Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Sıvı Metal Elektrot Ultrason Hızı Ölçümü

Published: August 5, 2015 doi: 10.3791/52622
Automatic Translation
1, 1
1Department of Mechanical Engineering, University of Rochester

Abstract

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.

Introduction

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'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 <kurşun-bizmut/ Sup> 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 <Re <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'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'ye kadar derecelendirilir hazır ultrason dönüştürücüler ile uyumludur. Bu deneyler tipik haliyle, 150 ° C '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'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 '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 'de 1765 m / s ve 1767 m / s, ses hızı, 150 ° C de 1,766 m / sn'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 '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'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'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'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'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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Sistem Kurulumu ve Montajı

  1. Izopropanol ile ultrason transdüktörünü temizleyin.
  2. Torpido gözünü yükleyin.
    1. 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.
    2. Torpido gözünü girmeden önce 12 saat torpido gözü antechamber vakum altında gözenekli malzeme tutun.
  3. Dinle PID kontrolörü (sadece ilk kez).
    1. Deneyler (840 g) içinde kullanılacak, pil kabı içine bir katı ePbBi aynı miktarda yerleştirin.
    2. Zaten orada değilse pil geminin etrafında fırın yalıtım yerleştirin ve negatif akım toplayıcı ve termokupl ile birlikte pil geminin tepesinde kapağı yerleştirin.
    3. Şek, termokupl ve fırın gücü için tüm elektrik bağlantılarını yapın 2B.
    4. 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.
      1. 150 ° C (kontrolör ayarlama sonrasında varsayılan olarak gösterilir) ayar noktasını ayarlamak için ok tuşlarını kullanın.
      2. Basın gizli döngüye girmek için 3 saniye döngü düğmesini basılı tutun ve. Kontrolör ekranı "TUNE" görünene kadar art arda döngü düğmesine basın. EVET bunu değiştirmek için ok tuşlarını kullanın.
    5. Bir termokupl yerleştirin ve izlemek ve sıcaklık oturum iş istasyonu kullanın.
    6. Otomatik ayar tamamlandıktan sonra, t göre, PID kontrolör otomatik kontrolör arabirimini kullanarak seçtiği, Oransal İntegral ve Türev parametreleri kayıtÜreticinin talimatları o.

2. Ses Hız Ölçümü

  1. , Deney için en az 400 g kadar ePbBi eritmek için fırın kullanın. Not: Gerekli miktar farklı ekipman için değişecektir ve ePbBi 125 ° C'de erir.
    1. Gerekirse, bir heyecan sopa kullanarak ePbBi üst yüzeyi onu kaymağını tarafından aşırı oksit çıkarın.
    2. 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.
  2. Ses hızı ölçüm cihazı Erimiş metali aktarın.
    1. Fırın tabanına ses hızı ölçümü cihazı yerleştirin ve yavaş yavaş sıcaklığını artırmak ve termal şok önlemek için 2 dakika süreyle orada bırakın.
    2. Alanından ısıya duyarlı donanım veya malzeme kaldırarak güvenli bir aktarımı için hazırlayın.
    3. 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.
    4. Ses hızı sıcaklığına bağlıdır çünkü sıcaklık, başlangıç ​​ölçümlerden önce en az 5 dakika boyunca 1 ° C içinde sabit kalır kadar bekleyin.
  3. Tedbir ultrason iki noktada yankıları.
    1. Keyfi fakat bilinen bir konuma mikrometre ucunu ayarlayın. Cihaz üreticisi tarafından sağlanan talimatları izleyerek rekor ultrason yankı ölçümleri.
    2. Mikrometre düğmesini kullanarak, bilinen bir mesafe ile mikrometre ucunu hareket ettirin. Tutanak ultrason yankı ölçümleri.
  4. Ses hızı ölçüm cihazı erimiş metal çıkarın ve ısıya dayanıklı bir kapta saklayın.
  5. Ses hızı, iki ölçümün her biri için eko zamanın bir fonksiyonu olarak grafiği yankı amplitüdü belirlemek. Gauss eğrisi takarak yankıları bulunher Şekil ure 4'te olduğu gibi, tepe yankı. Yankı yoğun zamanlarda farkla deplasman mesafesini bölerek ses hızını hesaplayın.

