يستخدم قياس السرعة بالموجات فوق الصوتية لدراسة الخلط عن طريق تدفق السوائل في أقطاب معدنية سائلة. ينصب تركيز هذه المخطوطة على توضيح الطرق المستخدمة لإجراء قياسات دقيقة للموجات فوق الصوتية محلوبة مكانيا مع الحد من الأكسدة والتحكم في درجة الحرارة ومراقبتها والتيار المطبق وطاقة السخان التي يتم توفيرها.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
الموجات فوق الصوتية قياس السرعة في المعدن السائل الكهربائي
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
وهناك عدد متزايد من التقنيات الكهروكيميائية تعتمد على تدفق السوائل، وكثير من الأحيان أن السائل هو معتم. قياس التدفق من السائل معتم بطبيعته أكثر صعوبة من قياس تدفق السوائل شفافة، لأن وسائل بصرية غير قابلة للتطبيق. الموجات فوق الصوتية يمكن أن تستخدم لقياس سرعة من السوائل مبهمة، وليس فقط في نقاط معزولة، ولكن على مئات أو آلاف من النقاط المحتشدة على طول خطوط، مع القرار الزماني جيد. عندما يطبق على القطب المعدن السائل، velocimetry الموجات فوق الصوتية ينطوي على تحديات إضافية: ارتفاع في درجة الحرارة، والنشاط الكيميائي، والتوصيل الكهربائي. نحن هنا وصف الجهاز والأساليب التي تغلب على هذه التحديات وتمكين قياس التدفق في القطب المعدن السائل، كما تجري الحالي، في درجة حرارة التشغيل التجريبي. وينظم درجة الحرارة داخل ± 2 ° C باستخدام وحدة تحكم النسبي، جزءا لا يتجزأ المشتقة (PID) أن القوى فرن مبنية خصيصا. النشاط الكيميائي هو رجلالذين تتراوح أعمارهم بين باختيار مواد سفينة بعناية وحبس الإعداد التجريبية في صندوق قفازات مليئة الأرجون. أخيرا، يمنع بعناية المسارات الكهربائية غير مقصودة. النظام الآلي بتسجيل إعدادات التحكم والقياسات التجريبية، وذلك باستخدام إشارات الزناد الأجهزة لمزامنة الأجهزة. هذا الجهاز وهذه الطرق يمكن أن تنتج القياسات التي من المستحيل مع غيرها من التقنيات، والسماح الأمثل والسيطرة على التقنيات الكهروكيميائية مثل البطاريات المعدنية السائلة.
المقدمة
البطاريات المعدنية السائلة هي تكنولوجيا واعدة لتوفير تخزين الطاقة على نطاق واسع على شبكات الكهرباء في جميع أنحاء العالم 1. هذه البطاريات توفر كثافة عالية من الطاقة، وارتفاع كثافة الطاقة، ودورة حياة طويلة، والتكلفة المنخفضة، مما يجعلها مثالية لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة 3. إدخال البطاريات المعدنية السائلة إلى شبكة الطاقة من شأنها أن تسمح ذروة الحلاقة، وتحسين الاستقرار الشبكة، وتمكينها من استخدام أكثر انتشارا بكثير من مصادر الطاقة المتجددة متقطعة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، وطاقة المد والجزر. وتتكون البطاريات المعدنية السائلة من قطبين المعادن السائلة مفصولة بالكهرباء الملح المصهور، كما هو موضح بمزيد من التفصيل في العمل قبل 1. على الرغم من العديد من تركيبات مختلفة من المعادن والكهارل يمكن أن يؤدي إلى بطارية المعدن السائل العمل، ومبادئ العملية لا تزال هي نفسها. ويتم اختيار المعادن مثل هذا أنه مواتية بقوة لهم لتشكيل السبائك. وبالتالي صناعة السبائك يصرف البطارية، وتهم صناعة السبائك دي عليه. سايتم اختيار طبقة لتر بحيث يسمح ايونات المعادن بالمرور بين القطبين، ولكن كتل نقل الأنواع المحايدة، مما يتيح السيطرة الكهروكيميائية للنظام.
وهذا العمل تقدم السائلة تكنولوجيا البطاريات المعدنية عن طريق قياس ومراقبة الآثار النقل الجماعي. وأبلغ الأساليب المذكورة هنا من قبل الطرق الكهروكيميائية وضعت لالبطاريات المعدنية السائلة بنسبة Sadoway آخرون 4/1 وكذلك في وقت سابق سائل عمل البطارية المعدنية في مختبر أرغون الوطني 5،6، وعمل المجتمع الأوسع الكهروكيميائية (بارد وفولكنر 7 توفير العديد من المراجع ذات الصلة). الأساليب المذكورة هنا أيضا بناء على دراسات ديناميات السوائل السابقة. وقد وضعت الموجات فوق الصوتية velocimetry واستخدم لأول مرة في الماء 8،9 ومنذ ذلك الحين تم تطبيقها على المعادن السائلة بما في ذلك الغاليوم 10،11، 12،13 الصوديوم، الزئبق 14، الرصاص البزموت 15 والنحاس والقصدير 15 </ سوب>، ويؤدي ليثيوم 16، وغيرها. إيكرت وآخرون تقديم استعراض مفيد للvelocimetry في المعادن السائلة 17.
