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Engineering

Ultrasuoni misura di velocità in un metallo elettrodo Liquid

Published: August 5, 2015 doi: 10.3791/52622

Abstract

Un numero crescente di tecnologie elettrochimiche dipende flusso del fluido, e spesso che il fluido è opaco. Misurazione del flusso di un fluido opaca è intrinsecamente più difficile di misurare il flusso di un fluido trasparente, poiché i metodi ottici non sono applicabili. Ultrasuoni può essere utilizzato per misurare la velocità di un fluido opaco, non solo in punti isolati, ma a centinaia o migliaia di punti disposti lungo linee, con buona risoluzione temporale. Quando viene applicato a un elettrodo metallico liquido, ecografia velocimetria comporta ulteriori sfide: alta temperatura, attività chimica e conducibilità elettrica. Qui si descrive l'apparecchiatura e metodi che consentono di superare queste sfide e consentire la misurazione del flusso in un elettrodo di metallo liquido, come conduce corrente, alla temperatura di esercizio sperimentale. La temperatura è regolata a ± 2 ° C con un controllore proporzionale-integrale-derivativo (PID) che i poteri di una fornace custom-built. L'attività chimica è uomoinvecchiato scegliendo accuratamente materiali nave e che racchiude il setup sperimentale in un cassetto portaoggetti argon-riempita. Infine, percorsi elettrici non intenzionali sono accuratamente evitati. Un sistema automatizzato registra le impostazioni di controllo e misure sperimentali, utilizzando i segnali di trigger hardware per sincronizzare i dispositivi. Questo apparecchio e questi metodi possono produrre misurazioni che sono impossibili con altre tecniche, e consentire l'ottimizzazione e il controllo delle tecnologie elettrochimiche come le batterie metallo liquido.

Introduction

Batterie metallo liquido sono una tecnologia promettente per la fornitura di accumulo di energia su larga scala di reti elettriche in tutto il mondo 1. Queste batterie offrono alta densità di energia, ad alta densità di potenza, vita di ciclo lunga, ed il basso costo, che li rende ideali per la griglia scala accumulo di energia 3. L'introduzione di batterie metallo liquido per la rete energetica permetterebbe peak shaving, migliorare la stabilità della rete e consente un uso molto più diffuso delle fonti rinnovabili intermittenti come quella solare, eolica e delle maree. Batterie metallo liquido sono composti da due elettrodi metallici liquidi separati da un elettrolita sale fuso, come descritto in maggior dettaglio nella precedente lavoro 1. Sebbene molte combinazioni diverse di metalli e di elettrolita può provocare una batteria di metallo liquido di lavoro, i principi di funzionamento rimangono gli stessi. I metalli sono scelti in modo tale che è energeticamente favorevole per loro per formare una lega; quindi lega scarichi la batteria, e de-lega spese IT. La sastrato lt è scelto in modo da consentire ioni metallici di passare tra i due elettrodi, ma blocca il trasporto di specie neutre, offrendo così il controllo del sistema elettrochimico.

Questo lavoro avanzerà tecnologia delle batterie a metallo liquido quantificando e controllo degli effetti di trasporto di massa. I metodi qui descritti sono informati con metodi elettrochimici sviluppate per le batterie metallo liquido per Sadoway et al. 1-4, così come liquido precedente lavoro della batteria in metallo presso Argonne National Laboratory 5,6, e il lavoro della comunità elettrochimica ampio (Bard e Faulkner 7 fornire molti riferimenti rilevanti). I metodi descritti qui costruiscono anche su precedenti studi di fluidodinamica. Ultrasuoni velocimetria è stato sviluppato e la prima volta nel acqua 8,9 e da allora è stato applicato ai metalli liquidi, tra cui gallio 10,11, sodio 12,13, mercurio 14, piombo-bismuto 15, rame-stagno 15 </ Sup>, e il piombo-litio 16, tra gli altri. Eckert et al. Fornire una revisione utile velocimetry in metalli liquidi 17.

