Yakın kızılötesi sıcaklık ölçüm tekniği bir indüksiyon ısıtmalı manyetik küre küçük çevreleyen su için

Özet

Bir indüksiyon ısıtmalı manyetik küre küçük çevreleyen su sıcaklığı ölçmek için 1150 Ve 1412 nm dalga boyu kullanan bir yöntem sunulur.

Özet

Su ve bir indüksiyon ısıtmalı manyetik küre küçük çevreleyen bulanık Sulu ortam sıcaklığını ölçmek için bir yöntem sunulur. Bu tekniği su emme katsayısı sıcaklık üzerinde bağımlı olduğu 1150 Ve 1412 nm dalga boyu kullanır. Su ya da 2.0-mm - veya 0.5-mm-çap manyetik küre içeren bulanık sulu jel 1150 nm veya seçili bir dar bant filtre kullanarak olarak 1412 nm olay ışık ile ışınlanmış; Ayrıca, emme katsayısı enine projeksiyonları vardır, iki boyutlu Absorbans görüntüleri yakın kızılötesi fotoğraf makinesi yolu ile elde edilir. Sıcaklık üç boyutlu dağılımları küresel simetrik olarak kabul zaman, onlar Absorbans profillere Abel dönüşümleri tersini uygulayarak tahmin edilir. Sıcaklıklar sürekli olarak zaman ve indüksiyon ısıtma gücü göre değiştirmek için tespit edildi.

Giriş

Bir ortam içinde bir küçük ısı kaynağının sıcaklığı ölçmek için bir teknik birçok bilimsel araştırma alanları ve uygulamalar için gereklidir. Örneğin, araştırmaya manyetik Hipertermi olduğu bir kanser tedavisi yöntemi elektromanyetik indüksiyon manyetik parçacıklar, ya da küçük manyetik parçalar kullanarak, bu doğru manyetik tarafından oluşturulan sıcaklık dağılımları tahmin etmek için önemlidir parçacıklar^1,2. Ancak, her ne kadar mikrodalga^3,4, ultrason^5,6,7,8, optoacoustic⁹, Raman¹⁰ve manyetik rezonans^{11 ,12}-tabanlı Sıcaklık Ölçüm teknikleri araştırılmış ve geliştirilen, böyle bir iç sıcaklık dağılımı doğru şu anda ölçülen olamaz. Şimdiye kadar tek pozisyonlu sıcaklıklarda veya sıcaklık birkaç pozisyonlarda olan, indüksiyon Isıtma söz konusu olduğunda, Manyetik Optik fiber sıcaklık sensörleri^13,14sıcaklık sensörleri ile ölçülen. Alternatif olarak, medya yüzey sıcaklıkları uzaktan iç sıcaklıkları¹⁴tahmin etmek için kızılötesi radyasyon Termometreler ile ölçülen var. Bir küçük ısı kaynağı içeren bir orta su katmanı veya bulanık olmayan bir sulu orta olduğunda, ancak, yakın kızılötesi (Nur) emme tekniği sıcaklıklar^{15,16ölçmek yararlı olduğunu göstermiştir, 17,18,19}. Bu kağıt bu tekniği ve temsilcisi sonuçları ayrıntılı Protokolü sunar.

NIR emme tekniği sıcaklık bağımlılığı NIR bölgedeki su emme gruplarından prensibi temel alır. Görüldüğü gibi Şekil 1a, ν₁ + ν₂ + ν₃ emme grup içinde su 1250-nm dalga boyu (λ) aralığı için 1100 nm ve vardiya daha kısa dalga boyları için sıcaklık görülmektedir ¹⁹artırır. Burada, ν₁ + ν₂ + bu grubun üç temel O-H titreşim modu birleşimi için karşılık gelen ν₃ anlamına gelir: simetrik (ν₁), (ν bükme germe ₂) ve antisymmetric (ν₃)^20,21germe. Bu değişiklik spektrumda en sıcaklığa duyarlı dalgaboyu bandında λ ≈ 1150 nm olduğunu gösterir. Diğer su emme grupları da sıcaklık^{15,16,17,18,20,21}ile ilgili olarak benzer davranışlar. ν₁ + ν₃ bant su gözlenen içinde aralığı λ 1350−1500 = nm ve onun sıcaklık bağımlılık Şekil 1badımında gösterilir. ν₁ + ν₃ bant su 1412 nm en sıcaklığa duyarlı dalga boyu var. Böylece, λ , 2D Absorbans çekim bir nur kamera kullanarak iki boyutlu (2D) sıcaklık görüntü elde etmek mümkündür 1150 veya 1412 nm =. Olarak su emme katsayısı λ 1150 = nm λ 1412 nm = daha küçük, eski dalga boyu yaklaşık 10 mm kalınlığında sulu ortamlar için uygun ise ikinci yaklaşık 1 mm kalınlığında olanlar için uygundur. Son zamanlarda, λ kullanarak 1150 = nm, biz elde bir indüksiyon ısıtmalı 1 mm çapında çelik küre¹⁹içeren bir 10 mm kalınlığında su katmanda sıcaklık dağılımları. Ayrıca, bir 0,5 mm kalınlığında su katmanda sıcaklık dağıtımları λ kullanarak ölçülen var 1412 nm^15,17=.