العمل باستخدام الطرق الحديثة مماثلة لتلك المذكورة هنا 18 أثبتت أن التيارات بطارية يمكن أن تعزز النقل الجماعي في أقطاب معدنية سائلة. لأن النقل الجماعي في القطب الموجب هو الحد من معدل خطوة في الشحن والتفريغ من البطاريات المعدنية السائلة، والاختلاط بالتالي يسمح تهمة أسرع والتفريغ من شأنه أن يكون الأمر خلاف ذلك ممكن. وعلاوة على ذلك الاختلاط يمنع التجانس المحلية في القطب، والتي يمكن أن تشكل المواد الصلبة التي تحد من دورة حياة البطارية. في العمل الجاري، ونحن نواصل دراسة دور تدفق السوائل في القطب الموجب للبطارية المعدن السائل، والذي ينشأ بسبب القوى الحرارية والكهرومغناطيسية. التدرجات الحرارية بالسيارة تدفق الحمل الحراري من خلال الطفو، والتيارات البطارية بالسيارة تدفق من خلال التفاعل مع المجالات المغناطيسية الناتجة عن الخليطذ التيارات أنفسهم. في التجارب باستخدام الأساليب المذكورة أدناه، لاحظنا التدفقات مع رقم رينولدز 50 <رد <200، وتحسب من عمق القطب وجذر متوسط مربع السرعة. ويجري توصيف تجريبي شامل وسوف تستخدم مجموعة البيانات الناتجة لبناء نماذج التنبؤ البطارية. محور هذه المخطوطة على تصميم والإجراءات المطلوبة لإنتاج مثل هذه البيانات التجريبية. يوفر الموجات فوق الصوتية velocimetry الجزء الأكبر من القياسات، والظروف التجريبية يجب السيطرة بعناية من أجل استخدام الموجات فوق الصوتية بنجاح في المعدن السائل. يجب أن تكون جميع المدارة ارتفاع في درجة الحرارة، والنشاط الكيميائي، والتوصيل الكهربائي بعناية.
أولا، البطاريات المعدنية السائلة تعمل بالضرورة في درجة حرارة عالية، لأن كلا من المعادن والأملاح التي تفصل بينهما يجب أن تكون المنصهر. خيار واحد واعد للمواد، والذي يستخدم الليثيوم باعتبارها القطب السالب، الرصاص الأنتيمون كما كهربائي إيجابيtrode، ومزيج سهل الانصهار الأملاح الليثيوم كما المنحل بالكهرباء، ويتطلب درجة حرارة حوالي 550 درجة مئوية. قياس التدفق من السائل مبهمة في درجات الحرارة المرتفعة هذه هي صعبة للغاية. وقد أثبتت محولات الموجات فوق الصوتية ذات درجة الحرارة العالية، التي تفصل بين المكونات الكهربائية والصوتية حساسة من السائل اختبار مع الدليل الموجي السمعي و 15 و تسويقها. ومع ذلك، لأن محولات الطاقة لديها فقدان الإدراج قرب 40 ديسيبل، وبسبب صعوبة العامة للعمل في درجات الحرارة هذه، وقد تم اختيار نظام بديل للدراسة الأولية: ويمكن أيضا إجراء بطارية المعدن السائل باستخدام الصوديوم كمادة سلبي القطب، سهل الانصهار 44٪ من الرصاص 56٪ البزموت (الآخرة، ePbBi) كما القطب الموجب، ومزيج سهل الانصهار الثلاثي من أملاح الصوديوم (10٪ يوديد الصوديوم، و 38٪ هيدروكسيد الصوديوم، 52٪ أميد الصوديوم) كما بالكهرباء. هذه البطارية هي منصهرة تماما فوق 127 درجة مئوية، مما يجعلها أكثر استعدادا بكثير لدراسة مختبرية. لأنه يتكون من ثلاثة السائلطبقات مفصولة الكثافة، لأنه يخضع لنفس الفيزياء عن غيرها من البطاريات المعدنية السائلة. وكان متوافقا مع محولات الموجات فوق الصوتية متاحة بسهولة، والتي تصنف إلى 230 درجة مئوية، لا تنطوي على خسائر الدليل الموجي، وتكلف أقل بكثير من محولات ذات درجة الحرارة العالية. هذه التجارب عادة ما تجري في 150 ° C. في ذلك درجة الحرارة، ePbBi ديه اللزوجة ν = 2.79 × 10 -7 م 2 / ثانية، انتشارية الحراري κ = 6،15 × 10 -6 م 2 / ثانية، والانتشارية المغناطيسي η = 0.8591 م 2 / ثانية، مثل هذا العدد Prandtl منه هو العلاقات العامة = ν / κ = 4.53 × 10 -2 ورقمه Prandtl المغناطيسي مساء = ν / η = 3.24 × 10 -7.
