Nah-Infrarot-Temperatur-Messtechnik für Wasser umgibt eine Induktion erhitzt kleine magnetische Kugel

Zusammenfassung

Eine Technik, mit Wellenlängen zwischen 1150 und 1412 nm zur Messung der Temperatur des Wassers rund um eine Induktion erhitzt kleine magnetische Kugel wird vorgestellt.

Zusammenfassung

Eine Technik zur Messung der Temperatur des Wassers und nicht trübe wässrigen Medien rund um eine Induktion erhitzt kleine magnetische Kugel wird vorgestellt. Diese Technik nutzt Wellenlängen von 1150 und 1412 nm, bei dem der Absorptionskoeffizient des Wassers temperaturabhängig ist. Wasser oder nicht trüben wässrigen Gel enthält eine magnetische Kugel von 2,0 mm oder 0,5 mm Durchmesser wird mit 1150 nm oder 1412 nm einfallendes Licht, als ausgewählte mit einem schmalen Bandpassfilter bestrahlt; Darüber hinaus sind zweidimensionale Extinktion Bilder, die die transversalen Projektionen der Absorptionskoeffizient sind, über eine Nah-Infrarot-Kamera erworben. Wenn die dreidimensionale Verteilung der Temperatur kugelsymmetrischen werden ausgegangen werden können, werden sie durch die Anwendung Inverse Abel verwandelt sich die Absorption profile geschätzt. Die Temperaturen wurden beobachtet, um konsequent ändern sich je nach Zeit und der induktiven Erwärmung macht.

Einleitung

Eine Technik zur Temperaturmessung in der Nähe einer kleinen Wärmequelle in einem Medium ist in vielen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung und Anwendungen erforderlich. Zum Beispiel in der Forschung an magnetischen Hyperthermie, das ist eine Krebs-Therapie-Methode mit Hilfe elektromagnetischen Induktion von magnetischen Partikeln oder magnetische Kleinteile, ist es wichtig, genau vorherzusagen, die Temperaturverteilungen durch das Magnetfeld erzeugt Teilchen^1,2. Jedoch obwohl Mikrowellen-^3,4, Ultraschall^5,6,7,8, Optoacoustic⁹, Raman¹⁰und Magnet-Resonanz-^{11 ,12}-Basis Temperatur Messtechnik erforscht und entwickelt wurden, eine innere Temperaturverteilung nicht derzeit genau gemessen werden. Bisher wurden Single-Position Temperaturen oder Temperaturen an ein paar Stellen über Temperatursensoren, gemessen, die im Falle der Induktionserwärmung, antimagnetisch LWL-Temperatur Sensoren^13,14. Alternativ wurden die Oberflächentemperaturen von Medien aus der Ferne per Infrarotstrahlung Thermometer einzuschätzen, die inneren Temperaturen¹⁴gemessen. Jedoch wenn eine kleine Wärmequelle-haltigem Medium eine Wasserschicht oder ein nicht-trübe wässrigen Medium ist, haben wir gezeigt, dass eine Nah-Infrarot (NIR) Absorption Technik nützlich ist, um die Temperaturen^{15,16Messen, 17,18,19}. Dieser Beitrag stellt das ausführliche Protokoll von dieser Technik und repräsentative Ergebnisse.