Teknik görüntüleme NIR tabanlı Sıcaklık için bir avantaj kurulum ve iletim-emme ölçüm tekniği olduğundan ve hiçbir fluorophore, fosfor veya diğer termal prob ihtiyacı uygulamak kolay olmasıdır. Buna ek olarak, sıcaklık çözünürlüğü 0.2 K^15,17,19azdır. Böyle bir iyi sıcaklık kararı diğer iletim teknikleri ısı ve kütle transferi çalışmaları^22,23,24kez kullanılmış Interferometry üzerinde dayalı elde edilemez. Biz, ancak, Not tekniği Imaging NIR tabanlı Sıcaklık önemli yerel ortam sıcaklığı ile durumda uygun değildir, çünkü ışık saptırma neden büyük sıcaklık değişimi baskın¹⁹olur. Bu konuda pratik kullanım açısından bu gazetede denir.

Bu kağıt deneysel kurulumunu ve NIR tabanlı Sıcaklık görüntüleme tekniği için indüksiyon yolu ile ısıtılan bir küçük manyetik küre için yordamı açıklar; Ayrıca, iki temsilcisi 2D Absorbans resim sonuçlarını sunar. Bir görüntüdür λ yakalanan 10.0 mm kalınlığında su katmanındaki bir 2.0 mm çaplı çelik kürenin 1150 nm =. λ yakalanan bir 2.0 mm kalınlığında maltoz şurubu katmanda bir 0.5 mm çapında çelik kürenin ikinci yansımadır 1412 nm =. 2D Absorbans resimlere Abel dönüşüm (IAT) tersini uygulayarak bu kağıt da hesaplama yöntemi ve sıcaklık üç boyutlu (3D) Radyal dağılımı sonuçlarını sunar. IAT geçerli olduğu bir 3D sıcaklık dağılımı bir ısıtmalı küre (Şekil 2)¹⁹durumunda olduğu gibi küresel simetrik olduğu varsayılır. Çünkü IATs Gauss fonksiyonların analitik^{25,26,27,28,29 elde edilebilir bir multi-Gauss işlev yöntemi uygun burada, IAT hesaplama için istihdam edilmektedir} ve tekdüze verileri azalan de Sığdır Bu bir tek ısı kaynağından termal iletken istihdam deneyler içerir.

Protokol

1. deneysel kurulum ve yordamlar

Bir örnek ve NIR aşağıdaki gibi görüntüleme için optik bağlamaya optik bir demiryolu hazırlayın.