Lavoro con metodi recenti analoghe a quelle qui descritte 18 ha dimostrato che le correnti batteria possono potenziare il trasporto di massa a elettrodi metallici liquidi. Poiché il trasporto di massa nella elettrodo positivo è il fattore limitante in carica e scarica delle batterie metallo liquido, mescolando quindi permette carica veloce e scarico di quanto sarebbe altrimenti possibile. Inoltre miscelazione impedisce disomogeneità locali dell'elettrodo, che può formare solidi che limitano la durata di ciclo di una batteria. Nel lavoro in corso, continuiamo a studiare il ruolo del flusso del fluido nella elettrodo positivo della batteria metallo liquido, che sorge a causa di forze termiche ed elettromagnetiche. Gradienti termici auto flusso convettivo attraverso galleggiamento e correnti batteria auto flusso interagendo con i campi magnetici indotti dal battitorey stesse correnti. In esperimenti utilizzando i metodi descritti di seguito, abbiamo osservato i flussi con numero di Reynolds 50 <Re <200, calcolata dalla profondità degli elettrodi e della velocità root-mean-square. Una caratterizzazione sperimentale approfondita è stata intrapresa e utilizzerà il set di dati risultante di costruire modelli di batteria predittivi. L'obiettivo di questo manoscritto è sulla progettazione e procedure richieste per produrre tali dati sperimentali. Ultrasound velocimetry fornisce la maggior parte delle misurazioni e condizioni sperimentali deve essere attentamente controllata in modo da utilizzare correttamente ultrasuoni in metallo liquido. Ad alta temperatura, attività chimica, e la conducibilità elettrica devono essere tutte gestite con cura.

In primo luogo, le batterie metallo liquido operano necessariamente ad alta temperatura, in quanto entrambi i metalli e il sale che li separa devono essere fuso. Una scelta promettente dei materiali, che usa litio come l'elettrodo negativo, piombo-antimonio come elet positivaelettrodo, e una miscela eutettica di sali di litio come elettrolita, richiede temperature intorno a 550 ° C. Misurazione del flusso di un fluido opaca a temperature così elevate è piuttosto difficile. Trasduttori ad ultrasuoni ad alta temperatura, che separano i componenti elettro-acustici delicati dal fluido di prova con una guida d'onda acustica, sono stati dimostrati 15 e commercializzati. Tuttavia, poiché i trasduttori hanno perdita di inserzione vicino 40 dB, sia per la difficoltà generale di lavorare a tali temperature, un sistema surrogata è stato scelto per studio iniziale: una batteria di metallo liquido può anche essere realizzata con sodio come elettrodo negativo, eutettico 44% piombo 56% di bismuto (di seguito, ePbBi) come elettrodo positivo, e una miscela eutettica tripla di sali di sodio (10% di ioduro di sodio, idrossido di sodio 38%, 52% di ammide di sodio) come elettrolita. Tale batteria è completamente fusa sopra 127 ° C, il che rende molto più suscettibili di studio di laboratorio. Poiché si compone di tre liquidostrati separati da densità, è soggetto alla stessa fisica come altre batterie metallo liquido. Ed è compatibile con trasduttori ad ultrasuoni prontamente disponibili, che sono valutati a 230 ° C, comporta perdite guida d'onda, e costano molto meno di trasduttori ad alta temperatura. Questi esperimenti si svolgono normalmente a 150 ° C. A questa temperatura, ePbBi ha viscosità ν = 2.79 x 10 -7 m 2 / sec, diffusività termica κ = 6,15 x 10 -6 m 2 / sec, e diffusività magnetico η = 0,8591 m 2 / sec, tale che il suo numero di Prandtl è Pr = ν / κ = 4.53 x 10 -2 e il suo numero di Prandtl magnetico è Pm = ν / η = 3.24 x 10 -7.

Anche se questo a bassa temperatura del liquido di chimica della batteria in metallo rende studi sul flusso molto più facile di quanto lo sarebbero in batterie più caldi, la temperatura deve essere comunque gestita con attenzione. Essere delicati dispositivi elettroacustici, trasduttori ad ultrasuoni sono susceptible ai danni da shock termico, e quindi deve essere riscaldata gradualmente. Misure ultrasuoni di alta qualità richiedono un'attenta regolazione della temperatura. Ultrasound velocimetry funziona come sonar, come mostrato in Figura 1: il trasduttore emette un segnale acustico (qui, la frequenza è di 8 MHz), quindi attende echi. Misurando il tempo di volo dell'eco, la distanza dal corpo eco può essere calcolata, e misurando lo spostamento Doppler dell'eco, un componente della velocità del corpo può anche essere calcolato. In acqua, particelle traccianti devono essere aggiunti per produrre echi, ma senza particelle traccianti sono richiesti in metalli liquidi, un fatto che non è compreso in dettaglio, ma è tipicamente attribuito alla presenza di piccole particelle di ossido di metallo. Ogni misura è una media di tutte le particelle traccianti in un volume di interrogatorio; in questo lavoro, il suo diametro minimo è di 2 mm, ad una distanza di 30 mm dalla sonda. Sebbene ossidazione può eventualmente limitare la durata degli esperimenti, utilizzando thMetodi e descritti di seguito, abbiamo fatto misure continuamente finché 8 ore.