Die NIR-Absorption-Technik basiert auf dem Prinzip der Temperaturabhängigkeit der absorptionsbanden des Wassers in der NIR-Region. Wie gezeigt in der Abbildung 1a, ν₁ + ν₂ + ν₃ Absorptionsbande des wird Wasser in die 1100 nm bis 1250 nm Wellenlängenbereich (λ) und Verschiebungen zu kürzeren Wellenlängen als die Temperatur beobachtet ¹⁹erhöht. Hier, ν₁ ν₂ + ν₃ bedeutet dieser Band, der die Kombination von drei grundlegenden O-H-Schwingungsmoden entspricht: symmetrische Dehnung (ν₁), biegen (ν ₂), und antisymmetrische Dehnen (ν₃)^20,21. Diese Änderung im Spektrum zeigt, dass die meisten temperaturempfindliche Wellenlänge in der Band λ ≈ 1150 nm. Anderen absorptionsbanden des Wassers zeigen auch ein ähnliches Verhalten in Bezug auf die Temperatur^{15,16,17,18,20,21}. Ν₁ + ν₃ Band des Wassers beobachtet innerhalb der Palette λ = 1350−1500 nm und ihre Temperaturabhängigkeit sind in Abbildung 1 bdargestellt. 1412 nm ist in ν₁ + ν₃ Band des Wassers die meisten temperaturempfindliche Wellenlänge. So ist es möglich, zweidimensionale (2D) Temperatur Bilder zu erhalten, indem eine NIR Kamera 2D Extinktion Bilderfassung bei λ = 1150 oder 1412 nm. Als der Absorptionskoeffizient des Wassers bei λ = 1150 nm ist kleiner bei λ = 1412 nm, die ehemaligen Wellenlänge eignet sich für ca. 10 mm dicken wässrigen Medien, während Letzteres für die ca. 1 mm Dicke eignet. Vor kurzem, Verwendung von λ = 1150 nm, erhalten wir die Temperaturverteilungen in einer 10 mm dicken Wasserschicht enthält eine Induktion erhitzt Durchmesser von 1 mm Stahlkugel¹⁹. Darüber hinaus die Temperaturverteilungen in einer 0,5 mm dicken Wasserschicht gemessen wurden mithilfe von λ = 1412 nm^15,17.

Ein Vorteil der NIR-basierte Temperatur imaging Technik ist, dass es einfach einzurichten und zu implementieren, da es ein Getriebe-Absorption-Messverfahren ist und kein Fluorophor, Phosphor oder anderen Temperaturfühler braucht. Darüber hinaus ist seine Temperaturauflösung kleiner als 0,2 K^15,17,19. Eine gute Temperaturauflösung gelingt nicht durch andere Übertragungstechniken basierend auf Interferometrie, die oft in Wärme- und Stoffübertragung Studien^22,23,24benutzt worden sind. Wir beachten Sie jedoch, dass die NIR-basierte Temperatur imaging Technik eignet sich nicht nur in Fällen mit erheblichen lokalen Temperatur ändern, weil die Lichtablenkung durch verursacht großen Temperaturgradienten wird dominant¹⁹. Diese Frage wird in diesem Papier in Bezug auf die praktische Anwendung bezeichnet.

Dieses Papier beschreibt die Versuchsaufbau und das Verfahren für die NIR-basierte Temperatur bildgebendes Verfahren für eine kleine magnetische Kugel via Induktion erhitzt; Darüber hinaus stellt es die Ergebnisse von zwei repräsentativen 2D Extinktion Bildern. Ein Bild ist ein Durchmesser von 2,0 mm Stahlkugel in einer 10,0 mm dicken Wasserschicht, die bei λ erfasst = 1150 nm. Das zweite Bild ist von einem Durchmesser von 0,5 mm Stahlkugel in eine 2,0 mm Dicke Maltose-Sirup-Schicht, die an λ aufgezeichnet wird 1412 nm =. Dieser Beitrag stellt auch die Berechnungsmethode und die Ergebnisse der dreidimensionalen (3D) radiale Verteilung der Temperatur durch die Inverse Transformation Abel (IAT) auf die 2D Extinktion-Bilder anwenden. Die IAT ist gültig, wenn eine 3D Temperaturverteilung ausgegangen wird, wie im Fall von einer beheizten Bereich (Abbildung 2)¹⁹kugelsymmetrischen sein. Für die IAT-Berechnung ist eine Multi-Gauß-Funktion, die passende Methode hier eingesetzt, da die IATs Gaußsche Funktionen analytisch^{25,26,27,28,29 abgerufen werden können} und passen gut zu monoton abnehmende Daten; Dies umfasst Experimente mit Wärmeleitung von einer einzigen Wärmequelle.

Protokoll

1. Versuchsaufbau und Verfahren

Bereiten Sie eine optische Schiene eine Probe und Optik für NIR-Bildgebung wie folgt zu montieren.