1. Numune hazırlama.
   Not: su ya da sulu sıvı kullanırken, 1.1.1 adım. Sulu bir jel yüksek viskozite ile kullanırken, 1.1.2 adım.
   1. Su küre ayarında çelik.
      1. 2.0 mm çaplı çelik küre tutkal küçük bir miktar kullanarak ince bir plastik dize sonu için düzelt.
      2. Bir optik yol uzunluğu 10.0 mm, 10 mm genişliği ve yüksekliği 45 mm (şekil 3) ile dikdörtgen cam hücre Merkezi çelik küre asmak.
      3. Filtrelenmiş su hücre içine dikkatle dökün hava kabarcıkları üretmek için.
         Not: Bir çelik küre de ince bir plastik çubuk ucu tutkal¹⁹küçük bir miktar ile düzeltilebilir.
   2. Sulu jel ayarında küre çelik.
      1. Öyle ki sorunsuz dökülür gerekir düşük viskozite azaltmak için sulu bir jel ısı.
      2. Bir Ģırınga kullanarak, sulu jel bir optik yol uzunluğu 2.0 mm, 10 mm genişliğinde ve yarı dolu için 45 mm yüksekliğe sahip bir dikdörtgen cam hücre içine dökün ve soğumaya bırakın.
      3. 0.5 mm çapında çelik küre jel yüzeyi ortasına yerleştirin.
      4. Hücre sulu jel ile doldurun.
         Not: Daha büyük küre (> ~ 1 mm çaplı) çünkü onlar indüksiyon Isıtma sırasında yerçekimi ve/veya manyetik güçler tarafından hareket edecek bir jel ile kullanılmamalıdır.
   3. Hücre bir plastik tutucu içinde ayarla ve optik Ray (şekil 3) monte edin.
2. Görüntüleme sistemi NIR hazırlanması.
   1. Halojen lamba fiber ışık Kılavuzu ile hazırlamak ve lif ışık Kılavuzu sonuna bir sahibi ile optik Parmaklığa düzeltin.
   2. Geçirgenliği tepe ile dar bant filtre (NBPF) λ yer 1150 nm veya λ = 1412 nm arasında fiber ışık Kılavuzu ve hücre (şekil 3) =.
   3. Başka bir bant filtre, iletim dalga boyu aralığı halojen lamba ve NBPF arasında NBPF daha geniştir (BPF), interpose.
      Not: BPF doğrudan ışık aldığı çünkü termal hasar NBPF için önlemek için gereklidir.
   4. Kaçak ışık (şekil 3) azaltmak için NBPF ve hücre sahibi arasında ışık yolundaki bir iris diaphragm(s) interpose.
   5. Hücre (şekil 3) iletilen ışık algılamak için bir NIR kamera ayarla. Fotoğraf makinesini bir kişisel bilgisayar (PC) görüntü alma yazılımı ile yüklü bir grafik kartına veri aktarım kablosu ile bağlayın.
   6. Bir telemerkeze lens kamera (şekil 3) ve hücre arasında ayarlayın.
      Not: Ortak bir kamera objektifi de kullanılabilir. Ancak, bir telemerkeze lens ışık paralel olarak Şef ışın IAT için seçici algılama ve kırınım etkisinin azaltılması açısından daha iyidir.
      Not: Bunu yaparken, su sıcaklığı üzerinden doğrudan yoğun ışık halojen lamba emilimini artırır çünkü NBPF ve BPF hücre ve kamera arasında yer.
   7. NIR kamerayı açın ve görüntü alma yazılımı başlatmak.
   8. Halojen lamba ışık ve çıkış gücünü (şekil 4) monitörde görüntülenen görüntü gözlemleyerek ayarlayın.
   9. Eksen, pozisyon ve çelik kürenin iyi bir görüntü elde etmek için telemerkeze objektif odak noktası ayarlayın.
      Not: ayarlamanın tam değilse, düzensiz yoğunluğu desenleri, yanlış absorbances için önde gelen görünür.
3. İndüksiyon Isıtma sistemi hazırlanması.
   1. Bir indüksiyon Isıtma oluşan bir yüksek frekanslı jeneratör sistemi hazırlamak (maksimum çıkış gücü: 5.6 kW; frekans: 780 kHz), su soğutmalı bobin ve su soğutucu.
      Not: kaynak ve lehim küçük metal parçalar bir indüksiyon Isıtma sistemi sert lehimleme için bu amaç için uygun değildir; Tablo malzemelerigörmek.
   2. Mümkünse, bobin konumunu değiştirmek için bir XYZ hareketli Sahne Alanı'nda bağlayın.
   3. Bobin Merkezi ve çelik küre arasındaki mesafe yaklaşık 15 mm (şekil 3) öyle ki bobin yerleştirin. Bobin yakınındaki metal diğer bölümü yok olduğundan emin olun.
      Not: Mesafe indüksiyon ısıtma gücü ve küre boyutu bağlı olarak ayarlanmalıdır.
   4. Su soğutma için dolaşımda.
4. Resim alma ve indüksiyon Isıtma.
   1. "Sırayla görüntüleri depolamak için görüntü alma yazılımı Başlat".
   2. İndüksiyon Isıtma başlamak üzere kontrol yazılımı Isıtma indüksiyon tıkırtı "başlamak".
   3. (Koşullar ve amaç) bağlı olarak birkaç saniye sonra "dur" görüntü alma yazılımı üzerinde tıklatın.
   4. "Dur" kontrol yazılımı Isıtma indüksiyon'ı tıklatın.
   5. Geçici depolanan görüntüleri görüntü alma yazılımı üzerinde bir TIFF sıra (veya diğer sigara sıkıştırılmış biçimi) olarak kaydedin.
      Not: sıcaklık yeterince yüksek ise, ışık saptırma etkisi görüntü⁷üzerinde görünür. İndüksiyon ısıtma gücü olmalıdır kürenin sıcaklığı artışı az yaklaşık 10 sıcaklık tahmini için aşağıdaki iletişim kuralı adımlarda teyit K, öyle ki deneyler uygun şekilde yine de azalmıştır.

2. görüntü işleme ve sıcaklık tahmini

Not: Kaydedilmiş sıralı görüntüleri olarak gösterilir ben_ben(x, z), sıralı çerçeve numarası nerede . Koordinatları, x, y, z, rve r' Şekil 2' de; belirtildiği şekilde tanımlanır z yerçekimi yönün pozitiftir. Protokolü aşağıdakileri çerçevesinde ek 1' de gösterilmiştir.

1. Absorbans görüntü inşaat.
   1. Açık ben_ben(x, z) görüntü işleme yazılımı ile.
   2. Gürültü azaltmak ben_ben(x, z) 3 × 3 piksel ortalama uygulayarak.
   3. Ortalama görüntüsünü oluşturmak ben_ben(x, z) ben = 1-5 (veya daha fazla) önce Isıtma ve referans görüntü olarak tanımlamak ben_r(x, z).
      Not: Bu ortalama bir tek kare görüntü daha daha güvenilir bir görüntü elde etmek için paraziti azaltır.
   4. Absorbans fark, Δ sıralı görüntülerini oluşturmakbir_ben(x, z) yolu ile aşağıdaki denklemi:
      (1)
      Not: ΔA_ben(x, z) Absorbans, bir_ben(x, z), başvuru Absorbans, _r(x, z), daha önce içinde çeşididir Isıtma ve olduğunu aşağıdaki gibi elde^{15,16,17,18,19}:
      (2)
      Ben₀ hücreye olay ışığın şiddetini nerede.
   5. Mavi kırmızı gibi uygun renk eşlemesi kullanarak Δbir_ben görüntüleri renklendirme.
      Not: adımları 2.1.2 2.1.5 ImageJ için çalıştırmak için komut dosyasını ek 2' de sunulmuştur.
2. Sıcaklık tahmini.
   1. Hangi Δ sırasındaA_ben(x, z) görsel görüntüleri gözlemleyerek dairesel yayın küre merkezi ile ilgili olarak simetrik olduğu dönemi seçin.
      Not: Dairesel simetrisi esas olarak ücretsiz konveksiyon tarafından bozuldu. Ücretsiz konveksiyon meydana gelen bir yansıma tabanlı analitik kıyamet içinde önceki iş¹⁹giriliyor; Ancak, pratikte, görsel yargı etkilidir.
   2. A_ben(rʹ, θ) Δ veri 360 radyal çizgiler boyunca ayıklamak (Δθ = 1˚)bir_ben(x, z) Δ görüntüleri.
   3. Δbir_ben(rʹ, θ) verileri küre içinde ve çevresi hariç (Δrʹ≈ 0.2 mm). Not: Verileri esas olarak küre hafif hareket nedeniyle anormal derecede çok küçük veya büyük yakınlardadır.
   4. Ortalama Δ satır profil, Δ belirlemek içinbir_ben(rʹ, θ) θ üzerindebir_ben(rʹ).
      Not: adımları 2.2.2 2.2.4 ImageJ için çalıştırmak için komut dosyasını ek 3' te sunulmuştur.
   5. A_ben(rʹ) Δ veri aşağıdaki multi-Gauss işlev tarafından yaklaşık:
      (3)
      nerede bir_j ağırlığı faktörü, σ_j dağılım parametresi parametresidir ve R rʹ maksimum nerede ΔA_ben(R) = 0 kabul.
   6. Elde edilen N, _jve σ_j aşağıdaki IAT, EQ (3) yerine tarafından Δµ_ben(r), emme katsayısı farkı hesaplama:
      (4)
      Burada erf hata fonksiyonudur.
   7. Δ_benμ(r) sıcaklık ile aşağıdaki denklemi dönüştürmek:
      (5)
      4.0 × 10^-3 K^-1 mm^-1 için λ olan su, α_f, sıcaklık katsayıları ile 1150 nm¹⁹ ve 4,1 × 10^-3 K^-1 mm^-1 = λ için 1412 nm¹⁷=.
      Not: ek 4nerede Levenberg-Marquardt doğrusal olmayan en küçük kareler algoritması^17,19 adım 2.2.5 için istihdam edilmektedir, adımları 2.2.5 2.2.7 çalıştırmak için komut komut dosyası gösterilir.

Sonuçlar

Δ görüntüleriniA_ben(x, z), λ = 1150 nm 2.0 mm çaplı çelik küre su için ve maltoz şurubu 0.5 mm çapında çelik alanında sunulmaktadır için şekil 5bir içinde ve λ 1412 nm = Şekil 6bir, anılan sıraya göre. Her iki durumda da, alt Merkez eksende bobin aşağıda yer alan 12 mm küre yapıldı. Şekil ...

Tartışmalar

Bu raporda sunulan teknik bir roman bir su emilimini NIR sıcaklık bağımlılığının kullanarak ve gerekli ekipman ve uygulama ayarlama önemli hiçbir zorluk sunar. Olay ışık bir halojen lamba ve bir NBPF kullanarak kolayca üretilmektedir. Tutarlı girişim desenleri görüntülerde görünür çünkü ancak, lazerler kullanılamaz. Ortak Optik mercekler ve cam hücreleri görünür ışık kullanımı için kullanılabilir, λ ışık yeterli miktarda iletimi gibi 1150 nm Ve 1412 nm =. Ayrıca, InGaAs...

Malzemeler

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