Calcolo distanza o velocità richiede la conoscenza della velocità del suono nel fluido di prova, e che la velocità varia con la temperatura. Il lavoro qui descritto si concentra sul flusso nell'elettrodo negativo ePbBi, dove la velocità del suono è 1.766 m / sec a 150 ° C, 1.765 m / sec a 160 ° C e 1.767 m / sec a 140 ° C 19. Così il controllo della temperatura inadeguata introdurrebbe errori sistematici nelle misure ultrasuoni. Un dispositivo è stato costruito per misurare la velocità del suono in ePbBi, trovando valori coerenti con quelle pubblicate e accettato dalla Energy Agency nucleare 19 (vedi sotto). Infine, poiché la convezione termica è un fattore primario di flusso nelle batterie metallo liquido, sia la temperatura media e la differenza di temperatura tra la parte superiore e inferiore dell'elettrodo ePbBi influenzare direttamente osservazioni. Per risultati coerenti, precisi termicocontrollo è essenziale.

Di conseguenza, la temperatura viene misurata continuamente con almeno tre termocoppie tipo K, accedendo loro misurazioni elettronicamente con un dispositivo di acquisizione computerizzata e un programma LabView custom-written. Il programma controlla anche l'alimentatore che fornisce corrente della batteria, tramite una connessione USB; registra la corrente della batteria e la tensione; e invia impulsi di comando allo strumento ad ultrasuoni, in modo che i dati possano essere sincronizzati con le altre misurazioni. Un diagramma di sistema è illustrato in figura 2. Il calore è fornito da un forno su misura (anche mostrato in figura 2), che contiene due elementi riscaldanti industriali 500-W alimentati da un relè commutato da un proporzionale-integrale-differenziale (PID) controllore. La piastra di base che supporta batterie è realizzato in alluminio solido; perché la sua conduttività termica è un ordine di grandezza superiore alla conducibilità termica del acciaio stnave cellula di batteria anguilla e il ePbBi contiene 19, la temperatura del fondo del forno è approssimativamente uniforme. Inoltre la base di alluminio raddoppia come un percorso per la corrente elettrica attraverso l'elettrodo. La conducibilità elettrica è anche un ordine di grandezza superiore a quella dell'acciaio inossidabile o ePbBi, quindi la tensione del pavimento del forno è approssimativamente uniforme. Gambe isolanti separano la base dal banco superiore sotto, evitando bruciature e pantaloncini. I lati del vaso batteria sono isolati con isolamento in ceramica silice, tagliato per adattarsi nave da vicino, ma lasciare spazio per l'accesso la porta ad ultrasuoni della cellula. Infine, un coperchio politetrafluoroetilene (PTFE) isola la cella dall'alto e tiene il collettore di corrente negativo e termocoppie in posto. Sebbene piastre disponibili in commercio possono raggiungere le temperature richieste per questi esperimenti, il nostro forno fuoriserie mantiene la temperatura con un ordine di grandezza inferiore variazione, unnd anche permette di misurare direttamente il potere di calore.

Oltre a problemi associati con la temperatura, ci sono problemi associati con attività chimica. A 150 ° C, un elettrodo positivo ePbBi è chimicamente compatibile con molti materiali comuni. Un elettrodo negativo di sodio, tuttavia, corrode molti materiali, ossida facilmente, e reagisce energicamente con l'umidità. Un elettrodo negativo di litio è anche aggressivo, soprattutto perché le batterie metallo liquido al litio in genere eseguite a temperature molto più elevate. Anche se i sistemi più alta temperatura sono al di fuori del campo di applicazione di questo lavoro, molte delle stesse misure per la gestione attività chimica sono usati qui come in quei sistemi. Tutti gli esperimenti descritti si svolgono in un cassetto portaoggetti argon-riempita contenente solo tracce di ossigeno o umidità. Il vaso batteria è costituito da lega di acciaio inossidabile 304, che corrode minimamente anche con litio a 550 ° C. Le termocoppie e corrente negativacollettore sono anche in acciaio inox. La geometria del serbatoio viene scelto per abbinare navi utilizzate per i test elettrochimico di batterie metallo liquido, per modellare il più fedelmente possibile i sistemi che vengono commercializzati. La nave, illustrata in figura 2, è cilindrica, con un diametro interno 88,9 millimetri e una profondità 67 mm. Tutte le pareti dei vasi hanno uno spessore di 6,4 millimetri. Il vaso differisce da quelli utilizzati per gli esperimenti precedenti, tuttavia, dal fatto che presenta una porta ultrasuoni. La porta passa attraverso la parete laterale lungo un diametro orizzontale del cilindro, ed il centro del porto è di 6,6 mm dal pavimento recipiente. La porta è di 8 mm di diametro ad ospitare un trasduttore ad ultrasuoni 8 mm e guarnizioni attorno al trasduttore con un swage. In questi esperimenti, l'elettrodo di metallo liquido è abbastanza profonda da coprire il trasduttore a ultrasuoni, tipicamente 13 mm.