على الرغم من هذه درجات الحرارة المنخفضة السائل الكيمياء بطارية المعادن يجعل دراسات تدفق أسهل بكثير مما لو كانت في البطاريات أكثر سخونة، ويجب مع ذلك أن تدار بعناية درجة الحرارة. يجري الأجهزة الكهربائية الصوتية الدقيقة، محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية هي susceptiblه إلى ضرر من الصدمة الحرارية، وبالتالي يجب أن تكون ساخنة تدريجيا. تتطلب قياسات عالية الجودة الموجات فوق الصوتية أيضا تنظيم درجة الحرارة دقيق. الموجات فوق الصوتية velocimetry يعمل مثل السونار، كما هو مبين في الشكل رقم 1: محول تنبعث زمارة (هنا، والتردد هو 8 ميغاهيرتز)، ثم يستمع لصدى. عن طريق قياس الوقت الرحلة من الصدى، والمسافة إلى الجسم مرددا يمكن أن تحسب، وذلك عن طريق قياس التحول دوبلر للصدى، عنصر واحد من سرعة الجسم يمكن أيضا أن تكون محسوبة. في الماء، يجب إضافة جزيئات التتبع لإنتاج أصداء، ولكن ليس هناك حاجة لجزيئات التتبع في المعادن السائلة، وهي حقيقة ليست مفهومة في التفاصيل ولكن عادة ما يرجع إلى وجود جسيمات أكسيد معدنية صغيرة. كل قياس في المتوسط على كل الجسيمات التتبع في حجم الاستجواب. في هذا العمل، والحد الأدنى قطرها 2 ملم، على مسافة 30 مم من التحقيق. على الرغم من الأكسدة قد يحد في نهاية المطاف مدة من التجارب، وذلك باستخدام عشرطرق البريد الوارد وصفها أدناه، حققنا القياسات بشكل مستمر لطالما 8 ساعات.
حساب المسافة أو السرعة يتطلب معرفة سرعة الصوت في السائل اختبار، وأن سرعة يختلف مع درجة الحرارة. العمل الموصوف هنا يركز على التدفق في القطب السالب ePbBi، حيث سرعة الصوت هي 1766 متر / ثانية عند 150 ° C، 1765 م / ثانية في 160 ° C، و1767 م / ثانية في 140 ° C 19. وبالتالي عدم كفاية التحكم في درجة الحرارة من شأنه أن يعرض الأخطاء المنهجية في القياسات الموجات فوق الصوتية. وقد تم إنشاء جهاز لقياس سرعة الصوت في ePbBi، وإيجاد القيم متسقة مع تلك التي نشرت وقبلها وكالة الطاقة النووية 19 (انظر أدناه). أخيرا، منذ الحمل الحراري هو المحرك الرئيسي للتدفق في البطاريات المعدنية السائلة، فإن كلا من متوسط درجات الحرارة والفرق في درجة الحرارة بين الجزء العلوي والسفلي من القطب ePbBi تؤثر بشكل مباشر على الملاحظات. للحصول على نتائج متسقة ودقيقة الحراريةالسيطرة أمر ضروري.
وفقا لذلك، يتم قياس درجة الحرارة باستمرار مع ثلاثة على الأقل المزدوجات الحرارية K نوع، تسجيل قياساتهم الكترونيا مع جهاز اكتساب القائم على الحاسوب وبرنامج ابفيف العرف مكتوب. برنامج يتحكم أيضا في امدادات الطاقة التي توفر البطارية الحالية، عبر اتصال USB. سجلات التيار البطارية والجهد. ويرسل نبضات الزناد في الصك الموجات فوق الصوتية، بحيث يمكن مزامنة البيانات مع القياسات الأخرى. ويرد مخطط النظام في الشكل 2. يتم توفير الحرارة من الفرن مبنية خصيصا (كما هو موضح أيضا في الشكل 2)، الذي يحتوي على اثنين 500-W عناصر التدفئة الصناعية مدعوم من التتابع تحولت من قبل النسبي-لا يتجزأ التفاضلية (PID) وحدة تحكم. وتتكون لوحة قاعدة التي تدعم خلايا البطارية من الألمنيوم الصلب. بسبب التوصيل الحراري هو أمر من حجم أعلى من التوصيل الحراري للالواحد غير القابل للصدأسفينة خلية البطارية ثعبان البحر وePbBi أنه يحتوي على 19، ودرجة الحرارة من الطابق فرن تقريبا موحدة. وعلاوة على ذلك قاعدة الألومنيوم يضاعف من مسار التيارات الكهربائية التي تمر عبر القطب. في التوصيل الكهربائي هو أيضا أمر من حجم أعلى من الفولاذ المقاوم للصدأ أو ePbBi، وبالتالي فإن الجهد من الطابق فرن هو أيضا حوالي موحدة. العازلة الساقين منفصلة قاعدة من على مقاعد البدلاء دون رأس، ومنع الحروق والسراويل. يتم عزل جانبي السفينة البطارية مع السيليكا العازلة السيراميك، وقطع لتناسب السفينة عن كثب ولكن تترك مجالا للوصول إلى ميناء الموجات فوق الصوتية للخلية. أخيرا، تترافلوروإيثيلين (PTFE) غطاء يعزل الخلية من فوق ويحمل جامع الحالي سلبي والمزدوجات الحرارية في المكان. على الرغم من وحات الساخنة المتاحة تجاريا يمكن تحقيق درجات الحرارة المطلوبة لهذه التجارب، ويحافظ على لدينا فرن مبنية خصيصا درجة الحرارة مع أمر من حجم أقل الاختلاف، وهوND أيضا يسمح لنا لقياس الطاقة الحرارية مباشرة.
