Tecnica di misurazione della temperatura vicino infrarosso per l'acqua che circonda una sfera magnetica piccola riscaldata a induzione

Riepilogo

Una tecnica che utilizza lunghezze d'onda di 1150 e 1412 nm per misurare la temperatura dell'acqua che circonda una sfera magnetica piccola riscaldata a induzione è presentata.

Abstract

Una tecnica per misurare la temperatura dell'acqua e mezzi acquosi non torbido che circonda una sfera magnetica piccola riscaldata a induzione è presentata. Questa tecnica utilizza lunghezze d'onda di 1150 e 1412 nm, in cui il coefficiente di assorbimento di acqua dipende dalla temperatura. Acqua o un gel acquoso non torbida contenente una sfera magnetica del diametro di 2,0 mm o 0,5 mm viene irradiato con 1150 nm o 1412 luce incidente nm, come selezionato utilizzando un filtro passa-banda stretto; Inoltre, immagini di assorbanza bidimensionale, che sono le proiezioni trasversale del coefficiente di assorbimento, vengono acquisiti tramite una telecamera infrarosso vicino. Quando le distribuzioni tridimensionale della temperatura possono essere presupposto per essere sfericamente simmetrico, sono stimati applicando l'inverso che trasforma Abel per i profili di assorbanza. Le temperature sono state osservate costantemente cambiare secondo il tempo e la potenza di riscaldamento ad induzione.

Introduzione

Una tecnica per misurare la temperatura vicino ad una fonte di calore piccolo all'interno di un mezzo è necessaria in molti campi della ricerca scientifica e applicazioni. Ad esempio, nella ricerca sulla ipertermia magnetica, che è un metodo di terapia del cancro tramite induzione elettromagnetica di particelle magnetiche o piccoli pezzi magnetici, è fondamentale prevedere con precisione le distribuzioni di temperatura generate da magnetico particelle^1,2. Tuttavia, anche se a microonde^3,4, ultrasuono^5,6,7,8, optoacoustic⁹, Raman¹⁰e a risonanza magnetica^{11 ,12}-tecniche di misurazione di temperatura base sono stati studiati e sviluppati, così una distribuzione di temperatura interna non può essere misurata con precisione al momento. Finora, singolo-posizione o temperature alle poche posizioni sono state misurate tramite sensori di temperatura, che, nel caso di riscaldamento di induzione, sono non-magnetico fibra ottica temperatura sensori^13,14. In alternativa, le temperature superficiali dei media sono state misurate in remoto tramite termometri a raggi infrarossi per stimare la temperature interna¹⁴. Tuttavia, quando un mezzo contenente una fonte di calore piccolo è uno strato di acqua o un mezzo acquoso non torbida, abbiamo dimostrato che una tecnica di assorbimento infrarosso vicino (NIR) è utile per misurare le temperature^{15,16, 17,18,19}. Questa carta presenta il protocollo dettagliato di questa tecnica e risultati rappresentativi.

La tecnica di assorbimento NIR si basa sul principio della dipendenza di temperatura delle bande di assorbimento d'acqua della regione NIR. Come è mostrato nella Figura 1a, ν₁ + ν₂ + ν₃ banda di assorbimento di acqua è osservato in 1100-nm a 1250 nm lunghezza d'onda (λ) e si sposta verso lunghezze d'onda più breve come la temperatura aumenta¹⁹. , Ν₁ + ν₂ + ν₃ significa che questa band corrisponde alla combinazione delle tre fondamentali modalità di vibrazione O-H: simmetrica stretching (ν₁), piegatura (ν ₂) e antisimmetrici stretching (ν₃)^20,21. Questo cambiamento nello spettro indica che la lunghezza d'onda più sensibili alla temperatura nella banda è λ ≈ 1150 nm. Altre bande di assorbimento di acqua inoltre esibiscono un comportamento simile per quanto riguarda le temperatura^{15,16,17,18,20,21}. Il ν₁ + ν₃ band di acqua osservato all'interno della gamma λ = 1350−1500 nm e la sua dipendenza di temperatura sono mostrati in Figura 1b. Nel ν₁ + ν₃ band di acqua, 1412 nm è la lunghezza d'onda più sensibili alla temperatura. Così, è possibile ottenere immagini bidimensionali (2D) temperatura mediante una telecamera NIR per catturare le immagini 2D assorbanza a λ = 1150 o 1412 nm. Come il coefficiente di assorbimento d'acqua a λ = 1150 nm è minore che a λ = 1412 nm, la lunghezza d'onda ex è adatta a mezzi acquosi di circa 10 mm di spessore, mentre il secondo è adatto per circa 1 mm di spessore ones. Recentemente, usando λ = 1150 nm, abbiamo ottenuto le distribuzioni di temperatura in un livello di 10 mm di spessore acqua contenente un induzione-riscaldata della sfera d'acciaio di 1 mm di diametro¹⁹. Inoltre, le distribuzioni di temperatura in uno strato di acqua di 0,5 mm di spessore sono state misurate utilizzando λ = 1412 nm^15,17.