1. Probenvorbereitung.
   Hinweis: Bei Verwendung von Wasser oder wässrigen Flüssigkeit treten 1.1.1. Bei einem wässrigen Gel mit hoher Viskosität treten Sie 1.1.2.
   1. Stahlkugel im Wasser.
      1. Eine Durchmesser von 2,0 mm Stahlkugel bis zum Ende einer dünnen Kunststoff Zeichenfolge, die eine kleine Menge des Klebers zu beheben.
      2. Hängen Sie die Stahlkugel in der Mitte der rechteckigen Glas Zelle mit einer optischen Weglänge von 10,0 mm, einer Breite von 10 mm und einer Höhe von 45 mm (Abbildung 3).
      3. Gießen Sie gefiltertes Wasser in die Zelle vorsichtig um nicht Luftblasen produzieren.
         Hinweis: Eine Stahlkugel kann auch an der Spitze des einen dünnen Stab mit einer kleinen Menge von Kleber¹⁹befestigt werden.
   2. Stahlkugel im wässrigen Gel.
      1. Erhitzen Sie eine wässrige Gel um seine Viskosität zu verringern, so dass es niedrig genug, um problemlos gegossen werden.
      2. Mit einer Spritze, die wässrige Gel in einer rechteckigen Glas-Zelle mit einer optischen Weglänge von 2,0 mm, einer Breite von 10 mm und einer Höhe von 45 mm bis halbvoll Gießen und abkühlen lassen.
      3. Legen Sie eine Durchmesser von 0,5 mm Stahlkugel in der Mitte der Geloberfläche.
      4. Füllen Sie die Zelle mit dem wässrigen Gel.
         Hinweis: Größere Kugeln (> ~ 1 mm ø) sollte nicht mit einem Gel verwendet werden, weil sie durch Schwerkraft und/oder magnetische Kräfte während der induktiven Erwärmung bewegen werden.
   3. Legen Sie die Zelle in einem Kunststoff-Halter und montieren Sie ihn auf die optische Schiene (Abbildung 3).
2. Vorbereitung der NIR-imaging-System.
   1. Vorbereiten einer Halogenlampe mit einem Glasfaser-Lichtleiter, und Ende der Glasfaser-Lichtleiter mit einem Halter auf der optischen Schiene befestigen.
   2. Legen Sie ein schmales Bandpassfilter (NBPF) mit einem Maximum Transmission bei λ = 1150 nm oder λ = 1412 nm zwischen den Glasfaser-Lichtleiter und die Zelle (Abbildung 3).
   3. Stellen Sie einen weiteren Bandpassfilter (BPF), deren Übertragung Wellenlängenbereich breiter als die des NBPF, zwischen der Halogen-Lampe und die NBPF ist.
      Hinweis: Die BPF wird benötigt, um thermische Schäden an der NBPF zu vermeiden, weil es Licht direkt erhält.
   4. Stellen Sie eine Iris diaphragm(s) im Strahlengang zwischen dem NBPF und Zelle Inhaber reduzieren das Streulicht (Abbildung 3).
   5. Richten Sie eine NIR-Kamera, das Licht, das durch die Zelle (Abbildung 3) zu erkennen. Schließen Sie die Kamera über ein Datenübertragungskabel für eine Grafikkarte in einem Personal Computer (PC) mit Bild-Datenerfassungs-Software installiert.
   6. Stellen Sie eine telezentrischen Objektiv zwischen Zelle und Kamera (Abbildung 3).