3. Ultrason Hızı Ölçümü

  1. Deney (840 gr) için yeterli ePbBi eritin gerekirse aşırı oksit çıkarılması. Not: En iyi sonuçlar, ayarlamak için PID kontrolör kullanılan ePbBi aynı miktarda kullanın.
    1. Pil kabına ultrason transdüser yerleştirin ve fırın tabanı seviyesi sağlamak, sızıntılarını önlemek için dövmek bağlantısını sıkın.
  2. Pil kabına erimiş metal aktarın.
    1. 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.
    2. Termal şok ul zarar verebilir, bir seferde, erimiş metalin az miktarda eklemetrasound dönüştürücüsü.
    3. Ses hızı sıcaklığına bağlıdır çünkü sıcaklık, başlangıç ​​ölçümlerden önce 150 ° C'ye ulaşana kadar bekleyin.
  3. Cihazı montaj bitirin.
    1. 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.
    2. Şekil ure 2B'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.
  4. Ölçümler yaparak başlayın.
    1. 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.
    2. Gerekirse ultrason cihaz ayarlarını yapın.
      1. Kabul edilen bir modele göre 19, uygun sıcaklık kullanılarak, ses hızını ayarlamak için emin olun. Aşağıda kullanılan şekilde, 150 ° C 'de ePbBi için, 1760 m / sn hıza ayarlayın.
      2. Darbe tekrarlama frekansı böyle yankı derinlikleri yakın aralıklı olduğunu (genellikle 0,25 mm) ayarlayın.
      3. Geminin uzak duvardan güçlü yankı son birkaç kapıları görünür şekilde kapı sayısını ayarlayın; Bu giderme sinyal gücü sorunları için yararlı bir aklı kontrol sağlar.
      4. Üretici tarafından sağlanan talimatları kullanarak, donanım tetiklemek için alet olarak ayarlayın.
    3. Iş istasyonundan tetikleme başlatarak ultrason cihazı ile kayıt ve izleme hızı başlayın. 30 saniyede rekor dört hız profilleriMin.
  5. 5 A akü akımını ayarlayın, akış stabilize etmek için 5 dakika bekleyin ve ardından 30 dakika boyunca saniyede dört hız profilleri kaydedin.
  6. 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.
  7. 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

(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 ölçebilirsiniz. Bu deplasman mesafesi ve uçuş ölçülen zaman farkı, birlikte ses hızını verir. Bu deneylerde, ses hızını ölçmek için kullanılan cihaz, Şekil 4A'da gösterilmiştir. EPbBi ses hızının ölçümü Şekil 4B'de gösterilmiştir. Ölçülen yankı gösteren Her eğri 7.4 sn kapsayan 98 profilleri üzerinden bir ortalamadır. Her yankı tepe birçok veri noktaları kullanan bir Gauss eğrisi (gösterilen) için uygun olduğunu ve bu nedenle çok daha hassas yankılanan duvar bulur Tek bir maksimum bulmak daha. Yankı sürelerini bilmek ve yankılanan duvar ölçümleri arasındaki 2.54 mm yerinden bilerek, hesaplanan ses hızı 1,768 m Nükleer Enerji Ajansı 19 tarafından kabul değerle makul anlaşma, 138 ° C'de 1.793 m / sn / sn. Aşağıdaki ölçümlerde, NEA ses hızı kullanılmıştır.

Elektrotta akımsız kaydedilen bir ultrason hızı izi, Şekil 5A'da gösterilmiştir. Burada koordinat mekansal sistem akü kabının merkezinde kökeni ve pozitif hızları uzak transduserden akış anlamına ve negatif hızlar transdüser doğru akışını anlamına şekilde kökenli negatif tarafında dönüştürücüyü vardır. Bir çap boyunca ultrason ölçümleri her yerde bize akış bilgi vermeyin rağmen Şekil 5C'de kabataslak olarak, ölçümler, konveksiyon rulo bir koleksiyon ile tutarlıdır.

mavi, zamanın tonlarında kırmızı ve negatif hızlarının tonlarında olumlu hızlarını temsil ederek ve_content "> akışının zamansal değişimini ifade Şekil 6A gösterilen türden uzay-zaman grafikleri, yapmak, dikey eksende çizilebilir. Burada yine, akım sıfırdır., kırmızı ve mavi bölgeler çeşitli şekillerden anlaşılacağı gibi, bu akış ortalama akış Şekil 6B'de çizilir. bozukluğu ve periyodik olmayan, türbülanslı bir konveksiyon beklenen ile tutarlı olduğunu ve bir standart sapma ayrıca belirtilmiştir.

