感应加热小磁球周围水近红外测温技术

摘要

提出了一种利用1150年和 1412 nm 波长测量感应加热小磁球周围水温度的技术。

摘要

介绍了一种测量感应加热小磁球周围水和非混浊水介质温度的方法。这个技术利用1150年和1412毫微米的波长, 水的吸收系数取决于温度。水或非混浊水凝胶含有2.0 毫米或0.5 毫米直径的磁性球体被辐照1150毫微米或 1412 nm 入射光, 选择使用一个狭窄的带通滤波器;此外, 二维吸光度图像, 这是横向预测的吸收系数, 是通过近红外相机获取。当温度的三维分布可以假设为球状对称时, 将逆阿贝尔变换应用于吸光度剖面估计。根据时间和感应加热功率, 观察到温度的变化。

引言

在许多科研领域和应用中, 需要一种测量介质中小热源附近温度的技术。例如, 在磁性热疗的研究中, 这是一种利用磁粒子电磁感应或小磁片进行癌症治疗的方法, 对于准确预测磁性产生的温度分布至关重要。粒子^1,2。但是,虽然微波^3,4, 超声波 ^5,6,7,8, 光声 9, 拉曼 10, 和磁共振 11^,对¹²基于的温度测量技术进行了研究和开发, 目前无法准确测量出这种内部温度分布。到目前为止, 在一些位置的单位置温度或温度是通过温度传感器测量的, 在感应加热的情况下, 是非磁性光纤温度传感器^13,14。或者, 通过红外辐射温度计远程测量介质的表面温度, 以估计内部温度¹⁴。然而, 当含有小热源的介质是水层或非浑浊的水介质时, 我们已经证明, 近红外吸收技术对于测量温度^15、16是有用的, ^17,18,19。本文介绍了该技术的详细协议和代表性结果。

近红外吸收技术是基于近红外区域水吸收带温度依赖性的原理。如图 1a所示, ν₁ + ν₂ + ν₃的水的吸收带在 1100 nm 到 1250 nm 波长 (λ) 范围内, 并随着温度的变化而变短波长。增加¹⁹。这里, ν₁ + ν₂ + ν₃表示此波段对应于三基本的 O H 振动模式的组合: 对称拉伸 (ν₁), 弯曲 (ν ₂)和求解反对称拉伸(ν 3⁾20, 21。频谱的这种变化表明, 波段中最温度敏感的波长是λ ≈ 1150 nm。其他吸收的水带也表现出类似的行为, 有关温度^{15,16,17,18,20,21}。ν₁ + ν₃在范围λ = 1350−1500 nm 中观察到的水带, 其温度依赖性在图 1b中显示。在ν₁ + ν₃带水中, 1412 nm 是温度敏感度最高的波长。因此, 有可能获得二维 (2D) 温度图像, 使用近红外相机捕捉2D 吸光度图像在λ = 1150 或 1412 nm。由于水的吸收系数在λ = 1150 毫微米小于在λ = 1412 毫微米, 前波长为大约10毫米厚实的水介质是适当的, 而后者适合大约1毫米厚实部分。最近, 使用λ = 1150 nm, 我们得到的温度分布在一个10毫米厚的水层包含感应加热1毫米直径钢球¹⁹。此外, 使用λ = 1412 nm^15,17, 测量了0.5 毫米厚水层中的温度分布。

基于近红外测温技术的一个优点是, 它简单的设置和实现, 因为它是一种透射吸收测量技术, 不需要荧光, 荧光粉, 或其他热探针。此外, 其温度分辨率小于 0.2 K^15,17,19。这种良好的温度分辨率不能通过基于干涉测量的其他传输技术来实现, 这种方法经常用于热和传质研究^22,23,24。然而, 我们注意到, 近红外温度成像技术在局部温度变化较大的情况下并不适用, 因为由大温度梯度引起的光偏转成为占主导地位的¹⁹。本文从实际使用的角度介绍了这一问题。

本文介绍了基于近红外测温技术的小磁球感应加热的实验设置和步骤;此外, 它还提供了两个代表性的2D 吸光度图像的结果。一个图像是一个2.0 毫米直径的钢球在10.0 毫米厚的水层, 捕获在λ = 1150 nm。第二个图像是一个0.5 毫米直径的钢球在2.0 毫米厚的麦芽糖糖浆层, 捕获在λ = 1412 nm。本文还提出了将逆阿贝尔变换 (IAT) 应用于2D 吸光度图像的三维 (3D) 径向分布的计算方法和结果。当3D 温度分布假定为球状对称时, IAT 是有效的, 如加热球体 (图 2)¹⁹中的情况。对于 IAT 计算, 在这里采用了一种多高斯函数拟合方法, 这是因为可以通过分析^{25、26、27、28、}29 (IATs) 来获得高斯函数的可解析性.并适合于单调地减少数据;这包括使用来自单一热源的热传导的实验。