      Hinweis: Eine gemeinsame Kameralinse kann auch verwendet werden. Allerdings ist ein telezentrischen Objektiv besser in Bezug auf die selektive Detektion des leichten Parallel zum Chef Ray für die IAT und Reduzierung des Einflusses der Beugung.
      Hinweis: Die NBPF und die BPF sollte nicht zwischen der Zelle und die Kamera platziert werden da auf diese Weise die Temperatur des Wassers über direkte Absorption von hochintensivem Licht von Halogen-Lampe erhöhen würde.
   7. Die NIR-Kamera schalten Sie ein und starten Sie die Bild-Datenerfassungs-Software.
   8. Licht der Halogenlampe und stellen Sie seine Leistung beobachten des Bildes auf dem Monitor (Abbildung 4).
   9. Passen Sie die Achse, Position und das telezentrischen Objektiv um ein schönes Bild von der Stahlkugel zu erhalten.
      Hinweis: Wenn die Anpassung nicht abgeschlossen ist, unregelmäßige Intensität Muster, was zu falschen Absorptionswerte erscheint.
3. Vorbereitung der Induktion Heizung.
   1. Bereiten Sie eine Induktionsheizung System bestehend aus einem Hochfrequenzgenerator (maximale Ausgangsleistung: 5,6 kW -Frequenz: 780 kHz), wassergekühlte Spule und Wasserkühler.
      Hinweis: Eine Induktionsheizung System für das Hartlöten ist Schweißen und Löten von kleinen Metallteilen für diesen Zweck geeignet; siehe Tabelle der Materialien.
   2. Wenn möglich, montieren Sie die Spule auf einer XYZ bewegliche Bühne, seine Position zu ändern.
   3. Legen Sie die Spule in der Nähe der Zelle, so dass der Abstand zwischen der Mitte der Spule und die Stahlkugel ca. 15 mm (Abbildung 3 ist). Sicherzustellen Sie, dass es keine andere Metallteile in der Nähe der Spule.
      Hinweis: Der Abstand sollte je nach der induktiven Erwärmung macht und die Kugelgröße angepasst werden.
   4. Zirkulieren Sie Wasser zur Kühlung.
4. Bildaufnahme und Induktionserwärmung.
   1. Klicken Sie auf "start" auf der Bild-Datenerfassungs-Software, die Bilder nacheinander zu speichern.
   2. Klicken Sie "start" auf die Induktionserwärmung Steuerungssoftware um die Induktionserwärmung beginnen.
   3. Nach einigen Sekunden (abhängig von den Bedingungen und Zweck) "stop" klicken Sie auf das Bild-Datenerfassungs-Software.
   4. Klicken Sie auf "stop" auf der induktiven Erwärmung Steuerungssoftware.
   5. Speichern Sie die zeitlich gespeicherten Bilder als eine TIFF-Sequenz (oder andere nicht komprimierten Format) auf die Bild-Datenerfassungs-Software.
      Hinweis: Wenn die Temperatur hoch genug ist, erscheint der Effekt der Lichtablenkung auf dem Bild⁷. Die Induktive Erwärmung macht muss verringert entsprechend aber Experimente, so dass die Erhöhung der Temperatur in der Nähe der Kugel ist weniger als etwa 10 K, die in den folgenden Schritten des Protokolls für die Temperatur-Schätzung bestätigt werden kann.

2. Bild-Verarbeitung und Temperatur-Schätzung

Hinweis: Die gespeicherte aufeinander folgenden Bildern werden dargestellt als ich_ich(X, Z) ist die fortlaufende Frame-Nummer . Die Koordinaten X, y, Z, Rund R' sind definiert, wie in Abbildung 2; angegeben sind Z ist positiv in Richtung gegenüber der Schwerkraft. Der Umriss des Protokoll folgendermaßen wird auch im Supplement 1dargestellt.

1. Extinktion Bildkonstruktion.
   1. Offene ich_ich(X, Z) mit der Bildverarbeitungs-Software.
   2. Lärmminderung in ich_ich(X, Z) durch die Implementierung von 3 × 3 Pixel Durchschnitt.
   3. Erstellen Sie ein durchschnittliche Bild der ich_ich(X, Z) über i = 1 bis 5 (oder mehr) vor dem Erhitzen, und definieren Sie es als Referenzbild, ich_r(X, Z).
      Hinweis: Dieser Mittelung verringert das Rauschen um ein zuverlässiger Bild als ein einzelnes Bild zu erhalten.
   4. Die aufeinander folgenden Bildern der Extinktion Differenz, Δ zu konstruierenein_ich(X, Z), über die folgende Gleichung:
      (1)
      Hinweis: Δ istA_ich(X, Z) die Variation in der Extinktion, ein_ich(X, Z), aus der Referenz Extinktion, ein_f(X, Z), vor Heizung, und ist wie folgt abgeleitet^{15,16,17,18,19}:
      (2)
      wo ich₀ ist die Intensität des einfallenden Lichts in die Zelle.
   5. Färben Sie die Δeinen_ich Bilder mit einer entsprechenden Farbkarte wie blau oder rot ein.
      Hinweis: Die Befehlsskript-Datei für 2.1.5 für ImageJ Schritte 2.1.2 durchzogen wird in Ergänzung 2vorgestellt.
2. Temperatur-Schätzung.
   1. Wählen Sie den Zeitraum, während dem ΔA_ich(x, Z) kreisförmig symmetrisch in Bezug auf die Mitte der Kugel ist, visuell anhand der Bilder.
      Hinweis: Die kreisförmige Symmetrie gliedert sich vor allem durch freie Konvektion. Eine Image-basierte analytische Beurteilung der freier Konvektion auftreten wird in der früheren Arbeit¹⁹eingeführt; die visuelle Beurteilung ist jedoch praktisch, effektiv.
   2. ΔA_ich(Rʹ, θ) Daten extrahieren entlang 360 radiale Linien (Δθ = 1˚) auf die Δein_ich(X, Z) Bilder.
   3. Daten auszuschließen, die Δeinen_ich(Rʹ, θ) innerhalb der Sphäre und in dessen Umgebung (Δrʹ≈ 0,2 mm). Hinweis: Die Daten sind ungewöhnlich sehr klein oder groß in der Nähe vor allem wegen der leichten Bewegung der Kugel.
   4. Durchschnittliche Δein_ich(Rʹ, θ) über θ bestimmen die Linienform, Δein_ich(Rʹ).
      Hinweis: Die Befehlsskript-Datei zum Ausführen von Schritten 2.2.2 bis 2.2.4 für ImageJ ist in Ergänzung 3vorgestellt.
   5. Ungefähre ΔA_ich(Rʹ) Daten von der folgenden Multi-Gauß-Funktion:
      (3)
      wo ein_j ist der Gewichtungsfaktor, σ_j ist die Dispersion-Parameter und R ist das Maximum der rʹ wo ΔA_ich(R) = 0 kann davon ausgegangen werden.
   6. Berechnen Sie die Absorption Koeffizient Differenz, Δµ_ich(R), durch die Substitution der erhaltenen N ein_jund σ_j in der folgenden IAT der GL. (3):
      (4)
      wo Erf die Fehlerfunktion ist.
   7. Konvertieren Sie Δµ_ich(R) Temperatur über die folgende Gleichung:
      (5)
      mit der Temperatur-Koeffizienten von Wasser, α_f, die 4,0 × 10^-3 K^-1 mm^-1 für λ = 1150 nm¹⁹ und 4.1 × 10^-3 K^-1 mm^-1 für λ = 1412 nm¹⁷.
      Hinweis: In Ergänzung 4, wo der Levenberg-Marquardt nichtlineare kleinste-Quadrate-Algorithmus^17,19 für Schritt 2.2.5 beschäftigt ist die Befehlsskript-Datei zum Ausführen von Schritten 2.2.5 durch 2.2.7 präsentiert.

Ergebnisse

Bilder von ΔA_ich(X, Z) bei λ = 1150 nm bei einem Durchmesser von 2,0 mm Stahlkugel im Wasser und bei λ = 1412 nm für eine Durchmesser von 0,5 mm Stahlkugel in Maltose Sirup sind in Abbildung 5ein und präsentiert Abbildung 6ein, beziehungsweise. In beiden Fällen war die Kugel befindet sich 12 mm unter dem unteren Rand der Spule entlang ...

Diskussion

Die in diesem Dokument vorgestellte Technik ist ein Roman über die Temperaturabhängigkeit der NIR-Absorption von Wasser und stellt keine erhebliche Schwierigkeiten bei der Einrichtung der notwendigen Ausrüstung und Umsetzung. Das einfallende Licht kann leicht mit einer Halogenlampe und einer NBPF hergestellt werden. Jedoch können nicht Laser eingesetzt werden, denn kohärente Interferenzmuster auf den Bildern erscheinen würde. Gemeinsamen optischen Linsen und Glas Zellen für sichtbares Licht Verwendung genutzt werd...

Materialien

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