Son olarak, Şekil 7, (bu durumda, 125 mA / cm) elektrot ile çalışan mevcut ultrason hızı ölçümleri göstermektedir. Daha ayrıntılı olarak başka 18'de tarif edildiği gibi, hücreler, konveksiyon akımı düzenleme, elektrik akımı tarafından üretilen manyetik alan çizgileri hizaya eğilimindedir. Artan organizasyon Şekil 7A Şekil karşılaştırıldığında zaman açıktır Şekil 6A ve akış istikrarlı olması olmadan daha mevcut olan küçük zaman standart sapma ile ölçülebilir. Bir manyetik alanın varlığında artmış örgüt sıvı metal konveksiyon deneyleri 20-22 ve teorik öngörüleri 23 önceki gözlemlerle uyumludur.

Figür 1
Şekil 1. Ultrason velosimetri bakış. (A) Bir ultrason dönüştürücü bir bip üreten ve yankıları dinler. Hareketli parçacık (kırmızı) bir yankı yaparsa, uçuş dt yankı zaman parçacığın konumunu ortaya koymaktadır ve Doppler kayması df onun hızının bir bileşeni ortaya koymaktadır. Birçok parçacıklar mevcut olduğunda, (B), bir transdüser bir hat boyunca birçok yerde hızının bir bileşeni ölçebilir. (Ölçek değil.)tps: //www.jove.com/files/ftp_upload/52622/52622fig1highres.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 2,
Şekil 2. Deney kurulum. (A) fırın montajı. Bir alüminyum levha paslanmaz çelik pil kabı destekler ve (alüminyum, paslanmaz çeliğe göre çok daha iyi bir iletkendir) homojen bir sıcaklığı korur. Pil kabı termal stabilite için silika seramik yalıtım ile çevrilidir; Ek silika seramik ısı izolasyon tüm fırın düzeneğini encases. kap iyi pozitif akım toplayıcı olan kap, bir elektrik bağlantısı yapmadan, termokupl ve negatif akım toplayıcısı (gösterilmemiş olan) destekleyen bir PTFE kapak ile kaplıdır. Burada tarif edilen deneyler için, fırın ile desteklenmektedir istenirse iki rezistif ısıtıcılar, tasarım iki ek ısıtıcılar için izin veren her 500 W dahil edilecek. (B) kabın enine kesitini göstermektedir. gemi temas eden negatif akım toplayıcısı erimiş ePbBi, ince bir tabaka bulunur. Termokupl ayrıca ePbBi ile temas. Bir PID kontrol sistemi sıcaklığını koruyor ve iş istasyonu akü akımı, ultrason ölçümleri ve veri toplama kontrol eder. (C) Torpido gözü kurulum. Deneyler, bir Argon doldurulmuş eldiven kutusu yer almaktadır. montajı ocak bilgisayar tabanlı satın alma cihazı ve ısıtıcı kontrolörü ile birlikte merkeze sadece sağ görülebilir. ultrason aleti üstündeki rafta duruyor. (Burada hiçbir dönüştürücü bağlanmıştır.) bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

