alanından ısıya duyarlı donanım veya malzeme kaldırarak güvenli bir aktarımı için hazırlayın. </li><li> Küçük am ekletermal şok ultrason transdüktörü zarar verebilir, çünkü her seferinde, erimiş metalin tutarları. Dönüştürücü yüz ve mikrometre kafası de tamamen batık kadar ePbBi ekleyin. </li><li> Ses hızı sıcaklığına bağlıdır çünkü sıcaklık, başlangıç ​​ölçümlerden önce en az 5 dakika boyunca 1 ° C içinde sabit kalır kadar bekleyin. </li></ol></li><li> Tedbir ultrason iki noktada yankıları. <ol><li> Keyfi fakat bilinen bir konuma mikrometre ucunu ayarlayın. Cihaz üreticisi tarafından sağlanan talimatları izleyerek rekor ultrason yankı ölçümleri. </li><li> Mikrometre düğmesini kullanarak, bilinen bir mesafe ile mikrometre ucunu hareket ettirin. Tutanak ultrason yankı ölçümleri. </li></ol></li><li> Ses hızı ölçüm cihazı erimiş metal çıkarın ve ısıya dayanıklı bir kapta saklayın. </li><li> Ses hızı, iki ölçümün her biri için eko zamanın bir fonksiyonu olarak grafiği yankı amplitüdü belirlemek. Gauss eğrisi takarak yankıları bulunher Şekil ure 4&#39;te olduğu gibi, tepe yankı. Yankı yoğun zamanlarda farkla deplasman mesafesini bölerek ses hızını hesaplayın. </li></ol> 3. Ultrason Hızı Ölçümü <ol><li> Deney (840 gr) için yeterli ePbBi eritin gerekirse aşırı oksit çıkarılması. Not: En iyi sonuçlar, ayarlamak için PID kontrolör kullanılan ePbBi aynı miktarda kullanın. <ol><li> Pil kabına ultrason transdüser yerleştirin ve fırın tabanı seviyesi sağlamak, sızıntılarını önlemek için dövmek bağlantısını sıkın. </li></ol></li><li> Pil kabına erimiş metal aktarın. <ol><li> Fırın tabanındaki pil gemi yerleştirin ve yavaş yavaş sıcaklığını artırmak ve termal şok önlemek için 5 dakika boyunca orada bırakın. Alanından ısıya duyarlı donanım veya malzeme kaldırarak güvenli bir aktarımı için hazırlayın. </li><li> Termal şok ul zarar verebilir, bir seferde, erimiş metalin az miktarda eklemetrasound dönüştürücüsü. </li><li> Ses hızı sıcaklığına bağlıdır çünkü sıcaklık, başlangıç ​​ölçümlerden önce 150 ° C&#39;ye ulaşana kadar bekleyin. </li></ol></li><li> Cihazı montaj bitirin. <ol><li> Zaten orada değilse pil geminin etrafında fırın yalıtım yerleştirin. Negatif akım kollektörü ve termokupl ile birlikte akü kabı tepesinde kapağı yerleştirin. Tüm hassas ve repeatably konumlandırılmış emin olun; Şaft yaka bunun için iyi çalışır. </li><li> Şekil ure 2B&#39;de gösterildiği gibi, güç ve sinyal hem de tüm elektrik bağlantılarını yapın. Hiçbir istenmeyen elektrik yolları, yani mevcut olduğunu doğrulamak için bir ohm metre kullanın negatif akım kollektörü ve tüm sinyal yol arasındaki elektrik direnci en az 1 M? Olup olmadığını kontrol edin. </li></ol></li><li> Ölçümler yaparak başlayın. <ol><li> Günlük ve izleme sıcaklığı, ısıtıcı güç, akü voltajını ve pili başlayınMevcut. Not: Burada, bir iş istasyonu çalıştıran özel LabView kodu tüm ölçümler açmak için kullanılan, ilgili zaman damgaları ile. </li><li> Gerekirse ultrason cihaz ayarlarını yapın. <ol><li> Kabul edilen bir modele göre 19, uygun sıcaklık kullanılarak, ses hızını ayarlamak için emin olun. Aşağıda kullanılan şekilde, 150 ° C &#39;de ePbBi için, 1760 m / sn hıza ayarlayın. </li><li> Darbe tekrarlama frekansı böyle yankı derinlikleri yakın aralıklı olduğunu (genellikle 0,25 mm) ayarlayın. </li><li> Geminin uzak duvardan güçlü yankı son birkaç kapıları görünür şekilde kapı sayısını ayarlayın; Bu giderme sinyal gücü sorunları için yararlı bir aklı kontrol sağlar. </li><li> Üretici tarafından sağlanan talimatları kullanarak, donanım tetiklemek için alet olarak ayarlayın. </li></ol></li><li> Iş istasyonundan tetikleme başlatarak ultrason cihazı ile kayıt ve izleme hızı başlayın. 30 saniyede rekor dört hız profilleriMin. </li></ol></li><li> 5 A akü akımını ayarlayın, akış stabilize etmek için 5 dakika bekleyin ve ardından 30 dakika boyunca saniyede dört hız profilleri kaydedin. </li><li> 10 A, 15 A, 20 A, 25 A ve 30 A için yineleyin 3.5 Not: Diğer birçok deneysel plan sıcaklık değişimlerine ve akımda düzgün değişiklikler de dahil olmak üzere, aynı zamanda mümkündür. Oksijen ve nem bir atmosfer, düşük saat veya daha iyi sinyal kalitesi ile deneyler verir. </li><li> Deneyler tamamlandıktan sonra, veri kaydı durdurmak ve fırını kapatın. Elektrik bağlantılarını ayırın ve fırın kapağını kaldırın. Kap doldurulurken kullanılan güvenli bir aktarımı için, aynı prosedürler kullanılarak, pil kabından erimiş metalin çıkarın. Bir ısıya dayanıklı bir kap içinde, erimiş ePbBi saklayın. Torpido gözüne ekstra argon ekleyin; atmosferi soğutur olarak basınç düşer. </li></ol>

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

The authors have nothing to disclose.

Ultrason teknikleri şeffaf veya opak sıvı içinde yüzlerce ya da binlerce yerleri, saniyede birçok kez hız ölçümleri üretebilir. Sıvı metal elektrot uygulanan ultrason teknikleri, yüksek sıcaklık, kimyasal aktivitesi ve elektriksel iletkenlik zorlukları karşılaşıyoruz. Bu zorlukların aşılması ve aktif sıvı metal elektrotlar akımı ölçmek için yöntemler tarif edilmiştir. İlk olarak, aynı fizik gibi yüksek sıcaklık, sıvı metal batarya elektrotlar (550 ° C), ancak işlevsel olarak da...

Sıvı metal piller dünyanın her yerindeki elektrik ızgaraları 1 büyük ölçekli enerji depolama sağlamak için umut vaat eden bir teknolojidir. Bu piller ızgara ölçekli enerji depolama 3 için idealdir, yüksek enerji yoğunluğuna, yüksek güç yoğunluğu, uzun ömrü ve düşük maliyet sunuyor. Zirve tıraş izin ızgara istikrarı geliştirmek ve güneş, rüzgar ve gelgit gücü gibi aralıklı yenilenebilir kaynakların daha yaygın kullanımını sağlayacak enerji şebekeye sıvı metal piller tanıtılması. Önceki çalışma 1&#39;de daha ayrıntılı olarak tarif edildiği gibi sıvı metal pil, ergimiş tuz elektrolitten ayrılan iki sıvı metal elektrot oluşmaktadır. Metal ve elektrolit bir çok farklı kombinasyon çalışan bir sıvı metalin pil neden olabilir rağmen, çalışma ilkeleri aynı kalır. metallerin onları bir alaşım oluşturmak için enerji açısından olduğu gibi seçilir; Böylece alaşım pili boşaltır ve de-alaşım ücretleri o. saBu sayede sistemin elektrokimyasal kontrolü sağlanmaktadır, metal iyonları, iki elektrot arasında geçmesine izin verir, ancak bu nötr türlerinin blok ulaştırma böylece lt tabaka seçilir. Bu eser miktarının ve kitle ulaşım etkileri kontrol ederek, sıvı metal pil teknolojisi ilerler. Burada açıklanan yöntemler Sadoway ve arkadaşları tarafından sıvı metal piller için geliştirilen elektrokimyasal yöntemlerle bilgilendirilmektedir. 1-4 yanı sıra Argonne National Laboratory 5,6 daha erken sıvı metal pil çalışmalarını ve daha geniş elektrokimyasal topluluğun çalışmalarını (Bard ve Faulkner 7) çok sayıda alakalı referansları sağlamak. Burada açıklanan yöntemler ayrıca önceki akışkanlar dinamiği çalışmaları üzerine inşa. Ultrason velosimetri geliştirilmiş ve ilk olarak su 8,9 kullanılan ve o zamandan beri galyum 10,11, sodyum 12,13, cıva 14 de dahil olmak üzere, sıvı metallere uygulanmış olan, bakır-kalay 15 15 &lt;kurşun-bizmut/ Sup&gt; ve kurşun-lityum diğerleri arasında 16. Eckert ve ark., Sıvı metallerde 17 velosimetri yararlı bir inceleme sağlar. Burada, 18 tarif benzeyen Son çalışmalar yöntemleri kullanarak pil akımları sıvı metal elektrotlar toplu taşıma artırabilir göstermiştir. Pozitif elektrotta toplu taşıma, sıvı metal bataryaların şarj ve deşarj hız sınırlayıcı kademe olduğu için, karıştırma, bu nedenle, aksi halde mümkün olacak olandan daha hızlı bir şarj ve deşarj sağlar. Ayrıca karıştırma işlemi, pilin çevrim ömrünü sınırlayan katı maddeler oluşturabilirler elektrot, yerel homojensizliklerin önler. Devam eden çalışmada, çünkü termal ve elektromanyetik kuvvetlerin ortaya sıvı metal pil, pozitif elektrot sıvı akışı rolünü çalışmaya devam. Termal geçişlerini kaldırma kuvveti sayesinde konvektif akışını sürücü ve pil akımları meyilli tarafından uyarılan manyetik alanlar ile etkileşerek akışını sürücüy akımları kendilerini. Aşağıda tarif edilen yöntemleri kullanarak deneylerde, elektrot derinliği ve kök-ortalama-kare hızından hesaplanmaktadır, Reynolds sayısı 50 &lt;Re &lt;200 ile indirgenmesi gözlemledik. Kapsamlı bir deneysel karakterizasyonu üstlenilen ediliyor ve akıllı akü modelleri oluşturmak için ortaya çıkan veri kümesi kullanır. Bu yazının odak noktası deneysel tasarım ve bu verileri üretmek için gerekli prosedürler üzerinde. Ultrason velosimetri ölçümlerinin toplu sağlar ve deneysel şartlar dikkatli bir şekilde, sıvı metal içinde başarılı bir şekilde ultrason kullanmak için kontrol edilmelidir. Yüksek sıcaklık, kimyasal aktivitesi ve elektriksel iletkenlik tüm dikkatle yönetilmesi gerekmektedir. İlk olarak, sıvı metalin piller mutlaka yüksek sıcaklıkta yapmaktadır metaller ve bunların erimiş olması gerekir ayıran bir tuzu, hem için. Pozitif elec gibi olumsuz elektrot olarak lityum kullanan malzemelerden biri umut verici seçim, kurşun-antimonTrode ve elektrolit olarak bir lityum tuzlarının bir ötektik karışım, 550 ° C civarında sıcaklıklar gerektirir. Bu tür yüksek sıcaklıklarda, opak bir sıvı akış ölçüm oldukça zordur. , Akustik dalga kılavuzu test sıvısından narin elektro-akustik bileşenleri ayrı yüksek sıcaklık ultrason dönüştürücüler, 15 gösterilmiştir ve ticari oylandı. Dönüştürücüler 40 dB yakın ve çünkü bu tür sıcaklıklarda çalışan genel zorluk ekleme kaybı olduğundan, ancak bir vekil sistemi ilk çalışma için seçilmiştir: sıvı metal batarya da negatif elektrot, ötektik olarak sodyum kullanılarak yapılabilir 44% 56 pozitif elektrot olarak% bizmut (bundan sonra, ePbBi) ve elektrolit olarak sodyum tuzları (% 10 sodyum iyodür,% 38 sodyum hidroksit,% 52 sodyum amid) bir üçlü ötektik karışımı kurşun. Böyle bir pil laboratuvar çalışmasına çok daha müsait hale 127 ° C&#39;nin üzerinde tamamen erimiş olduğunu. Üç sıvı oluşmaktadır içinyoğunluk ile tabakalar ayrılmış, bu diğer sıvı metal piller aynı fizik tabidir. Ve hiçbir dalga kayıpları içerir ve yüksek sıcaklık dönüştürücüler daha az maliyet, 230 ° C&#39;ye kadar derecelendirilir hazır ultrason dönüştürücüler ile uyumludur. Bu deneyler tipik haliyle, 150 ° C &#39;de yer almaktadır. Bunu Prandtl sayısı olduğu şekilde bu sıcaklıkta, ePbBi viskozite ν sahip = 2.79 x 10 -7 m2 / sn, termik yayıcılığıdır κ = 6.15 x 10 -6 m2 / sn, ve manyetik yayılma η = 0,8591 m2 / sn Pr = ν / κ = 4.53 x 10 -2 ve manyetik Prandtl numarası Pm = ν / η = 3.24 x 10 -7 olduğunu. Bu düşük sıcaklık sıvı metal pil kimyası onlar sıcak piller olacağını daha akım çalışmaları çok kolaylaştırır rağmen, sıcaklık yine dikkatli bir şekilde yönetilmesi gerekmektedir. Narin elektro-akustik cihazlar olmak, ultrason dönüştürücüler susceptibl olanE, termal şokla zarar ve bu nedenle yavaş yavaş ısıtılması gerekir. Kaliteli ultrason ölçümleri de dikkatli sıcaklık düzenleme gerektirir. Şekil 1&#39;de gösterildiği gibi Ultrason velosimetri, sonar gibi çalışır: dönüştürücü, ardından yankıları dinler (burada, frekans 8 MHz) bir bip sesi yayar. Yankı uçuş süresinin ölçülmesi ile, yankı vücuda mesafe hesaplanabilir ve eko Doppler kayması ile vücut hızının bir bileşen de hesaplanabilir. Suda, izleyici parçacıkları yankıları üretilmesi için eklenmesi gerekir, ancak hiçbir iz parçacıklar, sıvı metal, burada ayrıntılı olarak anlaşılmalıdır, ancak, tipik olarak metal oksit partiküllerinin varlığına atfedilir bir gerçek gerekmektedir. Her ölçüm sorgulama birimdeki tüm izleyici parçacıklar üzerinde bir ortalama; Bu çalışmada, minimum çapı, sonda arasında bir mesafe 30 mm, 2 mm &#39;dir. Gerçi oksidasyon sonunda th kullanarak deney süresini sınırlayabilirE yöntemleri biz sürece 8 olarak saat sürekli ölçümler yaptık, aşağıda açıklandığı. Mesafe veya hız ya hesaplanması test sıvısı sesin hızını bilmek gerektirir ve bu hız sıcaklığa göre değişir. Burada açıklanan çalışma, 140 ° C, 19 ile 160 ° C &#39;de 1765 m / s ve 1767 m / s, ses hızı, 150 ° C de 1,766 m / sn&#39;dir ePbBi negatif elektrot akış odaklanmaktadır. Böylece yetersiz sıcaklık kontrolü ultrason ölçümlerinde sistematik hatalar tanıtmak istiyorum. Bir cihaz (aşağıya bakınız) Nükleer Enerji Ajansı tarafından yayınlanan 19 kabul ile tutarlı değerleri bulma ePbBi sesin hızını ölçmek için inşa edilmiştir. Isı taşınım sıvı metalin piller akışın bir birinci sürücü, iki ortalama sıcaklık ve ePbBi elektrot üst ve alt kısımları arasındaki sıcaklık farkı olduğu Son olarak, doğrudan gözlemler etkiler. Tutarlı sonuçlar için hassas termalkontrol esastır. Bu duruma göre, sıcaklık, bir bilgisayar esaslı alıcı cihaz ve bir özel olarak yazılmış LabVIEW programı ile elektronik olarak ölçümü giriş, en az üç K-tipi termokupl ile sürekli olarak ölçülür. Program aynı zamanda bir USB bağlantısıyla, akü akımı sağlayan güç kaynağı kontrol eder; Batarya akımını ve voltajını kaydeder; verileri diğer ölçümler ile senkronize edilebilir, böylece ve ultrason cihazına tetik darbeleri gönderir. Bir sistem diyagramıdır, Şekil 2 &#39;de gösterilmiştir. Isı bir orantılı-integral-farkı ile açık bir röle tarafından desteklenmektedir, iki 500-W endüstriyel ısıtma elemanları içerir, (PID) (aynı zamanda, Şekil 2&#39;de gösterildiği gibi) bir geleneksel yapımlı fırını temin edilmektedir denetleyicisi. piller destekleyen taban plakası katı alüminyumdan yapılmıştır; ısı iletkenlik büyüklük sırası paslanmaz st termal iletkenliğinden daha yüksek olduğu içinyılanbalığı pil hücresi damar ve 19 içeren ePbBi, fırın zemin sıcaklığı yaklaşık aynıdır. Ayrıca alüminyum taban elektrottan geçen elektrik akımları için bir yol olarak iki katına çıkar. Bu elektrik iletkenliği de paslanmaz çelik veya ePbBi daha yüksek bir büyüklük sırasında, yani fırın tabanının voltajı da yaklaşık aynıdır. İzolasyon bacaklar yanıklara ve şort önlenmesi, üst aşağıda tezgah tabanı ayırın. Pil geminin taraf yakından geminin uygun ama hücrenin ultrason port erişmek için odayı terk kesti silika seramik yalıtım ile izole edilmiştir. Son olarak, bir politetrafloroetilen (PTFE), kapak yukarıdan hücre izole eder ve yerine negatif akım toplayıcı ve termokupl tutar. Ticari olarak temin edilebilen sıcak tabaklar, bu deneyler için gerekli sıcaklıklar elde edebilirsiniz rağmen, bizim özel olarak oluşturulmuş fırın büyüklüğü daha az varyasyon, bir bir emriyle sıcaklığını korurnd da bize doğrudan ısı gücünü ölçmek için izin verir. Sıcaklık ile bağlantılı zorlukların yanı sıra, kimyasal aktivitesi ile ilişkili zorluklar vardır. 150 ° C&#39;de, bir ePbBi pozitif elektrot çok yaygın malzemeler ile kimyasal açıdan uyumludur. Bir sodyum negatif elektrot Ancak, pek çok malzeme aşındıran kolayca oksitlenir ve nem ile şiddetle reaksiyona girer. Lityum bazlı sıvı metal piller tipik olarak çok daha yüksek sıcaklıklarda çalıştırmak özellikle çünkü lityum negatif elektrot da agresif. Bu daha yüksek sıcaklık sistemler bu çalışma kapsamı dışında olmasına rağmen, kimyasal aktivitesi yönetmek için aynı önlemler, birçok bu sistemlerde burada kullanılmaktadır. Burada tarif edilen tüm deneyler oksijen ya da nem sadece eser miktarlarını ihtiva eden, argon doldurulmuş eldiven kutusu yer almaktadır. Pil kabı alaşımından minimal da 550 ° C de lityum ile aşındıran 304 paslanmaz çelik, yapılır. termokupl ve negatif akımkollektör da paslanmaz çelikten imal edilmiştir. damar geometrisi, sıvı metalin pil elektrokimyasal testi için kullanılan gemi uygun olmaları için mümkün olduğu kadar yakından ticari edilmektedir sistemleri modellemek için seçilir. Şekil 2&#39;de gösterilen kap, bir 88.9 mm iç çaplı ve 67 mm derinlikte, silindiriktir. Tüm damar duvarlarının 6,4 mm kalınlığındadır. kap bir ultrason bağlantı noktası vardır ki, bununla birlikte, daha önce deneyler için kullanılanlardan farklılık gösterir. ağzı silindirin yatay çapı boyunca bir yan duvarından geçer ve bağlantı noktası merkezi damar zeminden 6.6 mm&#39;dir. port swage ile transdüser yaklaşık 8 8 mm ultrason transdüktörünü karşılamak için mm çapında ve mühürler olduğunu. Bu deneylerde, sıvı metal, elektrot ultrason transdüktörü, tipik olarak 13 mm karşılamak için yeterince derindir. Güçlü ultrason sinyalleri elde etmek için, iyi bir akustik iletim gerektirirultrason transdüktörüne ve sıvı bu problar (ePbBi) arasında yer almaktadır. Dönüştürücü malzemenin akustik empedans ve test sıvısı aynı maksimum akustik güç iletilir; empedansları farklı zaman sinyaller muzdarip. (Yukarıda tarif edilen bağlantı ile mümkün gibi), temiz ePbBi ile doğrudan temas içinde bir ultrason transdüktörü yerleştirilmesi genellikle saatlerce, geniş bir sinyal sağlar. Metal oksitler, ancak, farklı empedans, ve aynı zamanda yüzey gerilimini değiştirerek ıslatma engel olabilir. EPbBi ölçüde okside edilirse, ultrason sinyalleri aşağılamak ve yakında yok. Yine, bir atıl atmosfer esastır. Oksijen eser miktarlarda yine bazı oksidasyona neden olursa, metal oksit yüzey pil kabına ePbBi aktarmadan önce yağsız edilir. Son olarak, çünkü elektrik akımlarının varlığı bu deneyler mevcut zorluklar. Akımlar merkez bilimsel ve teknolojik arası olmasına rağmenest, onlar yanlış yönlendirilmiş takdirde hasara neden olabilecek kadar (30 A) büyüktür. Asılsız termokupl asılsız termokuplar ya sinyal kablosuna koruyucu kılıftan hiçbir iç elektrik bağlantısı var çünkü zararlı elektrik akımları, veri toplama aygıtı ya da onu destekleyen bilgisayar aracılığıyla geçemiyor emin olun. Aynı şekilde bu değerli ultrason cihazı (Sinyal İşleme SA, DOP 3010) zarar vermesini sokak akımını önlemek için topraksız ultrason dönüştürücüler (Sinyal İşleme SA, TR0805LTH) kullanmak esastır. Daha önce belirtildiği gibi, fırının tabanı elektrik akımı iletmek için hizmet eder ve aynı zamanda da çevre elektriksel olarak izole edilmiş olması gerekir. EPbBi elektrot, mevcut potansiyel sıcaklık bozan, ohmik ısıtma neden olur. Böylece otomatik ısı kontrol sistemi, ısı girişine değişikliklere uyum gerekir. 3 gösterileri Şekil ePbBi elektrot sıcaklığı olarak cur nasıl değiştiğinikira içinden akar ve nasıl PID kontrolörü telafi etmek için ayarlar. Büyük akımlar (50 A = 800 mA / cm) ile sürekli sıcaklık muhafaza ek soğutma gerektiren, ancak endüstriyel uygulamalarda sıvı metal piller için daha gerçekçi alt akımlarda (tipik 17 A = 275 mA / cm 1), kontrolör yapabiliyor ediyorum omik ısıtma telafi ve 2 ° C sıcaklık değişimi tutun.