Per conseguire forti segnali ad ultrasuoni, si richiede buona trasmissione acusticatra il trasduttore a ultrasuoni e le sonde fluidificandolo (ePbBi). Massima potenza acustica viene trasmesso quando l'impedenza acustica del materiale trasduttore e il fluido di prova sono identici; quando le impedenze diverse, segnali soffrono. Posizionando un trasduttore ad ultrasuoni in contatto diretto con pulito ePbBi (resa possibile dalla porta sopra descritto) fornisce ampio segnale, spesso per ore alla volta. Ossidi metallici, però, hanno differenti impedenze, e possono anche interferire con l'irrorazione modificando la tensione superficiale. Se il ePbBi è sostanzialmente ossidato, segnali a ultrasuoni degradano e presto scompaiono. Ancora una volta, atmosfera inerte è essenziale. Se tracce di ossigeno causano alcuni ossidazione tuttavia, la superficie dell'ossido di metallo è scremato prima di trasferire ePbBi nel recipiente della batteria.

Infine, questi esperimenti presentano sfide per la presenza di correnti elettriche. Anche se le correnti sono la nostra tra scientifico e tecnologico centraleest, sono abbastanza (30 A) grande da causare danni se indirizzato in modo errato. Termocoppie senza messa a terra assicurano che le correnti elettriche pericolose non passare attraverso il dispositivo di acquisizione dati o il computer che lo sostiene, perché termocoppie senza messa a terra non hanno alcun collegamento elettrico interno dalla guaina protettiva ad uno dei fili del segnale. Allo stesso modo è indispensabile utilizzare trasduttori ad ultrasuoni senza messa a terra (Signal-Processing SA, TR0805LTH) per evitare correnti vaganti di danneggiare lo strumento ad ultrasuoni prezioso (Signal-Processing SA, DOP 3010). Come accennato in precedenza, la base del forno serve a condurre corrente elettrica, e deve anche essere elettricamente isolata dal suo ambiente.

In dell'elettrodo ePbBi, corrente provoca riscaldamento ohmico, potenzialmente interrompendo la temperatura. Così il sistema automatizzato di controllo termico deve essere in grado di adattarsi alle variazioni di apporto di calore. La figura 3 mostra come la temperatura dell'elettrodo ePbBi varia come curaffitto scorre attraverso di essa, e come il regolatore PID regola per compensare. Mantenere la temperatura costante con correnti grandi (50 A = 800 mA / cm) richiederebbe raffreddamento addizionale, ma le correnti inferiori più realistiche per batterie metallo liquido in applicazioni industriali (tipicamente 17 A = 275 mA / cm 1), il controllore è in grado per compensare il riscaldamento ohmico premuto variazione di temperatura di 2 ° C.

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Protocol

1. Installazione del sistema e montaggio

  1. Pulire il trasduttore ad ultrasuoni con isopropanolo.
  2. Caricare il cassetto portaoggetti.
    1. Carico attrezzature necessarie e materiali (compresi gli ultrasuoni trasduttore, ePbBi, bastoncino, e termocoppie) nel cassetto portaoggetti, seguendo le istruzioni del produttore del cassetto portaoggetti per ridurre al minimo l'ingresso di ossigeno e di umidità.
    2. Tenere i materiali porosi sotto vuoto in anticamera cassetto portaoggetti per 12 ore prima di entrare nel vano portaoggetti.
  3. Tune il regolatore PID (solo la prima volta).
    1. Inserire la stessa quantità di solido ePbBi nel recipiente della batteria che verrà utilizzato in esperimenti (840 g).
    2. Inserire l'isolamento del forno intorno recipiente batteria se non è già presente, e posizionare il coperchio cima recipiente della batteria, con il collettore di corrente negativo e termocoppie.
    3. Effettuare tutte le connessioni elettriche per termocoppie e l'alimentazione della fornace, come mostrato in Fig 2B.
    4. Iniziare la sintonizzazione automatica del regolatore PID, utilizzando 150 ° C, come il set point. Nota: i dettagli di questo passo saranno diverse, a seconda del produttore regolatore PID e il modello. Il controller utilizzato qui auto-tunes controllando quattro cicli termici completi, da RT a temperatura di esercizio, su un percorso di ore.
      1. Utilizzare i tasti freccia per regolare il set point (mostrata di default dopo aver sintonizzato il controllore) a 150 ° C.
      2. Premere e tenere premuto il pulsante loop per 3 secondi per entrare nel ciclo di nascosto. Quindi premere il pulsante ciclo ripetutamente fino a quando lo schermo del controller mostra "Tune". Utilizzare i tasti freccia per cambiarlo in YES.
    5. Inserire una termocoppia e utilizzare la stazione di lavoro per il monitoraggio e la temperatura log.
    6. Una volta che l'auto-tune è completa, registrare i parametri proporzionale, integrale, e derivati ​​che il regolatore PID ha selezionato automaticamente utilizzando l'interfaccia di controllo, secondo to le istruzioni del produttore.

2. Velocità del Suono di misura

  1. Utilizzare il forno per fondere abbastanza ePbBi per l'esperimento, almeno 400 g. Nota: necessaria importo varia per diverse apparecchiature, e ePbBi fonde a 125 ° C.
    1. Se necessario, rimuovere ossido eccesso per scrematura dalla superficie superiore del ePbBi utilizzando un bastoncino.
    2. Inserire un trasduttore ad ultrasuoni nel dispositivo di misurazione della velocità del suono e serrare la connessione swage per evitare perdite, quindi inserire una termocoppia e utilizzare la stazione di lavoro per il monitoraggio e la temperatura log.
  2. Trasferimento del metallo fuso al dispositivo di misurazione della velocità del suono.
    1. Posizionare il dispositivo di misurazione della velocità del suono sulla base del forno e lasciarlo lì per 2 min per aumentare gradualmente la temperatura ed evitare shock termici.
    2. Preparati per un trasferimento sicuro, eliminando apparecchiature o materiali sensibili al calore dalla zona.
    3. Aggiungi piccolo amI supporti di metallo fuso in un momento, perché lo shock termico può danneggiare il trasduttore ad ultrasuoni. Aggiungere ePbBi fino alla faccia del trasduttore e la testa micrometrica sono entrambi completamente sommerse.
    4. Attendere finché la temperatura rimane stabile entro 1 ° C per almeno 5 minuti prima misurazioni iniziali, poiché la velocità del suono dipende dalla temperatura.
  3. Misura ultrasuoni echeggia in due sedi.
    1. Impostare la punta micrometro una posizione arbitraria, ma conosciuta. Registra misurazioni ultrasuoni eco, seguendo le istruzioni fornite dal costruttore dello strumento.
    2. Utilizzando il quadrante del micrometro, spostare la punta micrometro da una distanza nota. Misure eco Record ultrasuoni.
  4. Rimuovere il metallo fuso dal dispositivo di misurazione della velocità del suono e memorizzarlo in un contenitore di calore tollerante.
  5. Per determinare la velocità del suono, la trama ampiezza dell'eco in funzione del tempo di eco per ciascuno dei due misurazioni. Individuare gli echi montando una curva gaussianaper ogni eco picco, come in Fig ure 4. Calcolare la velocità del suono dividendo la distanza di spostamento dalla differenza nei tempi di punta eco.

3. Ultrasound misura di velocità

  1. Melt abbastanza ePbBi per l'esperimento (840 g), rimuovendo ossido eccesso, se necessario. Nota: Per ottenere i migliori risultati, utilizzare la stessa quantità di ePbBi che è stato utilizzato per sintonizzare il regolatore PID.
    1. Inserire un trasduttore ad ultrasuoni nel vaso di batteria e serrare il collegamento swage per evitare perdite, assicurando che la base del forno sia a livello.
  2. Trasferimento del metallo fuso al vaso batteria.
    1. Posizionare nave batteria base del forno e lasciarlo lì per 5 minuti di aumentare gradualmente la temperatura ed evitare shock termici. Preparati per un trasferimento sicuro, eliminando apparecchiature o materiali sensibili al calore dalla zona.
    2. Aggiungere piccole quantità di metallo fuso alla volta, perché shock termico può danneggiare l'ultrasduttore trasound.
    3. Attendere che la temperatura raggiunge 150 ° C prima di misurazioni iniziali, poiché la velocità del suono dipende dalla temperatura.
  3. Termina assemblaggio dell'apparato.
    1. Inserire l'isolamento del forno intorno recipiente batteria se non è già presente. Posizionare il coperchio cima recipiente della batteria, con il collettore di corrente negativo e termocoppie. Assicurarsi che tutti sono posizionati in modo preciso e ripetibile; collari per albero funzionano bene per questo.
    2. Tutti i collegamenti elettrici per l'alimentazione e segnali, come mostrato in Fig ure 2B. Utilizzare un ohmmetro per verificare che non percorsi elettrici non intenzionali sono presenti, cioè, verificare che la resistenza elettrica tra il collettore di corrente negativo e porta tutti i segnali è almeno 1 MW.
  4. Cominciare a fare misurazioni.
    1. Inizia la registrazione e monitoraggio della temperatura, potenza di riscaldamento, tensione della batteria, e la batteriacorrente. Nota: Qui, una workstation che esegue codice LabVIEW personalizzato è stato utilizzato per accedere tutte le misurazioni, con data e ora corrispondenti.
    2. Regolare le impostazioni dello strumento ad ultrasuoni, se necessario.
      1. Assicurarsi di impostare la velocità del suono, utilizzando la temperatura adeguata, secondo un modello accettato 19. Per ePbBi a 150 ° C come utilizzato di seguito, impostare la velocità di 1.760 m / sec.
      2. Regolare la frequenza di ripetizione degli impulsi in modo che profondità eco vengono ravvicinati (in genere 0,25 millimetri).
      3. Regolare il conteggio porta tale che il forte eco dalla parete di fondo del recipiente appare negli ultimi porte; fornisce un controllo di integrità utile per problemi di potenza del segnale di risoluzione dei problemi.
      4. Utilizzando le istruzioni fornite dal produttore, impostare lo strumento per l'hardware di attivazione.
    3. Inizia la registrazione e il controllo della velocità con lo strumento ad ultrasuoni avviando innescando dalla workstation. Record quattro profili di velocità al secondo per 30min.
  5. Impostare la corrente della batteria a 5 A, attendere 5 min per il flusso di stabilizzarsi, e quindi registrare quattro profili di velocità al secondo per 30 min.
  6. Ripetere il passaggio 3.5 per 10 A, 15 A, 20 A, 25 A e 30 A.
    Nota: molti altri piani sperimentali sono possibili, comprese le variazioni di temperatura e le variazioni regolari di corrente. Una bassa atmosfera di ossigeno ed umidità permette esperimenti con buona qualità del segnale per ore o più.
  7. Una volta che gli esperimenti sono complete, interrompere la registrazione dei dati e spegnere il forno. Staccare i collegamenti elettrici e rimuovere il coperchio del forno. Rimuovere il metallo fuso dal recipiente della batteria, usando le stesse procedure per il trasferimento sicuro che sono stati utilizzati durante il riempimento del serbatoio. Conservare il ePbBi fuso in un contenitore termico tollerante. Aggiungi argon in più per il cassetto portaoggetti; la sua pressione scende come la sua atmosfera si raffredda.

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Representative Results

La procedura per misurare la velocità del suono (descritta in dettaglio sopra) è stato adattato da metodi utilizzati da Signal Processing-SA. In linea di massima, la velocità del suono può essere facilmente ottenuta misurando il tempo di volo di un eco da una parete a distanza nota. Ma misurare con precisione la posizione effettiva della faccia del trasduttore è difficile, così invece si può misurare il tempo di volo due volte, utilizzando un micrometro per spostare la parete da una distanza nota tra le misurazioni. Tale distanza di spostamento, e la differenza di tempo misurato di volo, insieme producono velocità del suono. L'apparecchio per la misurazione della velocità del suono in questi esperimenti è mostrato in Figura 4A. Una misura della velocità del suono in ePbBi è mostrato nella Figura 4B. Ogni curva mostrando eco misurato è una media su 98 profili spanning 7.4 sec. Ogni picco eco è adatto ad una curva gaussiana (mostrato), che fa uso di molti punti di dati e quindi individua la parete eco molto più precisamente che trovare un singolo massimo. Conoscendo i tempi di eco, e sapendo che il muro facendo eco è stato spostato 2,54 millimetri tra le misure, la velocità del suono calcolata è 1,793 m / sec a 138 ° C, in accordo ragionevole con il valore accettato dalla Agenzia per l'energia nucleare 19, che è 1.768 m / sec. Nelle misure qui sotto, è stato usato NEA velocità del suono.

Una traccia velocità ultrasuoni, registrato senza corrente nell'elettrodo, è mostrato in Figura 5A. Qui il sistema coordinata spaziale ha origine al centro del recipiente della batteria, e il trasduttore sul lato negativo dell'origine, tale che le velocità positivi significano defluire dal trasduttore, e velocità negativi significano flusso verso il trasduttore. Anche se le misure ad ultrasuoni lungo un diametro non ci danno la conoscenza del flusso ovunque, le misure sono coerenti con una collezione di rotoli di convezione, come delineato nella Figura 5C.

ve_content "> Rappresentando velocità positivi in tonalità di velocità rosse e negativi nei toni del blu, il tempo può essere tracciata sull'asse verticale, per rendere appezzamenti spazio-temporali del tipo mostrato in Figura 6A, che trasmettono variazione temporale del flusso. in questo caso, la corrente è zero. Come è evidente dalle varie forme di regioni rossi e blu, questo flusso è disordinato e aperiodico, coerente con quanto previsto dalla convezione turbolenta. Il flusso medio è tracciata nella Figura 6B, e una deviazione standard è anche indicato.

Infine, la Figura 7 mostra misure di velocità ad ultrasuoni con la corrente che attraversa l'elettrodo (in questo caso, 125 mA / cm). Come descritto in maggior dettaglio altrove 18, celle di convezione tendono ad allinearsi con le linee di campo magnetico prodotto dalla corrente elettrica, l'organizzazione del flusso. Aumento organizzazione è evidente quando Figura 7A viene confrontato Figura 6A, e il fatto che il flusso è più costante possono essere quantificati dalla deviazione standard nel tempo, che è più piccolo di corrente che senza. Aumento organizzazione in presenza di un campo magnetico è coerente con le osservazioni precedenti in liquidi esperimenti convezione metallo 20-22 e previsioni teoriche 23.

Figura 1
Figura 1. Ultrasound Panoramica velocimetria. (A) un trasduttore ad ultrasuoni produce un segnale acustico e ascolto per gli echi. Se una particella in movimento (rosso) rende un'eco, il tempo di eco di dt volo rivela la posizione della particella, e il df spostamento Doppler rivela un componente della sua velocità. (B), quando sono presenti molte particelle, un trasduttore può misurare un componente della velocità in molti luoghi lungo una linea. (Non in scala.)tps: //www.jove.com/files/ftp_upload/52622/52622fig1highres.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2
Installazione Figura 2. Sperimentale. (A) Il montaggio del forno. Una piastra di alluminio supporta il recipiente della batteria acciaio inox e mantiene una temperatura uniforme (alluminio è un conduttore molto meglio di acciaio inossidabile). Il vaso batteria è circondato da isolante ceramico silice per stabilità termica; ulteriori silice isolante ceramico racchiude l'intero assieme forno. Il cielo del serbatoio è coperta da un coperchio di PTFE che supporta termocoppie nonché il collettore di corrente negativo (non mostrato), senza effettuare un collegamento elettrico al serbatoio, che è anche il collettore di corrente positiva. Per gli esperimenti qui descritti, il forno viene alimentato con due riscaldatori resistivi, ogni 500 W. Il design permette per due riscaldatori supplementari da inserire, se desiderato. (B) Mezzo di sezione trasversale. Il vaso contiene un sottile strato di fuso ePbBi, che contatta il collettore di corrente negativo. Termocoppie anche in contatto con la ePbBi. Un regolatore PID mantiene la temperatura del sistema, e una workstation controlla la corrente della batteria, misurazioni ad ultrasuoni, e acquisizione dati. Setup (C) Glovebox. Gli esperimenti si svolgono in un cassetto portaoggetti Argon-riempita. Il forno assemblato è visibile solo destra del centro, insieme con il dispositivo di acquisizione computerizzata e regolatore di riscaldamento. Lo strumento ultrasuoni poggia sulla mensola sopra. (Qui non è collegato alcun trasduttore.) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Figura 3. Regolazione della temperatura. (A) Temperatura nella parte superiore e inferiore dell'elettrodo ePbBi durante un esperimento. La regolazione della temperatura è dimostrato riscaldando l'elettrodo, applicando poi una serie di impulsi di corrente (B). Il controllore del forno risposto modulando potenza termica (C). A densità di corrente tipico di funzionamento a batteria (fino a 400 mA / cm 2), la temperatura è stabile entro circa 3 ° C. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4. Misurazione della velocità del suono. (A) La nave per misurare la velocità del suono è stato costruito con una porta ad ultrasuoni (destra) di fronte ad una testina micrometrica (a sinistra), che provoca echi di grande ampiezza e può essere posizionato con precisione. (B) Due profili eco misurati, ognuno con il metodo dei minimi quadrati meglio si adattano a una curva gaussiana. Utilizzando i centri della gaussiana si adatta a tutti i tempi di percorrenza, e sapendo che il muro è stato spostato 2,54 centimetri tra le misure, si è constatato che la velocità del suono è 1,793 m / sec a 138 ° C. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5. Una traccia velocità ultrasuoni e la sua interpretazione. (A) In una singola traccia, ultrasuoni strumento misura velocità a molte posizioni (in questo caso, 440) lungo la linea di vista del trasduttore. Qui la posizione r è measured dal centro della coppa, il trasduttore si trova a sinistra, e la velocità u <0 significa fluiscono verso il trasduttore, che u> 0 significa defluire dal trasduttore. (B) Un abbozzo di regioni di flusso verso e lontano dal trasduttore. (C) Un abbozzo di un modello di flusso in linea con queste misurazioni. Il trasduttore si trova nella metà inferiore dell'elettrodo. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6. Ultrasuoni misure di velocità di un elettrodo di metallo liquido guidato da convezione termica, senza corrente elettrica. (A) velocità radiale u varia nello spazio e nel tempo, con velocità indicata nel colore. Ecco r è la radicoordinata al e t è il tempo. (B) Il flusso medio (tracciati in nero) e una deviazione standard attorno (grigio) mostra caratteristiche simili alla Figura 5.

Figura 7
Figura 7. Ultrasuoni misure di velocità di un elettrodo di metallo liquido guidato da convezione termica, e la densità di corrente elettrica 125 mA / cm. (A) velocità radiale u varia nello spazio e nel tempo, con velocità indicata nel colore. Dove r è la coordinata radiale e t è il tempo. (B) La portata media (tracciati in nero) e una deviazione standard intorno ad esso (grigio) mostra un veloce flusso con meno variazione nel tempo che in assenza di corrente (Figura 6). Cliccate qui per vedere una versione più grande di questo figuri.

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Discussion

Tecniche ad ultrasuoni in grado di produrre misure di velocità a centinaia o migliaia di sedi in un liquido trasparente o opaco, molte volte al secondo. Applicato ad un elettrodo di metallo liquido, tecniche ecografiche incontrano problemi di alta temperatura, attività chimica, e la conducibilità elettrica. Sono stati descritti i metodi per superare queste sfide e misurazione del flusso in elettrodi metallici liquidi attivi. In primo luogo, un materiale elettrodico soggetto alla stessa fisica come ad alta temperatura batteria elettrodi liquido metallo (550 ° C), ma operative temperature molto basse (150 ° C), facilita sfide relative alla temperatura. Un forno su misura e di controllo sintonizzato è stato utilizzato per mantenere la temperatura dell'elettrodo costante entro 2 ° C. Per mitigare attività chimica indesiderata, tutti gli esperimenti si svolgono in un cassetto portaoggetti argon pieno e scegliete materiali chimicamente inerti per i componenti del sistema (in acciaio inossidabile spesso). Per una risposta ottimale ad ultrasuoni, trasducers sono poste a diretto contatto con il fluido di prova metallo liquido. E le correnti elettriche sono indirizzati con attenzione per evitare loop di massa che potrebbero danneggiare preziosi strumenti.

Ecografia velocimetry ha dei limiti in metalli liquidi. Sonde standard non sono tarati per temperature superiori a 250 ° C, escludendo il loro uso in molti fusi metallici. Ultrasuoni velocimetry non produce insiemi di dati ricchi come quelli disponibili utilizzando tecniche ottiche come particella di monitoraggio 24,25, e le tecniche singolo trasduttore ad ultrasuoni del genere qui descritto misurano solo una componente della velocità, e solo lungo una linea. Caratteristiche minore della lunghezza d'onda ad ultrasuoni (209 micron di ePbBi a 150 ° C con emissioni 8 MHz) non può essere risolto. Per misure ad ultrasuoni in grandi sistemi, attenuazione del segnale è una sfida; in ePbBi con emissioni a 8 MHz, le difficoltà sono attesi per distanze superiori a 300 mm. La riduzione della frequenza riduce l'attenuazione, mail costo di una corrispondente riduzione della risoluzione. Sistemi di grandi dimensioni richiedono anche frequenze di campionamento inferiori, dal momento che il tempo di volo in tutto il sistema è maggiore. E l'apparecchiatura qui descritta è in grado di mantenere 150 ° C con correnti di 40 A o superiore.

I presenti metodi possono essere espanse sostanzialmente in futuro. Incorporando trasduttori a ultrasuoni aggiuntivi nella cella batteria dovrebbe consentire la misurazione della velocità a più posizioni e / o misurazione più di un componente della velocità. Termocoppie supplementari potrebbero fornire informazioni più dettagliate sulle variazioni spaziali di temperatura. Sebbene il contatto diretto tra il trasduttore a ultrasuoni e le rese del fluido di prova segnali forti, un'attenta progettazione acustica potrebbe consentire passando ultrasuoni attraverso la parete del vaso, riducendo la possibilità di danni termici o chimici al trasduttore. Una parete fra il trasduttore e il fluido di prova potrebbe anche essere trattato o condizionato per ridurre gli effetti negativi dellaossido nel liquido di prova. I presenti metodi possono essere applicati anche a grandi linee applicazioni come fusione e metalli industriali lavorazione. Infine, intendiamo ampliare il nostro lavoro in misure di velocità di tre strati di metallo liquido batterie attivi fanno pagare e lo scarico.

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Materials

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

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Perez, A., Kelley, D. H. Ultrasound Velocity Measurement in a Liquid Metal Electrode. J. Vis. Exp. (102), e52622, doi:10.3791/52622 (2015).

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