52622 / 52622fig3.jpg "/>
Şekil 3. Sıcaklık ayarı. Bir deney sırasında üst ve ePbBi elektrodun alt kısmında (A) Sıcaklık. Sıcaklık ayarı daha sonra akım darbeleri (B) 'nin bir dizi uygulama, elektrot ısıtılması ile ortaya konmuştur. fırın denetleyici ısı gücü (C) modüle karşılık verdi. Pil operasyonun tipik akım yoğunluklarında (400 mA / cm2 kadar), sıcaklık yaklaşık 3 ° C içinde stabildir. Bu rakamın büyük halini görmek için tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil 4. Ses hızı ölçümü. (A) ses hızını ölçmek için kap (bir ultrason portu ile inşa edilmiştirSağ yüksek genlik yankıları neden olur ve yüksek hassasiyet ile yerleştirilmiş olabilir bir mikrometre kafasını (solda) dönük). (B) İki ölçülen yankı profilleri, Gauss eğrisi en uygun en küçük kareler ile her. Gauss merkezleri kullanılması seyahat süreleri gibi uyuyor, ve duvar ölçümler arasında 2.54 cm taşındı bilerek, bu sesin hızı 138 ° C'de 1.793 m / sn olduğu bulunmuştur. büyük halini görmek için tıklayınız Bu rakamın.

Şekil 5,
Şekil 5. Bir ultrason hız iz ve yorumlama. (A) tek izlemesinde, dönüştürücünün görüş hattı boyunca (bu durumda, 440) birçok yerde ultrason aleti ölçer hız. İşte konum r mfincan merkezinden easured, dönüştürücü solda bulunan ve 0 nı uzakta transduserden akış hızı u <u ise 0 nı transdüser doğru akar>. (B) uzak dönüştürücü gelen doğru akış ve bölgelerinin bir kroki. Bu ölçümler ile tutarlı bir akış deseni (C) taslağı. dönüştürücü elektrodun alt yarısında yer almaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
Elektrik akımı olmadan termal konveksiyon tarafından tahrik edilen bir sıvı metal elektrot, Şekil 6. Ultrason hız ölçümleri (A). Radyal hızı u renkte gösterilir hız, zaman ve mekan hem de değişir. Burada R, Radi olduğuEl koordine etmek ve t zamanı. (B) (siyah olarak çizilen) ortalama akış ve bunun (gri), yaklaşık bir standart sapma Şekil 5'e benzer özellikler göstermektedir.

Şekil 7,
Renk belirtilen hız termal konveksiyon ve elektrik akım yoğunluğu u zaman ve mekan hem de değişmektedir 125 mA / cm. (A) Radyal hız tarafından yönlendirilen bir sıvı metal elektrotun, Şekil 7. Ultrason hız ölçümleri. İşte r radyal koordinat ve t zamanı olmasıdır. (B) o (gri) etrafında ortalama (siyah çizilir) akış ve bir standart sapma daha hızlı bir akım (Şekil 6) yokluğunda daha zaman az varyasyon ile akış gösterir. Bu büyük halini görmek için tıklayınız figyeniden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 daha düşük sıcaklıklarda (150 ° C) bir elektrot maddesi konusu, sıcaklığa zorlukları azaltır. Bir ısmarlama fırın ve ayarlı kontrol sistemi 2 ° C içinde sabit elektrot sıcaklığı tutmak için kullanıldı. Istenmeyen kimyasal aktivitesini azaltmak için, tüm deneyler argon dolu torpido gözü gerçekleşecek ve sistem bileşenlerinin (genellikle paslanmaz çelik) için kimyasal olarak atıl malzeme seçimi. Optimum ultrason yanıt transd içinucers sıvı metal, test sıvısı ile doğrudan temas halinde yerleştirilir. Ve elektrik akımları değerli enstrümanlar zarar verebilecek Şasi döngüleri oluşmasını önlemek için dikkatli bir şekilde yönlendirilir.

Ultrason velosimetri sıvı metal sınırlamaları vardır. Standart sondalar birçok metal erir onların kullanımını hariç, 250 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda anma değil. Veri üretmek değil Ultrason velosimetri 24,25 izleme parçacık gibi optik teknikler kullanılarak elde olanlar kadar zengin ayarlar ve burada açıklanan türden tek transdüser ultrason teknikleri hızının sadece bir bileşeni ve sadece birlikte bir satır ölçer. Çözülemeyen (8 MHz emisyonları ile 150 ° C'de ePbBi 209 mikron) ultrason dalga boyundan daha küçük sahiptir. Büyük sistemlerde ultrason ölçümleri için, sinyal zayıflama bir mücadeledir; 8 MHz emisyonları ile ePbBi olarak, zorluklar, 300 mm'den daha büyük mesafeler için bekleniyor. Sıklığının azaltılması zayıflama azaltır, ama ençözünürlüğe karşılık gelen bir azalma maliyeti. Sistemin karşısında uçuş süresi daha fazladır çünkü Büyük sistemleri de, alt örnekleme oranları gerektirir. Ve burada tarif edilen aparat 40 A ya da daha fazla akımları ile 150 ° C muhafaza edemediğini bildirmektedir.