Un vantaggio per la temperatura di NIR-base tecnica di imaging è che è semplice da configurare e implementare perché è una tecnica di misurazione di trasmissione-assorbimento e ha bisogno di nessun fluoroforo, fosforo o altra sonda termica. Inoltre, la sua risoluzione di temperatura è inferiore a 0,2 K^15,17,19. Tale risoluzione temperatura buona non può essere realizzato mediante altre tecniche di trasmissione basati su interferometria, che spesso sono stati utilizzati in calore e trasferimento di massa studi^22,23,24. Si nota, tuttavia, che la temperatura di NIR-base tecnica di imaging non è adatta nei casi con variazione di temperatura locale considerevole, perché la deflessione della luce causata dal grande gradiente di temperatura diventa dominante¹⁹. Questa questione in questa carta in termini di uso pratico.

Questo articolo descrive la messa a punto sperimentale e la procedura per la tecnica di imaging temperatura basati su NIR per una piccola sfera magnetica riscaldata tramite induzione; Inoltre, presenta i risultati delle due immagini rappresentative 2D assorbanza. Un'immagine è di una sfera d'acciaio di 2.0 mm di diametro in uno strato di acqua 10.0 mm di spessore che viene catturato a λ = 1150 nm. La seconda immagine è di una sfera di acciaio di diametro 0,5 mm in uno strato di sciroppo di maltosio 2.0 mm di spessore che viene catturato a λ = 1412 nm. Questa carta presenta anche il metodo di calcolo e i risultati della distribuzione radiale tridimensionale (3D) della temperatura applicando l'inverso trasforma Abel (IAT) per le immagini 2D assorbanza. IAT è valido quando si presuppone che una distribuzione di temperatura 3D sia sfericamente simmetrica come nel caso di una sfera riscaldata (Figura 2)¹⁹. Per il calcolo di IAT, una funzione di multi-Gaussiana montaggio metodo è impiegata qui, perché la IAT di funzioni gaussiane possono essere ottenute analiticamente^{25,26,27,28,29} e si adattano bene alla monotonicamente decrescente dati; Questo include esperimenti impiegando conduzione termica da una fonte di calore unico.

Protocollo

1. organizzazione sperimentale e procedure

Preparare una guida ottica montare un campione e ottica per NIR imaging come segue.

1. Preparazione del campione.
   Nota: Quando si utilizza acqua o liquidi acquosi, punto 1.1.1. Quando si utilizza un gel acquoso con elevata viscosità, punto 1.1.2.
   1. Sfera in acciaio impostazione in acqua.
      1. Difficoltà una sfera d'acciaio di 2.0 mm di diametro all'estremità di una stringa di plastica sottile utilizzando una piccola quantità di colla.
      2. Appendere la sfera d'acciaio al centro della cella rettangolare in vetro con un cammino ottico di 10,0 mm, una larghezza di 10 mm e un'altezza di 45 mm (Figura 3).
      3. Versare acqua filtrata nella cella con attenzione per non produrre bolle d'aria.
         Nota: Una sfera d'acciaio può essere fissata all'estremità di una bacchetta di plastica sottile con una piccola quantità di colla¹⁹.
   2. Sfera in acciaio impostazione in gel acquoso.
      1. Riscaldare un gel acquoso per ridurre la sua viscosità tale che è abbastanza basso per essere versato senza intoppi.
      2. Usando una siringa, versare il gel acquoso in una cella rettangolare in vetro con un cammino ottico di 2.0 mm, una larghezza di 10 mm e un'altezza di 45 mm a mezzo pieno e lasciarlo raffreddare.
      3. Posizionare una sfera di acciaio di diametro 0,5 mm al centro della superficie del gel.
      4. Riempire la cella con il gel acquoso.
         Nota: Sfere più grandi (> ~ 1 mm ø) non deve essere utilizzato con un gel perché si muoveranno dalle forze gravitazionali e/o magnetiche durante il riscaldamento ad induzione.
   3. Impostare la cella in un supporto di plastica e montarlo sulla guida ottica (Figura 3).
2. Preparazione di NIR sistema di imaging.
   1. Preparare una lampada alogena con una guida luce a fibra ottica e fissare l'estremità della Guida di luce di fibra con un supporto sulla guida ottica.
   2. Posizionare un filtro passa-banda stretta (NBPF) con un picco di trasmittanza a λ = 1150 nm o λ = 1412 nm tra la guida luce a fibra ottica e la cella (Figura 3).
   3. Interporre un altro filtro passa banda (BPF), cui intervallo di lunghezza d'onda di trasmissione è più ampia di quella di NBPF, tra la lampada alogena e il NBPF.
      Nota: La BPF è necessaria per evitare danni termici alla NBPF perché riceve direttamente la luce.
   4. Interporre un iris diaphragm(s) nel percorso della luce tra il titolare NBPF e cella per ridurre la luce parassita (Figura 3).
   5. Impostare una telecamera NIR per rilevare la luce trasmessa attraverso la cella (Figura 3). Collegare la fotocamera tramite un cavo di trasferimento dati per una scheda grafica installata in un personal computer (PC) con il software di acquisizione immagini.
   6. Impostare un obiettivo telecentrico tra la cella e la telecamera (Figura 3).
      Nota: Un comune obiettivo della fotocamera può anche essere utilizzato. Tuttavia, un obiettivo telecentrico è meglio in termini della rivelazione selettiva di luce parallelo al capo ray per IAT e riduzione dell'influenza della diffrazione.
      Nota: La NBPF e la BPF non devono essere messi tra la fotocamera e il cellulare perché, in tal modo, la temperatura dell'acqua aumenterebbe tramite assorbimento diretto di luce ad alta intensità della lampada alogena.
   7. Accendere la fotocamera NIR e lanciare il software di acquisizione immagine.
   8. Accendere la lampada alogena e regolare la potenza in uscita osservando l'immagine visualizzata sul monitor (Figura 4).
   9. Regolare l'asse, la posizione e la messa a fuoco dell'obiettivo telecentrico per ottenere una bella immagine della sfera d'acciaio.
      Nota: Se la regolazione non è completa, modelli di intensità irregolare apparirà, leader di assorbanza non corretto.
3. Preparazione del sistema di riscaldamento ad induzione.
   1. Preparare una sistema costituito da un generatore ad alta frequenza di induzione (massima potenza di uscita: 5.6 kW; frequenza: 780 kHz), bobina raffreddata ad acqua e refrigeratore d'acqua.
      Nota: Una sistema per la brasatura di induzione, saldatura e saldatura minuterie metalliche è appropriato per questo scopo; Vedi Tabella materiali.
   2. Se possibile, montare la bobina su un palcoscenico mobile XYZ per modificarne la posizione.
   3. Posizionare la bobina accanto alla cella, tale che la distanza tra il centro della bobina e la sfera d'acciaio è di circa 15 mm (Figura 3). Assicurarsi che non esistono altre parti metalliche vicino alla bobina.
      Nota: La distanza dovrebbe essere regolata secondo la potenza e la dimensione della sfera di riscaldamento ad induzione.
   4. Far circolare l'acqua per il raffreddamento.
4. Acquisizione di immagini e riscaldamento ad induzione.
   1. Cliccare su "start" sul software di acquisizione immagine per memorizzare le immagini in sequenza.
   2. Cliccare su "start" il software di controllo per iniziare il riscaldamento ad induzione di riscaldamento ad induzione.
   3. Dopo alcuni secondi (a seconda delle condizioni e finalità), fare clic su "stop" il software di acquisizione immagini.
   4. Fare clic su "stop" sull'induzione Riscaldamento software di controllo.
   5. Salvare le immagini temporaneamente memorizzato come una sequenza TIFF (o altro formato non compresso) del software di acquisizione immagine.
      Nota: Se la temperatura è abbastanza alta, l'effetto di luce deflessione apparirà sull' immagine⁷. La potenza di riscaldamento di induzione deve essere diminuito in modo appropriato anche se esperimenti tale che l'aumento della temperatura vicino alla sfera è inferiore a circa 10 K, che può essere confermato nei seguenti passaggi protocollo per la stima della temperatura.

2. elaborazione di immagini e stima di temperatura

Nota: Le immagini salvate e sequenziale sono rappresentate come io_ho(x, z), dove i è il numero di telaio sequenziale. Le coordinate x, y, z, re r' sono definiti come sono indicati in Figura 2; z è positivo nella direzione opposta a gravità. Il contorno dei passaggi del protocollo seguente è illustrato anche in Supplement 1.

1. Costruzione di immagini di assorbanza.
   1. Aperto io_ho(x, z) con il software di elaborazione di immagini.
   2. Ridurre il rumore in io_ho(x, z) implementando una media di 3 × 3 pixel.
   3. Creare un'immagine media di io_ho(x, z) oltre i = 1 a 5 (o più) prima del riscaldamento e definirlo come l'immagine di riferimento, _r(x, z).
      Nota: Questa media riduce il rumore per ottenere un'immagine più affidabile rispetto a un'immagine di singolo fotogramma.
   4. Costruire le immagini sequenziale della differenza di assorbanza, Δai_mi(x, z), tramite la seguente equazione:
      (1)
      Nota: Δai_mi(x, z) è la variazione di assorbanza, un_io(x, z), dall'assorbanza di riferimento, _r(x, z), prima di riscaldamento ed è derivato come segue^{15,16,17,18,19}:
      (2)
      dove ho₀ è l'intensità della luce incidente alla cella.
   5. Colorare le Δai_mi immagini utilizzando una mappa di colore appropriato ad esempio blu-rosso.
      Nota: Il file di script di comando per l'esecuzione di passaggi 2.1.2 attraverso 2.1.5 per ImageJ è presentato in Supplement 2.
2. Stima di temperatura.
   1. Scegli il periodo di tempo durante il quale Δai_mi(x, z) è circolarmente simmetrica rispetto al centro della sfera osservando visivamente le immagini.
      Nota: La simmetria circolare è rotto principalmente dalla convezione libera. Un giudizio analitico basato su immagine di convezione libera che si verificano è stato introdotto nel precedente lavoro¹⁹; Tuttavia, in pratica, il giudizio visivo è efficace.
   2. Estrarre i Δai_mi(ʹr, θ) dati lungo 360 linee radiali (Δθ = 1 ˚) sulle immagini Δun_mi(x, z).
   3. Escludere i Δai_mi(ʹr, θ) dati all'interno della sfera e nelle sue vicinanze (Δrʹ≈ 0,2 mm). Nota: I dati sono anomalamente molto piccole o grandi nelle vicinanze principalmente a causa del lieve movimento della sfera.
   4. Media Δun_mi(ʹr, θ) sopra θ per determinare il profilo di linea, Δun_mi(rʹ).
      Nota: Il file di script di comando per l'esecuzione di passaggi 2.2.2 attraverso 2.2.4 per ImageJ è presentato in Supplement 3.
   5. Ravvicinare i dati Δai_mi(rʹ) attraverso la seguente funzione di multi-Gaussiana:
      (3)
      dove _j è il fattore di ponderazione, σ_j è il parametro di dispersione e R è il numero massimo di rʹ dove Δai_mi(R) = 0 può essere presupposto.
   6. Calcolare la differenza di coefficiente di assorbimento, Δµ_ho(r), sostituendo l'ottenuta un_j, σ_j e Nin EQ. seguente IAT (3):
      (4)
      dove erf è la funzione di errore.
   7. Δµ_ho(r) convertire temperatura tramite la seguente equazione:
      (5)
      con i coefficienti di temperatura dell'acqua, α_f, che sono 4.0 × 10^-3 K^-1 mm^-1 per λ = 1150 nm¹⁹ e 4,1 × 10^-3 K^-1 mm^-1 per λ = 1412 nm¹⁷.
      Nota: Il file di script di comando per l'esecuzione di passaggi 2.2.5 attraverso 2.2.7 è presentato in Supplement 4, dove il di^17,algoritmo di Levenberg-Marquardt minimi quadrati non lineari¹⁹ è impiegato per passaggio 2.2.5.

Risultati

Immagini di Δai_mi(x, z) a λ = 1150 nm per una sfera di acciaio di 2.0 mm di diametro in acqua e a λ = 1412 nm per una sfera di acciaio di diametro 0,5 mm in sciroppo di maltosio sono presentati in Figura 5un e Figura 6una, rispettivamente. In entrambi i casi, la sfera era situato 12 mm sotto il bordo inferiore della bobina lungo il suo a...

Discussione

La tecnica presentata in questa carta è un romanzo uno utilizzando la dipendenza di temperatura di assorbimento NIR di acqua e non presenta alcuna difficoltà significative nella creazione l'attrezzatura necessaria e l'attuazione. La luce incidente è facilmente realizzabile utilizzando una lampada alogena e un NBPF. Tuttavia, il laser non possono essere utilizzati, perché i modelli di interferenza coerente apparirebbe sulle immagini. Comuni lenti ottiche e celle di vetro per uso di luce visibile possono essere utilizz...

Materiali

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