研究方案

1. 实验设置和程序

准备一个光学轨道, 以安装一个样品和光学为近红外成像如下。

1. 样品准备。
   注: 当使用水或液体时, 做步骤1.1.1。当使用高粘度的水凝胶时, 做步骤1.1.2。
   1. 钢球在水中设置。
      1. 用少量胶水固定一个2.0 毫米直径的钢球到一个薄薄的塑料弦的末端。
      2. 将钢球挂在矩形玻璃单元格的中心, 其光学路径长度为10.0 毫米, 宽度为10毫米, 高度为45毫米 (图 3)。
      3. 小心地将过滤过的水倒入细胞中, 以免产生气泡。
         注: 钢球也可以固定在一个薄塑料杆的尖端与少量胶水¹⁹。
   2. 钢球设置在水凝胶。
      1. 加热一个水凝胶, 以降低其粘度, 使其低到足以倒入顺利。
      2. 使用注射器, 将水凝胶倒入矩形玻璃细胞中, 其光学路径长度为2.0 毫米, 宽度为10毫米, 高度为45毫米至半满, 使其冷却。
      3. 在凝胶表面的中心放置一个0.5 毫米直径的钢球。
      4. 用水凝胶填充细胞。
         注: 较大球体 (> 1 毫米直径) 不应与凝胶一起使用, 因为它们会在感应加热过程中由引力和/或磁力移动。
   3. 将单元格设置为塑料支架, 然后将其装入光驱 (图 3)。
2. 近红外成像系统的研制。
   1. 用光纤导光器准备卤素灯, 并将光纤导轨的一端固定在光学导轨上。
   2. 将窄带通滤波器 (NBPF) 与透光率峰值在λ = 1150 nm 或λ = 1412 nm 之间的光纤导光和单元格 (图 3)。
   3. 在卤素灯和 NBPF 之间, 干涉另一个带通滤波器 (BPF), 其传输波长范围比 NBPF 宽。
      注意: BPF 是需要防止热损伤的 NBPF, 因为它直接接收光。
   4. 在 NBPF 和单元格架之间的光路中, 将虹膜膜片干预以减少杂散光 (图 3)。
   5. 设置近红外摄像机以检测通过单元格传输的光 (图 3)。将照相机通过数据传输电缆连接到安装在个人电脑 (PC) 上的图形板上, 并使用图像采集软件。
   6. 在单元格和照相机之间设置远心透镜 (图3)。
      注意: 还可以使用普通相机镜头。然而, 远心透镜是更好的选择检测的光平行于主射线的 IAT 和减少衍射的影响。
      注: NBPF 和 BPF 不应放置在单元格和照相机之间, 因为在这样做时, 水温将通过直接吸收卤素灯的高强度光而增加。
   7. 打开近红外摄像机并启动图像采集软件。
   8. 点燃卤素灯并调整其输出功率, 观察显示器上显示的图像 (图 4)。
   9. 调整远心透镜的轴线、位置和焦距, 以获得钢球的精细图像。
      注: 如果调整不完整, 将出现不规则的强度模式, 导致不正确的 absorbances。
3. 感应加热系统的研制。
   1. 准备由高频发生器组成的感应加热系统 (最大输出功率: 5.6 千瓦; 频率: 780 赫)、水冷线圈和冷水机组。
      注: 用于钎焊、焊接、焊接小五金件的感应加热系统适合于此用途;请参阅材料表。
   2. 如果可能, 在 XYZ 移动舞台上安装线圈以改变其位置。
   3. 将线圈靠近单元格, 使线圈中心和钢球之间的距离约为15毫米 (图 3)。确保线圈附近没有其他金属部件。
      注: 应根据感应加热功率和球体尺寸调整距离。
   4. 循环冷却水。
4. 图像采集和感应加热。
   1. 单击图像采集软件上的 "开始" 以按顺序存储图像。
   2. 点击 "启动" 感应加热控制软件开始感应加热。
   3. 几秒钟后 (根据条件和目的), 单击图像采集软件上的 "停止"。
   4. 在感应加热控制软件上单击 "停止"。
   5. 在图像采集软件中, 将世俗存储的图像保存为 TIFF 序列 (或其他非压缩格式)。
      注意: 如果温度足够高, 光偏转的效果将出现在图像⁷上。感应加热功率必须适当降低, 但实验表明, 在球附近温度的增加小于约 10 K, 可以在以下协议步骤中确认温度估计。

2. 图像处理和温度估计

注意: 保存的顺序图像表示为i_i(x, z), 其中I是顺序帧编号。坐标、 x、 y、 z、 r和r都定义为图 2中所示;z在与引力相反的方向上是正的。下面的协议步骤的大纲也在补充 1中说明。

1. 吸光度图像构造。
   1. 使用图像处理软件打开i_i(x, z)。
   2. 通过实现 3 x 3 像素平均值, 减少i(x, z) 中的噪音。
   3. 在加热之前, 在i = 1 到 5 (或更多) 之前创建i_I(x, z) 的平均图像, 并将其定义为参考图像, I_r(x, z)。
      注意: 这种平均值降低了噪声, 从而获得比单个帧图像更可靠的图像。
   4. 通过以下公式构造吸光度差的序列图像, ΔA_i(x, z):
      (1)
      注意: ΔA_i(x, z) 是吸光度的变化, a_i(x, z), 从参考吸光度, _r(x, z), 之前加热, 并派生如下^{15,16,17,18,19}:
      (2)
      其中I₀是入射光对单元格的强度。
   5. 使用适当的颜色映射 (如蓝色到红色) 着色ΔA_i 图像。
      注意: 为 ImageJ 运行步骤2.1.2 的命令脚本文件在补充 2中显示。
2. 温度估计。
   1. 通过直观地观察图像, 选择ΔA_i(x、 z) 与球体中心圆对称的时间段。
      注: 圆形对称性主要由自由对流破坏。在前面的工作¹⁹中介绍了一种基于图像的自由对流发生的分析判断;然而, 实际上, 视觉判断是有效的。
   2. 将δa_i(r @xmltag@#ʹ,θ ) 数据沿δ上的360径向线 (δθ= 1˚)解压缩到i (x,z ) 图像。
   3. 在球体及其附近 (δr @xmltag@#ʹ≈0.2 毫米) 中排除δA_i(r @xmltag@#ʹ、θ) 数据。注: 数据在附近异常非常小或大, 主要是由于球体的轻微移动。
   4. 平均ΔA_i(r @xmltag@#ʹ,θ ) 在θ上确定线路配置文件, Δ i (r @xmltag@#ʹ)。
      注意: 为 ImageJ 运行步骤2.2.2 的命令脚本文件在补充 3中显示。
   5. 通过以下多高斯函数近似ΔA_i(r @xmltag@#ʹ) 数据:
      (3)
      其中a_j 是加权因子, σ_j 是色散参数, r是 r @xmltag@#ʹ的最大值,其中Δi (R) = 0 可以假定。
   6. 计算吸收系数的差异, Δµ_i(r), 将获得的N、 _j和σ_j 放入以下 Eq 中的 IAT. (3):
      (4)
      其中电流变是错误函数。
   7. 通过以下公式将Δµ_i(r) 转换为温度:
      (5)
      与水的温度系数, α_f, 是 4.0 x 10^-3 K^-1毫米^-1为λ = 1150 nm¹⁹和 4.1 x 10^-3 K^-1 mm^-1对于λ = 1412 nm¹⁷。
      注意: 运行步骤2.2.5 到2.2.7 的命令脚本文件在补充 4中显示, 其中 Levenberg-马夸特非线性最小二乘法^17,19被用于步骤2.2.5。

结果

ΔA_i的图像 (x, z) 在λ = 1150 毫微米为一个2.0 毫米直径钢球形在水和在λ = 1412 毫微米为一个0.5 毫米直径钢球形在麦芽糖糖浆在图 5A和显示图 6分别为。在这两种情况下, 球体位于线圈底部的12毫米, 沿其中心轴线。图 5b和

讨论

本文所提出的技术是利用近红外吸收水的温度依赖性, 在建立必要的设备和实施方面没有很大困难的一种新方法。使用卤素灯和 NBPF 可以很容易地产生入射光。然而, 激光不能使用, 因为相干干扰模式将出现在图像上。可用于可见光使用的普通光学透镜和玻璃细胞, 因为它们在λ上传输足够的光 (1150 毫微米和 1412 nm)。此外, InGaAs 相机现在可以以相对低廉的价格购买。

NBPFs ...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Induction heating system	CEIA, Italy	SPW900/56	780 kHz, 5.6 kW (max).
Coil	SA-Japan	custom	Water-cooled copper tube; two-turn; outer dia. 28 mm.
Water chiller	Matsumoto Kikai, Japan	MP-401CT
Halogen lamp	Hayashi Watch-Works, Japan	LA-150UE-A
Narrow bandpass filter for λ = 1150 nm	Andover	115FS10-25	Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.
Narrow bandpass filter for λ = 1412 nm	Andover	semi-custom	Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.
Bandpass filter for λ = 850−1300 nm	Spectrogon	SP-1300
Bandpass filter for λ = 1100−2000 nm	Spectrogon	SP-2000
NIR camera	FLIR Systems	Alpha NIR	InGaAs
Image acquisition software	FLIR Systems	IRvista
Image processing software	NIH	ImageJ	ver. 1.51r
Image processing software	MathWorks	Matlab	ver. 2016a
Telecentric lens	Edmond Optics	55350-L	X1
Steel sphere (0.5 mm dia.)	Kobe Steel, Japan		Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
Steel sphere (2.0 mm dia.)	Kobe Steel, Japan		Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
Maltose syrup as aqueous gel	Sonton, Japan	Mizuame	Food product