Mevcut yöntemler gelecekte önemli ölçüde genişletilebilir. Pil hücresinin içine ek ultrason dönüştürücüleri dahil edilmesi daha çok konumda hızını ölçmek ve / veya hızının birden fazla bileşeni ölçme izin verecektir. Ek termokupl sıcaklık mekansal varyasyonları hakkında daha detaylı bilgi verebilir. Ultrason probu ve test sıvısı verimleri güçlü sinyaller arasında doğrudan temas olsa da, dikkatli akustik tasarım transdüktöre termal veya kimyasal hasar için fırsat azaltarak, damar duvarından ultrason geçen izin verebilir. Dönüştürücü ve test sıvısı arasında bir duvar da tedavi ya da olumsuz etkilerini azaltmak için klimalı olabilirtest sıvısı oksit. Mevcut yöntemler, aynı zamanda, döküm ve endüstriyel metal işleme gibi uygulamalara genel olarak uygulanabilir. Son olarak, biz onlar şarj ve deşarj olarak aktif üç katlı sıvı metal piller hız ölçümleri içine çalışmalarımızı genişletmek niyetinde.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kim, H., et al. Liquid metal batteries: Past, present, and future. Chem. Rev. 113 (3), 2075-2099 (2013).
  2. 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).
  3. Kim, H., et al. Thermodynamic properties of calcium–bismuth alloys determined by emf measurements. Electrochim. Acta. 60 (0), 154-162 (2012).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Cairns, E. J., Shimotake, H. High-temperature batteries. Science. 164 (3886), 1347-1355 (1969).
  7. Bard, A., Faulkner, L. Electrochemical methods: Fundamentals and applications. , 2nd edition, Wiley. New York. 2nd edition (2001).
  8. Takeda, Y. Development of an ultrasound velocity profile monitor. Nucl. Eng. Des. 126 (2), 277-284 (1991).
  9. Takeda, Y. Velocity profile measurement by ultrasonic Doppler method. Exp. Therm. Fluid Sci. 10 (4), 444-453 (1995).
  10. Brito, D., Nataf, H. -C., Cardin, P., Aubert, J., Masson, J. -P. Ultrasonic Doppler velocimetry in liquid gallium. Exp. Fluids. 31, 653-663 (2001).
  11. 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).
  12. Eckert, S., Gerbeth, G. Velocity measurements in liquid sodium by means of ultrasound Doppler velocimetry. Exp. Fluids. 32 (5), 542-546 (2002).
  13. 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).
  14. Takeda, Y., Kikura, H. Flow mapping of the mercury flow. Exp. Fluids. 32 (2), 161-169 (2002).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Eckert, S., Cramer, A., Gerbeth, G. Velocity measurement techniques for liquid metal flows. Magnetohydrodynamics. , Springer. Netherlands. 275-294 (2007).
  18. Kelley, D. H., Sadoway, D. R. Mixing in a liquid metal electrode. Phys. Fluids. 26 (5), (2005).
  19. NEA. Handbook on lead-bismuth eutectic alloy and lead properties, materials compatibility, thermal-hydraulics, and technologies. , Nuclear Energy Agency. (2007).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Bojarevičs, V., Freibergs, Y., Shilova, E. I., Shcherbinin, E. V. Electrically induced vortical flows. , Kluwer Academic Publishers. Dordrecht. (1989).
  24. Ouellette, N. T., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Am. Exp. Fluids. 40, 301-313 (2006).
  25. 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).

Tags

Mühendislik Sayı 102 pil enerji depolama magnetohydrodynamics akışkan dinamiği ultrason velosimetri elektrokimya
Sıvı Metal Elektrot Ultrason Hızı Ölçümü
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Perez, A., Kelley, D. H. Ultrasound… More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter