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Resumen

Se presenta una técnica que utiliza longitudes de onda de 1412 y 1150 nm para medir la temperatura del agua que rodea una esfera magnética pequeño calentado por inducción.

Resumen

Se presenta una técnica para medir la temperatura del agua y no turbio medio acuoso que rodea una esfera magnética pequeño calentado por inducción. Esta técnica utiliza longitudes de onda de 1412 y 1150 nm, en la que el coeficiente de absorción de agua es dependiente en temperatura. Agua o un gel acuoso no turbio que contiene una esfera magnética de 2.0 mm o 0,5 mm de diámetro se irradia con 1150 nm o luz incidente 1412 de nm, como seleccionado utilizando un filtro paso de banda estrecha; Además, se adquieren imágenes bidimensionales de la absorbancia, que son las proyecciones transversales del coeficiente de absorción, a través de una cámara de infrarrojo cercano. Cuando las distribuciones tridimensionales de temperatura pueden ser asumidas para ser esférico simétrico, se estimaron aplicando inverso que transforma de Abel a los perfiles de absorbancia. Las temperaturas fueron observadas constantemente cambiar según el tiempo y la energía de la calefacción de inducción.

Introducción

Una técnica para medir la temperatura cerca de una fuente de calor pequeña dentro de un medio es necesaria en muchos campos de investigación científica y aplicaciones. Por ejemplo, en la investigación en hipertermia magnética, que es un método de terapia de cáncer mediante la inducción electromagnética de las partículas magnéticas, o pequeñas piezas magnéticas, es fundamental para predecir con exactitud las distribuciones de temperatura generadas por el magnético partículas1,2. Sin embargo, aunque microondas3,4, ultrasonido5,6,7,8, optoacoustic9, Raman10y resonancia magnética11 ,12-técnicas de medición de temperatura basado han sido investigadas y desarrolladas, tal una distribución de la temperatura interna no se puede medir con precisión en la actualidad. Hasta el momento, solo posición temperaturas o temperaturas en algunas posiciones se han medido a través de sensores de temperatura, que, en el caso de calentamiento por inducción, son no magnéticas de fibra óptica de13,de sensores de temperatura14. Alternativamente, las temperaturas superficiales de los medios de comunicación han sido medidas de forma remota mediante Termómetros de radiación infrarroja para estimar la temperatura interna14. Sin embargo, cuando un medio que contiene una fuente de calor pequeña es una capa de agua o un medio acuoso no turbio, hemos demostrado que una técnica de absorción de infrarrojo cercano (NIR) es útil para medir las temperaturas15,16, 17,18,19. Este papel presenta el protocolo detallado de esta técnica y resultados representativos.

La técnica de absorción NIR se basa en el principio de dependencia de la temperatura de las bandas de absorción de agua en la región NIR. Como se muestra en la Figura 1a, la ν1 ν2 + ν3 bandas de absorción de agua se observa en lo 1100 nm a 1250 nm de longitud de onda (λ) y cambios a longitudes de onda más cortas como la temperatura aumenta19. Aquí, ν1 + ν2 + ν3 significa que esta banda corresponde a la combinación de los tres modos fundamentales de vibración O-H: estiramiento simétrico (ν1), flexión (ν 2) y antisimétrico estiramiento (ν3)20,21. Este cambio en el espectro indica que la longitud de onda más sensible a la temperatura en la banda es λ ≈ 1150 nm. Otras bandas de absorción de agua también presentan un comportamiento similar con respecto a la temperatura15,16,17,18,20,21. El ν1 + ν3 bandas de agua observaron dentro de la gama λ = 1350−1500 nm y su dependencia de la temperatura se muestran en la Figura 1b. En el ν1 + ν3 banda de agua, 1412 nm es la longitud de onda más sensible a la temperatura. Por lo tanto, es posible obtener imágenes bidimensionales (2D) utilizando una cámara NIR para capturar imágenes 2D de la absorbancia a λ = 1412 o 1150 nm. Como el coeficiente de absorción de agua a λ = 1150 nm es menor que en λ = 1412 nm, la longitud de onda anterior es adecuado para medios acuosos aproximadamente 10 mm de espesor, mientras que el segundo es adecuado para aproximadamente 1 mm de espesor unos. Recientemente, usando λ = 1150 nm, se obtuvieron las distribuciones de temperatura en una capa de agua de 10 mm de espesor que contiene una esfera de acero de 1 mm de diámetro calentado inducción19. Por otra parte, las distribuciones de temperatura en una capa de agua de 0.5 mm de espesor se han medido utilizando λ = 1412 nm15,17.

Una ventaja a la temperatura de NIR-basado proyección de imagen técnica es que es fácil de configurar y poner en práctica porque es una técnica de medición de transmisión-absorción y necesidades sin fluoróforo, fósforo u otra sonda térmica. Además, su resolución de temperatura es menor que 0,2 K15,17,19. Una resolución tan buena temperatura no puede lograrse por otras técnicas de transmisión basados en la interferometría, que a menudo han sido utilizados en calor y transferencia de masa estudios22,23,24. Sin embargo, observamos que la temperatura de NIR-base técnica de la proyección de imagen no es adecuada en casos con cambios considerables de temperatura local, porque la desviación de la luz causada por el gradiente de temperatura grande se convierte en dominante19. Esta cuestión se refiere en este trabajo en términos de uso práctico.

Este papel describe el montaje experimental y el procedimiento para la base de NIR temperatura técnica de imagen de una pequeña esfera magnética que calienta por inducción; Además, presenta los resultados de dos imágenes representativas absorbancia 2D. Una imagen es de una esfera de acero de 2.0 mm de diámetro en una capa de agua de 10.0 mm de espesor que es capturada en λ = 1150 nm. La segunda imagen es de una esfera de acero de 0.5 mm de diámetro en una capa de jarabe de maltosa de 2.0 mm de espesor que es capturada en λ = 1412 nm. También se presenta el método de cálculo y los resultados de la distribución radial (3D) tridimensional de la temperatura aplicando el inverso transforma de Abel (IAT) para las imágenes 2D de la absorbancia. El IAT es válida cuando se asume una distribución de temperatura 3D esférico simétrico como en el caso de una esfera caliente (figura 2)19. Para el cálculo del IAT, una función de multi-gaussiano montaje método se emplea aquí, porque el Setai de funciones Gaussian puede obtenerse analíticamente25,26,27,28,29 y en forma bien a monótonamente decrecientes de datos; Esto incluye experimentos empleando la conducción térmica de una fuente de calor única.

Protocolo

1. experimental instalación y procedimientos

Preparar un riel óptico montar un muestra y óptica para NIR imaging como sigue.

  1. Preparación de la muestra.
    Nota: Cuando se utiliza agua o líquido acuoso, paso 1.1.1. Cuando se utiliza un gel acuoso con de gran viscosidad, paso 1.1.2.
    1. Bola de acero en agua.
      1. Fijar una esfera de acero de 2.0 mm de diámetro hasta el final de una cadena de plástico fino con una pequeña cantidad de pegamento.
      2. Colgar la bola de acero en el centro de la celda rectangular de vidrio con una longitud de trayectoria óptica de 10,0 mm, una anchura de 10 mm y una altura de 45 mm (figura 3).
      3. Vierta agua filtrada en la celda con cuidado para no producir burbujas de aire.
        Nota: Una bola de acero puede también fijarse en la punta de una varilla de plástico fina con una pequeña cantidad de Pegamento19.
    2. Bola de acero en gel acuoso.
      1. Un gel acuoso para reducir su viscosidad que sea suficientemente bajo como para ser vertida sin problemas de calor.
      2. Utilizando una jeringa, vierta el gel acuoso de una célula de cristal rectangular con una longitud de trayectoria óptica de 2.0 mm, una anchura de 10 mm y una altura de 45 mm a mitad y dejar enfriar.
      3. Coloque una bola de acero de 0.5 mm de diámetro en el centro de la superficie del gel.
      4. Llene la celda con el gel acuoso.
        Nota: Las esferas más grandes (> ~ 1 mm de diámetro) no debe ser utilizado con un gel porque ellos se mueven por fuerzas gravitatorias o magnéticas durante el calentamiento por inducción.
    3. Encuentra la celda en un soporte de plástico y montaje en el riel óptico (figura 3).
  2. Preparación del sistema de imagen de NIR.
    1. Preparar una lámpara halógena con un guía de luz de fibra y fijar el extremo de la guía de luz de fibra con un soporte en el riel óptico.
    2. Coloque un filtro paso de banda estrecho (NBPF) con un máximo de transmitancia a λ = 1150 nm o λ = 1412 nm entre el guía de luz de fibra y la célula (figura 3).
    3. Interponer el filtro pasabanda (BPF), cuyo rango de longitud de onda de transmisión es más amplio que el de la NBPF, entre la lámpara del halógeno y la NBPF.
      Nota: El BPF es necesaria para evitar daño térmico a la NBPF porque recibe la luz directamente.
    4. Interponer una iris diaphragm(s) en la trayectoria de la luz entre el titular NBPF y de la célula para reducir la luz (figura 3).
    5. Configurar una cámara NIR para detectar la luz transmitida a través de la célula (figura 3). Conecte la cámara a través de un cable de transferencia de datos a una tarjeta de gráficos instalada en un ordenador personal (PC) con software de adquisición de imagen.
    6. Coloque la lente de telecentric entre el celular y la cámara (figura 3).
      Nota: El lente de una cámara común también puede ser utilizado. Sin embargo, una lente de telecentric es mejor en cuanto a la detección selectiva de la luz paralela al rayo principal para el IAT y la reducción de la influencia de la difracción.
      Nota: El NBPF y BPF deben no estar entre el celular y la cámara porque, de esta manera, aumentaría la temperatura del agua mediante la absorción directa de la luz de alta intensidad de la lámpara del halógeno.
    7. Encienda la cámara NIR y ejecutar el programa de adquisición de imagen.
    8. La lámpara halógena de luz y ajusta su potencia de observación de la imagen visualizada en el monitor (figura 4).
    9. Ajuste el eje, posición y foco de la lente de telecentric para obtener una imagen fina de la esfera de acero.
      Nota: Si el ajuste no es completo, irregular intensidad aparecerán los patrones, llevando a absorbancia incorrecta.
  3. Elaboración de sistema de calentamiento por inducción.
    1. Preparar una sistema que consiste en un generador de alta frecuencia de calentamiento por inducción (potencia de salida máxima: 5.6 kW; frecuencia: 780 kHz), bobina refrigerada por agua y agua.
      Nota: Una sistema de calefacción para soldar de la inducción, soldadura y soldar piezas de metal pequeñas son apropiado para este propósito; Véase Tabla de materiales.
    2. Si es posible, Monte la bobina en un escenario móvil XYZ para cambiar su posición.
    3. Coloque la bobina cerca de la célula, tal que la distancia entre el centro de la bobina y la bola de acero es de aproximadamente 15 mm (figura 3). Asegúrese de que no hay otras partes metálicas cerca de la bobina.
      Nota: La distancia debe ajustarse dependiendo de la potencia y el tamaño de la esfera de calentamiento por inducción.
    4. Circular el agua para enfriamiento.
  4. Adquisición de la imagen y calentamiento por inducción.
    1. Haga clic en "Inicio" en el software de adquisición de imagen para almacenar las imágenes secuencialmente.
    2. Haga clic en "Inicio" en el software de control para iniciar el calentamiento por inducción de calentamiento por inducción.
    3. Después de varios segundos (dependiendo de las condiciones y propósito), haga clic en "stop", en el software de adquisición de imagen.
    4. Haga clic en "stop" en el software de control de calentamiento por inducción.
    5. Guardar las imágenes almacenadas temporalmente como una secuencia TIFF (u otro formato no comprimido) en el software de adquisición de imagen.
      Nota: Si la temperatura es suficientemente alta, el efecto de la desviación de luz aparecerán en la imagen7. La energía de la calefacción de inducción debe ser apropiadamente disminuida aunque experimentos tales que el aumento de la temperatura cerca de la esfera es de menos de aproximadamente 10 K, que se puede confirmar en los siguientes pasos de protocolo para la estimación de la temperatura.

2. tratamiento y estimación de la temperatura de imágenes

Nota: Las imágenes secuenciales guardadas se representan como (x, z), donde i es el número secuencial. Las coordenadas x, y, z, ry r' se definen como se indica en la figura 2; z es positiva en la dirección opuesta a la gravedad. El esquema de los pasos del Protocolo se ilustra también en el suplemento 1.

  1. Construcción de la imagen de absorbancia.
    1. Abierto (x, z) con el software de procesamiento de imágenes.
    2. Reducir el ruido en (x, z) mediante la implementación de 3 × 3 pixel con un promedio de.
    3. Crear una imagen promedio de (x, z) sobre = 1 a 5 (o más) antes de calentar y definirlo como la imagen de referencia, Ir(x, z).
      Nota: Este promedio reduce el ruido para obtener una imagen más confiable que una imagen de fotograma único.
    4. Construir las imágenes secuenciales de la diferencia de absorbancia, Δun(x, z), mediante la siguiente ecuación:
      figure-protocol-7691(1)
      Nota: ΔA(x, z) es la variación en la absorbancia, A(x, z), de la absorbancia de la referencia, r(x, z), antes de calefacción y se derivan las siguientes15,16,17,18,19:
      figure-protocol-8212(2)
      donde I0 es la intensidad de luz incidente para la célula.
    5. Colorear las Δuna imágenes usando un mapa de color apropiado como azul y rojo.
      Nota: El archivo de script de comandos para ejecutar pasos 2.1.2 a 2.1.5 de ImageJ se presenta en el suplemento 2.
  2. Estimación de la temperatura.
    1. Elija el período de tiempo durante el cual ΔA(x, z) es circular simétrico con respecto al centro de la esfera mediante la observación visual de las imágenes.
      Nota: La simetría circular se rompe principalmente por convección libre. Se introduce un juicio analítico basado en imágenes de convección libre que ocurre en el anterior trabajo19; sin embargo, prácticamente, el juicio visual es eficaz.
    2. Extraer los ΔA(ʹr, θ) datos a lo largo de 360 líneas radiales (Δθ = 1˚) en las imágenes de Δun(x, z).
    3. Excluir el Δuna(ʹr, θ) datos dentro de la esfera y en sus alrededores (Δrʹ≈ 0,2 mm). Nota: Los datos son anómalamente muy grandes o pequeñas en la vecindad principalmente por el ligero movimiento de la esfera.
    4. Media Δuna(ʹr, θ) en θ para determinar el perfil de la línea, Δun(rʹ).
      Nota: El archivo de comandos del comando para recorrer pasos 2.2.2 2.2.4 de ImageJ se presenta en el suplemento 3.
    5. Aproximar los datos a ΔA(rʹ) por la siguiente función de multi-gaussiano:
      figure-protocol-10027(3)
      donde j es el factor de ponderación, σj es el parámetro de dispersión, y R es el máximo de rʹ donde ΔA(R) = 0 puede ser asumido.
    6. Calcular la diferencia de coeficiente de absorción, Δμ(r), sustituyendo el obtenidos N unajy σj en la UAI siguientes de la ecuación (3):
      figure-protocol-10547(4)
      donde erf es la función de error.
    7. Convertir Δμ(r) a la temperatura mediante la siguiente ecuación:
      figure-protocol-10761(5)
      con los coeficientes de temperatura de agua, αf, que son 4.0 × 10-3 K-1 m-1 para λ = 1150 nm19 y 4,1 × 10-3 K-1 m-1 para λ = 1412 nm17.
      Nota: El archivo de script de comandos para ejecutar pasos 2.2.5 por 2.2.7 se presenta en el suplemento 4, donde se emplea el Levenberg-Marquardt algoritmo no lineal lo menos-cuadrados17,19 paso 2.2.5.

Resultados

Imágenes de ΔA(x, z) en λ = 1150 nm para una esfera de acero de 2.0 mm de diámetro en agua y a λ = 1412 nm para una esfera de acero de 0.5 mm de diámetro en jarabe de la maltosa se presentan en la figura 5a y Figura 6un, respectivamente. En ambos casos, la esfera fue situado 12 mm por debajo de la parte inferior de la bobina a lo larg...

Discusión

La técnica presentada en este libro es una novela utilizando la dependencia de la temperatura de absorción NIR del agua y no presenta ninguna dificultad importante en configurar el equipo y la aplicación. La luz del incidente puede ser producida fácilmente mediante el uso de una lámpara halógena y un NBPF. Sin embargo, láser no puede utilizarse, debido a patrones de interferencia coherente aparecería en las imágenes. Lentes ópticas comunes y celdas de vidrio para uso de la luz visible pueden utilizarse, como tr...

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Los autores agradecen su apoyo en los experimentos y análisis de datos Sr. Kenta Yamada, Sr. Ryota Fujioka y Sr. Mizuki Kyoda. Este trabajo fue apoyado por JSP KAKENHI concesión número 25630069, la Fundación Suzuki y la Fundación de promoción de tecnología de medición precisa, Japón.

Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
Induction heating systemCEIA, ItalySPW900/56780 kHz, 5.6 kW (max).
CoilSA-JapancustomWater-cooled copper tube; two-turn; outer dia. 28 mm.
Water chillerMatsumoto Kikai, JapanMP-401CT
Halogen lampHayashi Watch-Works, JapanLA-150UE-A
Narrow bandpass filter for λ = 1150 nmAndover115FS10-25Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.
Narrow bandpass filter for λ = 1412 nmAndoversemi-customFull width at half-maximum (FWHM): 10 nm.
Bandpass filter for λ = 850−1300 nmSpectrogonSP-1300
Bandpass filter for λ = 1100−2000 nmSpectrogonSP-2000
NIR cameraFLIR SystemsAlpha NIRInGaAs
Image acquisition softwareFLIR SystemsIRvista
Image processing softwareNIHImageJver. 1.51r
Image processing softwareMathWorksMatlabver. 2016a
Telecentric lensEdmond Optics55350-LX1
Steel sphere (0.5 mm dia.)Kobe Steel, JapanFe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
Steel sphere (2.0 mm dia.)Kobe Steel, JapanFe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
Maltose syrup as aqueous gelSonton, JapanMizuameFood product

Referencias

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Erratum


Formal Correction: Erratum: Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere
Posted by JoVE Editors on 12/06/2018. Citeable Link.

An erratum was issued for: Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere. The Protocol section was updated.

In 2.2.7, the temperature coefficient of water, αf, for λ = 1150 nm has been corrected from:

4.0 x 10-3 K-1 mm-1

to:

2.8 x 10-4 K-1 mm-1

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