بالإضافة إلى التحديات المرتبطة درجة الحرارة، وهناك تحديات المرتبطة بالنشاط الكيميائي. في 150 ° C، وهو القطب الموجب ePbBi متوافق كيميائيا مع العديد من المواد المشتركة. A القطب السالب الصوديوم، ولكن يفسد العديد من المواد، يتأكسد بسهولة، ويتفاعل بقوة مع الرطوبة. A القطب السالب الليثيوم هو أيضا عدوانية، وخاصة لأن البطاريات المعدنية السائلة القائمة على الليثيوم عادة تشغيل درجات الحرارة أعلى بكثير. على الرغم من تلك النظم ارتفاع درجات الحرارة هي خارج نطاق هذا العمل، وتستخدم العديد من نفس التدابير لإدارة النشاط الكيميائي هنا كما هو الحال في تلك الأنظمة. جميع التجارب وصفها هنا تجري في صندوق قفازات مليئة الأرجون التي تحتوي على كميات ضئيلة فقط من الأكسجين أو الرطوبة. يتم السفينة البطارية من سبائك 304 الفولاذ المقاوم للصدأ، والذي يفسد الحد الأدنى حتى مع الليثيوم في 550 ° C. المزدوجات الحرارية والتيار السلبيمصنوعة جامع أيضا من الفولاذ المقاوم للصدأ. يتم اختيار الهندسة السفينة لمباراة السفن المستخدمة لاختبار الكهروكيميائية من البطاريات المعدنية السائلة، إلى نموذج بأكبر قدر ممكن من الأنظمة التي يجري تسويقها. السفينة، كما هو موضح في الشكل رقم 2، أسطواني، مع 88.9 مم القطر الداخلي وعلى عمق 67 مم. جميع جدران الأوعية هي 6.4 مم. السفينة تختلف عن تلك المستخدمة في التجارب السابقة، ومع ذلك، في أن لديها منفذ الموجات فوق الصوتية. ميناء يمر عبر الجدار الجانبي على طول قطرها الأفقي للاسطوانة، ومركز للميناء هو 6.6 مم فوق أرضية السفينة. ميناء 8 مم في القطر لاستيعاب 8 مم الموجات فوق الصوتية محول، والأختام حول محول مع أرجح. في هذه التجارب، القطب المعدن السائل هو مجرد عميقة بما فيه الكفاية لتغطية محول بالموجات فوق الصوتية، وعادة 13 ملم.
من أجل تحقيق إشارات الموجات فوق الصوتية القوية، واحدة يتطلب نقل الصوتية جيدةبين محول بالموجات فوق الصوتية وتحقيقات أنه السوائل (ePbBi). تنتقل الطاقة الصوتية القصوى عند مقاومة الصوتية للمواد محول وسائل اختبار متطابقة. عندما تختلف ممانعات، وإشارات تعاني. وضع محول بالموجات فوق الصوتية على اتصال مباشر مع نظيفة ePbBi (كما أصبح ممكنا بفضل ميناء المذكورة أعلاه) يقدم إشارة وافرة، في كثير من الأحيان لساعات في وقت واحد. أكاسيد المعادن، ومع ذلك، فقد مقاومة مختلفة جدا، وربما يتعارض أيضا مع التبول عن طريق تغيير التوتر السطحي. إذا يتأكسد في ePbBi إلى حد كبير، وإشارات الموجات فوق الصوتية تتحلل وتختفي في وقت قريب. مرة أخرى، جو خامل أمر ضروري. إذا كميات ضئيلة من الأوكسجين تسبب بعض الأكسدة على الرغم من ذلك، هو منزوع الدسم على سطح معدن أكسيد قبل نقل ePbBi في الإناء البطارية.
أخيرا، تحديات هذه التجارب الحالية بسبب وجود تيارات كهربائية. على الرغم من أن التيارات التي نقدمها بين العلمية والتكنولوجية المركزيةمؤسسة، كانت كبيرة بما فيه الكفاية (30 أ) أن يسبب ضررا إذا توجيهها بشكل غير صحيح. المزدوجات الحرارية اساس لها تضمن أن التيارات الكهربائية الضارة لا تمر عبر الجهاز الحصول على البيانات أو الكمبيوتر الذي يعتمد عليه، لأن المزدوجات الحرارية اساس لها ليس لها الربط الكهربائي الداخلي من غمد واقية إما إشارة الأسلاك. كذلك لا بد من استخدام محولات الموجات فوق الصوتية اساس لها (اشارة تجهيز SA، TR0805LTH) لمنع التيار طائشة من إتلاف أداة قيمة الموجات فوق الصوتية (اشارة تجهيز SA، DOP 3010). كما ذكر سابقا، وقاعدة من الفرن يعمل على توصيل التيار الكهربائي، ويجب أيضا أن تكون معزولة كهربائيا عن محيطها.
في القطب ePbBi، يسبب تيار التدفئة أومية، ويحتمل أن يعطل درجة الحرارة. وبالتالي فإن نظام التحكم الحراري الآلية يجب أن تكون قادرة على التكيف مع التغيرات في المدخلات الحرارة. ويبين الشكل 3 كيف أن درجة حرارة القطب ePbBi تختلف الوغد كماتدفقات الإيجار من خلال ذلك، وكيف يعدل وحدة تحكم PID للتعويض. أن الحفاظ على درجة حرارة ثابتة مع التيارات الكبيرة (50 A = 800 مللي أمبير / سم) تتطلب تبريد إضافية، ولكن في أقل التيارات أكثر واقعية للبطاريات السائلة المعادن في التطبيقات الصناعية (عادة 17 A = 275 مللي أمبير / سم 1)، وحدة تحكم قادر لتعويض التدفئة أومية وعقد اختلاف درجة الحرارة إلى 2 درجة مئوية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. إعداد النظام والجمعية
- تنظيف محول بالموجات فوق الصوتية مع الأيزوبروبانول.
- تحميل صندوق قفازات.
- تحميل المعدات والمواد (بما في ذلك محول بالموجات فوق الصوتية، ePbBi، وإثارة عصا، والمزدوجات الحرارية) في صندوق قفازات، تنفيذا لتعليمات الشركة المصنعة صندوق قفازات للحد من دخول الأوكسجين والرطوبة المطلوبة.
- الحفاظ على مواد مسامية تحت فراغ في غرفة انتظار صندوق قفازات لمدة 12 ساعة قبل دخول صندوق قفازات.
- ضبط تحكم PID (المرة الأولى فقط).
- وضع نفس الكمية من صلب ePbBi في الإناء البطارية التي سيتم استخدامها في التجارب (840 غرام).
- وضع العزل الفرن حول السفينة البطارية إذا لم تكن هناك، ووضع غطاء فوق السفينة البطارية، جنبا إلى جنب مع جامع الحالي سلبي والمزدوجات الحرارية.
- جعل جميع التوصيلات الكهربائية للالمزدوجات الحرارية وطاقة الفرن، كما هو مبين في الشكل لدى عودتهم 2B.
- الشروع في ضبط التلقائي للتحكم PID، وذلك باستخدام 150 ° C كنقطة مجموعة. ملاحظة: تفاصيل هذه الخطوة تختلف، اعتمادا على الشركة المصنعة تحكم PID والنموذج. وحدة تحكم المستخدمة هنا لصناعة السيارات في الإيقاعات من خلال التحكم في أربع دورات الحرارية كاملة، من RT إلى درجة حرارة التشغيل، على مدار ساعة.
- استخدام مفاتيح الأسهم لضبط نقطة مجموعة (كما هو موضح بشكل افتراضي بعد ضبط جهاز التحكم) إلى 150 ° C.
- اضغط مع الاستمرار على زر حلقة لمدة 3 ثوانى لدخول حلقة المخفية. ثم اضغط على زر حلقة بشكل متكرر حتى يظهر على الشاشة تحكم "اللحن". استخدام مفاتيح الأسهم لتغييره إلى YES.
- إدراج الحرارية واستخدام محطة لرصد وتسجيل درجات الحرارة.
- مرة واحدة لصناعة السيارات في تناغم كامل، تسجيل المعلمات النسبي، متكاملة، والمشتقة أن وحدة تحكم PID اختارت تلقائيا باستخدام واجهة تحكم، وفقا رس تعليمات الشركة الصانعة.
2. قياس سرعة الصوت
- استخدام فرن لصهر بما فيه الكفاية ePbBi للتجربة، لا يقل عن 400 غرام. ملاحظة: سوف المبلغ المطلوب تختلف عن معدات مختلفة، وePbBi يذوب في 125 ° C.
- إذا لزم الأمر، وإزالة أكسيد الزائد عن طريق القشط عليه من السطح العلوي للePbBi باستخدام عصا ضجة.
- إدراج محول بالموجات فوق الصوتية في جهاز قياس سرعة الصوت وتشديد الاتصال أرجح لمنع التسرب، ثم إدراج الحرارية واستخدام محطة لرصد وتسجيل درجات الحرارة.
- نقل المعدن المنصهر لجهاز قياس سرعة الصوت.
- وضع جهاز قياس سرعة الصوت على قاعدة الفرن وتركها هناك لمدة 2 دقيقة إلى زيادة تدريجية في درجة الحرارة وتجنب الصدمة الحرارية.
- الاستعداد لنقل آمن عن طريق إزالة المعدات أو المواد الحساسة للحرارة من المنطقة.
- إضافة صباحا صغيرounts من المعدن المنصهر في وقت واحد، لأن الصدمة الحرارية يمكن أن تلحق الضرر محول بالموجات فوق الصوتية. إضافة ePbBi حتى على حد سواء المغمورة وجه محول ورئيس ميكرومتر تماما.
- الانتظار حتى تبقى درجة الحرارة مستقرة في حدود 1 درجة مئوية لمدة 5 دقائق على الأقل قبل القياسات بداية، منذ سرعة الصوت تعتمد على درجة الحرارة.
- أصداء قياس الموجات فوق الصوتية في موقعين.
- تعيين طرف ميكرومتر إلى مكان تعسفيا، بل المعروفة. تسجيل القياسات صدى الموجات فوق الصوتية واتباع التعليمات المقدمة من قبل الشركة المصنعة الصك.
- باستخدام الاتصال الهاتفي ميكرومتر، نقل معلومات سرية ميكرومتر لمسافة معروفة. سجل الموجات فوق الصوتية قياسات الصدى.
- إزالة المعدن المنصهر من جهاز قياس سرعة الصوت وتخزينه في وعاء التي تتحمل الحرارة.
- لتحديد سرعة الصوت، صدى مؤامرة السعة بوصفها وظيفة من الزمن صدى لكل من القياسين. موقع أصداء من المناسب منحنى جاوسإلى كل صدى الذروة، كما في الشكل لدى عودتهم 4. حساب سرعة الصوت عن طريق قسمة المسافة التهجير من قبل الفرق في أوقات الذروة الصدى.
3. الموجات فوق الصوتية قياس السرعة
- تذوب بما فيه الكفاية ePbBi للتجربة (840 غرام)، وإزالة أكسيد الزائد إذا لزم الأمر. ملاحظة: للحصول على أفضل النتائج، استخدم نفس الكمية من ePbBi الذي تم استخدامه لضبط تحكم PID.
- إدراج محول بالموجات فوق الصوتية في الإناء البطارية وتشديد الاتصال أرجح لمنع التسرب، وضمان أن قاعدة الفرن هو المستوى.
- نقل المعدن المنصهر في وعاء البطارية.
- وضع السفينة البطارية على قاعدة الفرن وتركها هناك لمدة 5 دقائق إلى زيادة تدريجية في درجة الحرارة وتجنب الصدمة الحرارية. الاستعداد لنقل آمن عن طريق إزالة المعدات أو المواد الحساسة للحرارة من المنطقة.
- إضافة كميات صغيرة من المعدن المنصهر في وقت واحد، لأن الصدمة الحرارية يمكن أن تلحق الضرر المجاهدينمحول trasound.
- انتظر حتى تصل درجة الحرارة الى 150 درجة مئوية قبل القياسات بداية، منذ سرعة الصوت تعتمد على درجة الحرارة.
- الانتهاء من تجميع الجهاز.
- وضع العزل الفرن حول السفينة البطارية إذا لم تكن هناك. وضع غطاء فوق السفينة البطارية، جنبا إلى جنب مع جامع الحالي سلبي والمزدوجات الحرارية. مما لا شك فيه أن كل متوضعة على وجه التحديد وrepeatably. الياقات رمح تعمل بشكل جيد لهذا الغرض.
- جعل جميع التوصيلات الكهربائية لكل من السلطة والإشارات، كما هو مبين في الشكل لدى عودتهم 2B. استخدام جهاز قياس المقاومة للتحقق من عدم وجود مسارات الكهربائية غير مقصودة موجودة، أي التحقق من أن المقاومة الكهربائية بين جامع الحالي سلبي وكل إشارة يؤدي هي على الأقل 1 MΩ.
- بدء إجراء القياسات.
- بدء تسجيل درجات الحرارة والرصد، والطاقة سخان، والجهد البطارية، وبطاريةالتيار. ملاحظة: وهنا، تم استخدام محطة عمل تشغيل مخصصة كود ابفيف لتسجيل جميع القياسات، مع الطوابع الزمنية المقابلة.
- ضبط إعدادات أداة الموجات فوق الصوتية عند الضرورة.
- تأكد من ضبط سرعة الصوت، وذلك باستخدام درجة حرارة مناسبة، وفقا لنموذج قبلت 19. لePbBi في 150 ° C المستخدمة أدناه، ضبط السرعة إلى 1760 م / ثانية.
- ضبط نبض تردد التكرار بحيث أعماق صدى متقاربون (عادة 0.25 ملم).
- ضبط عدد البوابة بحيث صدى كبيرا من الجدار الآخر من السفينة يبدو في بوابات القليلة الماضية. أنه يوفر التعقل الاختيار مفيدة بالنسبة للقضايا قوة الإشارة استكشاف الأخطاء وإصلاحها.
- باستخدام الإرشادات المتوفرة من قبل الشركة المصنعة، تعيين أداة لأجهزة اثار.
- بدء تسجيل ورصد سرعة مع صك بالموجات فوق الصوتية عن طريق الشروع اثار من محطة العمل. سجل أربعة أنماط من سرعة في الثانية ل30دقيقة.
- ضبط الحالي البطارية إلى 5 A، الانتظار 5 دقائق لتدفق لتحقيق الاستقرار، ومن ثم تسجيل أربعة أنماط من سرعة في الثانية لمدة 30 دقيقة.
- كرر الخطوة 3.5 ل10 A، 15 A، 20 A، 25 A، و 30 A.
ملاحظة: العديد من الخطط التجريبية أخرى ممكنة أيضا، بما في ذلك التغيرات في درجات الحرارة والتغيرات الملساء في التيار. أدنى مستوى الغلاف الجوي في الأوكسجين والرطوبة يسمح التجارب مع نوعية جيدة إشارة لساعات أو أكثر. - وبمجرد أن التجارب كاملة، ووقف تسجيل البيانات وإيقاف الفرن. قطع التوصيلات الكهربائية وإزالة غطاء الفرن. إزالة المعدن المنصهر من السفينة البطارية، باستخدام نفس الإجراءات لنقل آمنة التي كانت تستخدم عند تعبئة السفينة. تخزين ePbBi المنصهر في وعاء التي تتحمل الحرارة. إضافة الأرجون اضافية لصندوق قفازات. وضغوطها تنخفض مع تباطؤ غلافه الجوي.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
تم تعديل الإجراء لقياس سرعة الصوت (وصفها بالتفصيل أعلاه) من الأساليب التي تستخدمها الإشارة تجهيز SA. من حيث المبدأ، يمكن بسهولة الحصول على سرعة الصوت عن طريق قياس الوقت الرحلة من صدى من الجدار في مجموعة معروفة. لكن قياس بدقة الموقع الفعلي للوجه محول من الصعب، وذلك بدلا يمكن لأحد أن قياس زمن الرحلة مرتين، وذلك باستخدام ميكرومتر لتهجير الجدار لمسافة المعروفة بين القياسات. تلك المسافة التهجير، والفرق في الوقت الذي تم قياسه الرحلة، تسفر معا سرعة الصوت. يظهر جهاز يستخدم لقياس سرعة الصو...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
يمكن أن تقنيات الموجات فوق الصوتية تنتج قياسات السرعة في مئات أو آلاف من المواقع في سائل شفاف أو غير شفاف، عدة مرات في الثانية الواحدة. يطبق على القطب المعدن السائل، وتقنيات الموجات فوق الصوتية تواجه تحديات ارتفاع في درجة الحرارة، والنشاط الكيميائي، والتوصيل الكهربائي. وقد وصفت وسائل للتغلب على تلك التحديات وقياس التدفق في نشطة أقطاب معدنية سائلة. أولا، مادة القطب تخضع لنفس الفيزياء كما درجات حرارة عالية أقطاب بطارية المعدن السائل (550 درجة مئوية) ولكن التشغيلية درجات حرارة أقل من...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
شكر وتقدير
نحن ممتنون للمساعدة في التصميم والتصنيع من D. De La Cruz ، والمعدات المستعارة من M. Zahn ، والمناقشات الثاقبة مع D.R. Sadoway وعلماء الكيمياء الكهربائية الموهوبين في مجموعته.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| مسبار مزدوج حراري من النوع K | McMaster-Carr | 3856K83 | http://www.mcmaster.com/ |
| Red Lion PID Controller | Red Lion | P1610000 | http://store.redlion.net/store/p16.html |
| الحوسبة الحصول على بيانات | جهاز الحوسبة | شركة USB-2408 | http://www.mccdaq.com/index.aspx |
| مزود الطاقة | TDK-Lambda | GEN 8-90-USB-U | http://us.tdk-lambda.com/hp/ |
| معالجة إشارة أداة الموجات فوق الصوتية | SA | DOP3010 | http://www.signal-processing.com/index.html |
| محول الموجات فوق الصوتية | SA | TR0805LTH | http://www.signal-processing.com/index.html |
| البزموت الرصاص سهل الانصهار | VWR | AA40949-P2 | https://us.vwr.com/ |
المراجع
- Kim, H., et al. Liquid metal batteries: Past, present, and future. Chem. Rev. 113 (3), 2075-2099 (2013).
- Bradwell, D. J., Kim, H., Sirk, A. H. C., Sadoway, D. R. Magnesium-antimony liquid metal battery for stationary energy storage. J. Am. Chem. Soc. 134, 1895-1897 (2012).
- Kim, H., et al. Thermodynamic properties of calcium–bismuth alloys determined by emf measurements. Electrochim. Acta. 60 (0), 154-162 (2012).
- Kim, H., Boysen, D. A., Ouchi, T., Sadoway, D. R. Calcium–bismuth electrodes for large-scale energy storage (liquid metal batteries). J. Power Sources. 241 (0), 239-248 (2013).
- Cairns, E. J., Crouthamel, C. E., Foster, A. K., Foster, M. S., Hesson, J. C. Galvanic cells with fused salts. Technical Report ANL-7316. , Argonne National Laboratory. (1967).
- Cairns, E. J., Shimotake, H. High-temperature batteries. Science. 164 (3886), 1347-1355 (1969).
- Bard, A., Faulkner, L. Electrochemical methods: Fundamentals and applications. , 2nd edition, Wiley. New York. 2nd edition (2001).
- Takeda, Y. Development of an ultrasound velocity profile monitor. Nucl. Eng. Des. 126 (2), 277-284 (1991).
- Takeda, Y. Velocity profile measurement by ultrasonic Doppler method. Exp. Therm. Fluid Sci. 10 (4), 444-453 (1995).
- Brito, D., Nataf, H. -C., Cardin, P., Aubert, J., Masson, J. -P. Ultrasonic Doppler velocimetry in liquid gallium. Exp. Fluids. 31, 653-663 (2001).
- Yanagisawa, T., Yamagishi, Y., Takeda, Y. Structure of large-scale flows and their oscillation in the thermal convection of liquid gallium. Phys. Rev. E. 82, 016320(2010).
- Eckert, S., Gerbeth, G. Velocity measurements in liquid sodium by means of ultrasound Doppler velocimetry. Exp. Fluids. 32 (5), 542-546 (2002).
- Brawn, B. E., Joshi, K., Lathrop, D. P., Mujica, N., Sisan, D. R. Visualizing the invisible: Ultrasound velocimetry in liquid sodium. Chaos. 15, 041104(2005).
- Takeda, Y., Kikura, H. Flow mapping of the mercury flow. Exp. Fluids. 32 (2), 161-169 (2002).
- Eckert, S., Gerbeth, G., Melnikov, V. I. Velocity measurements at high temperatures by ultrasound Doppler velocimetry using an acoustic wave guide. Exp. Fluids. 35, 381-388 (2003).
- Ueki, Y., et al. High-temperature ultrasonic Doppler velocimetry for lead-lithium flows. Zero-Carbon Energy Kyoto 2011, Green Energy and Technology. Yao, T. , Springer. Japan. 267-272 (2012).
- Eckert, S., Cramer, A., Gerbeth, G. Velocity measurement techniques for liquid metal flows. Magnetohydrodynamics. , Springer. Netherlands. 275-294 (2007).
- Kelley, D. H., Sadoway, D. R. Mixing in a liquid metal electrode. Phys. Fluids. 26 (5), (2005).
- NEA. Handbook on lead-bismuth eutectic alloy and lead properties, materials compatibility, thermal-hydraulics, and technologies. , Nuclear Energy Agency. (2007).
- Fauve, S., Laroche, C., Libchaber, A. Effect of a horizontal magnetic field on convective instabilities in mercury. J. Physique Lett. 42 (21), 455-457 (1981).
- Cioni, S., Ciliberto, S., Sommeria, J. Strongly turbulent Rayleigh-Bénard convection in mercury: Comparison with results at moderate Prandtl number. J. Fluid Mech. 335, 111-140 (1997).
- Burr, U., Müller, U. Rayleigh-Bénard convection in liquid metal layers under the influence of a horizontal magnetic field. J. Fluid Mech. 453, 345-369 (1997).
- Bojarevičs, V., Freibergs, Y., Shilova, E. I., Shcherbinin, E. V. Electrically induced vortical flows. , Kluwer Academic Publishers. Dordrecht. (1989).
- Ouellette, N. T., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Am. Exp. Fluids. 40, 301-313 (2006).
- Kelley, D. H., & Ouellette, N. T. Using particle tracking to measure flow instabilities in an undergraduate laboratory experiment. Am. J. Phys. 79, 267-273 (2011).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