<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

Elektrokimyasal teknolojilerin giderek artan sayıda sıvı akışı bağlıdır ve genellikle bu sıvı opak. Optik yöntemler geçerli değildir, çünkü opak sıvı akışını ölçmek, şeffaf bir sıvı akışını ölçmek daha doğal olarak daha zordur. Ultrason, sadece izole noktalarda opak sıvı hızını ölçmek için kullanılan, ancak olabilir iyi zamansal çözünürlüğe sahip, çizgiler boyunca dizilmiş nokta yüzlerce veya binlerce. Yüksek sıcaklık, kimyasal aktivitesi ve elektrik iletkenliği olan sıvı bir metal elektrot uygulandığında, ultrason velosimetri ek zorluklar içerir. Burada deney cihazları ve bu zorlukların üstesinden gelmek ve bu çalışma sıcaklığında, akım yapar gibi bir sıvı metal elektrot akış ölçümüne olanak yöntemleri açıklanmaktadır. Sıcaklık bu güçler bir ısmarlama fırın, bir Oransal-İntegral-Türev (PID) kontrolörü kullanarak ± 2 ° C içinde düzenlenir. Kimyasal etkinlik adamdikkatle damar malzeme seçiminde ve argon dolu torpido gözü de deney düzeneği içine alarak yaş. Son olarak, istenmeyen elektrik yolları dikkatle önlenir. Otomatik sistem cihazları senkronize etmek donanım tetik sinyalleri kullanarak, kontrol ayarları ve deneysel ölçümleri kaydeder. Bu cihaz ve bu yöntemler diğer tekniklerle mümkün olmayan ölçümleri üretmek ve optimizasyon ve sıvı metal piller gibi elektrokimyasal teknolojilerin kontrolünü sağlayabilirsiniz.

(yukarıda detaylı olarak tarif edilmiştir) ses hızını ölçmek için prosedür, sinyal işleme SA tarafından kullanılan yöntemlerden uyarlanmıştır. Prensip olarak, ses hızı sorunsuz bir şekilde bilinen aralığında bir duvar bir yankı uçuş süresinin ölçülmesi suretiyle elde edilebilir. Ama tam dönüştürücü yüz etkili konumunu ölçen zordur, bu yüzden onun yerine biri ölçümler arasında bilinen bir mesafe ile duvara yerinden bir mikrometre kullanılarak, iki kez uçuş süresini ölçebi...

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

Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

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

Sıvı Metal Elektrot Ultrason Hızı Ölçümü

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

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

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Sound

SCIENTISTS IN ACTION

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

Video: Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode

Echo Particle Image Velocimetry

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

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

Parçacık Hızı Echo

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

Mühendislik

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.

Yüzey-akustik dalga odaklı Akustik-ters akışlı Mikroakiskan Fabrikasyon, İşletme ve Akış Görselleştirme

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.

Non-Newtonian Akışkanlar Bırak Etkisi Dynamics Eğitim Hızlı Görüntüleme Tekniği

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.

Bir Yöntem Yüzey Oksidasyon ve İndirgeme yoluyla Sıvı Metal Yüzey Gerilim işleyin

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

Kimya

AC Electrokinetic Phenomena Generated by Microelectrode Structures

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

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

AC Elektrokinetik Olaylar Mikroelektrod Yapıları tarafından oluşturuldu

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, ...

Biyoloji

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.

Görsel olarak bağlı normal yüzeylerde yeni başlayan parçacık çekimde karakterizasyonu: çalkantılı koşullarına Laminer üzerinden

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.

Üretimi ve Electrohydrodynamic kontrolünü akar sulu elektrolit çözümlerinde

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.

Atomizasyon ve Acoustofluidics için Kalınlık Modu Piezoelektrik Cihazların İmalatı ve Karakterizasyonu

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.

Performans Test platformu ve tel Micropump FR-4 bakır kaplı elektrot plaka ile için

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

Biyomühendislik

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.

Farelerde Nabız Dalga Hızı Değerlendirmesi ultrason tabanlı

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 ...