Name: near-infrared temperature measurement technique for water surrounding an induction-heated small magnetic sphere
Uploaded: 2018-04-30T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere at JoVE.com

Die Autoren danken Herrn Kenta Yamada, Herr Ryota Fujioka und Herr Mizuki Kyoda für ihre Unterstützung auf die Experimente und Datenanalysen. Diese Arbeit wurde von JSPS KAKENHI Grant Anzahl 25630069, die Suzuki-Stiftung und die präzise Messung Technology Promotion Foundation, Japan unterstützt.

1. Versuchsaufbau und Verfahren
Bereiten Sie eine optische Schiene eine Probe und Optik für NIR-Bildgebung wie folgt zu montieren.
<ol><li>
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.<ol>
<li>Stahlkugel im Wasser.<ol>
<li>Eine Durchmesser von 2,0 mm Stahlkugel bis zum Ende einer dünnen Kunststoff Zeichenfolge, die eine kleine Menge des Klebers zu behebe...

<ol>
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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...

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 Teilchen1,2. Jedoch obwohl Mikrowellen-3,4, Ultraschall5,6,7,8, 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 Sensoren13,14. 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 Temperaturen15,16Messen, 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 Temperatur15,16,17,18,20,21. 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 nm15,17.
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 K15,17,19. Eine gute Temperaturauflösung gelingt nicht durch andere Übertragungstechniken basierend auf Interferometrie, die oft in Wärme- und Stoffübertragung Studien22,23,24benutzt 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 analytisch25,26,27,28,29 abgerufen werden können und passen gut zu monoton abnehmende Daten; Dies umfasst Experimente mit Wärmeleitung von einer einzigen Wärmequelle.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:727px;" width="727">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Induction heating system</td>
			<td style="width:208px;">CEIA, Italy</td>
			<td style="width:119px;">SPW900/56</td>
			<td style="width:167px;">780 kHz, 5.6 kW (max).</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Coil</td>
			<td style="width:208px;">SA-Japan</td>
			<td style="width:119px;">custom</td>
			<td>Water-cooled copper tube; two-turn; outer dia. 28 mm.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Water chiller</td>
			<td style="width:208px;">Matsumoto Kikai, Japan</td>
			<td style="width:119px;">MP-401CT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:233px;">Halogen lamp</td>
			<td style="width:208px;">Hayashi Watch-Works, Japan</td>
			<td style="width:119px;">LA-150UE-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:233px;">Narrow bandpass filter for &#955; = 1150 nm</td>
			<td style="width:208px;">Andover</td>
			<td style="width:119px;">115FS10-25</td>
			<td>Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:233px;">Narrow bandpass filter for &#955; = 1412 nm</td>
			<td style="width:208px;">Andover</td>
			<td style="width:119px;">semi-custom</td>
			<td>Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:233px;">Bandpass filter for &#955; = 850&#8722;1300 nm</td>
			<td style="width:208px;">Spectrogon</td>
			<td style="width:119px;">SP-1300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:233px;">Bandpass filter for &#955; = 1100&#8722;2000 nm</td>
			<td style="width:208px;">Spectrogon</td>
			<td style="width:119px;">SP-2000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">NIR camera</td>
			<td style="width:208px;">FLIR Systems</td>
			<td style="width:119px;">Alpha NIR</td>
			<td>InGaAs</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Image acquisition software</td>
			<td style="width:208px;">FLIR Systems</td>
			<td style="width:119px;">IRvista</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Image processing software</td>
			<td style="width:208px;">NIH</td>
			<td style="width:119px;">ImageJ</td>
			<td>ver. 1.51r</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Image processing software</td>
			<td style="width:208px;">MathWorks</td>
			<td style="width:119px;">Matlab</td>
			<td>ver. 2016a</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Telecentric lens</td>
			<td style="width:208px;">Edmond Optics</td>
			<td style="width:119px;">55350-L</td>
			<td>X1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Steel sphere (0.5 mm dia.)</td>
			<td style="width:208px;">Kobe Steel, Japan</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Steel sphere (2.0 mm dia.)</td>
			<td style="width:208px;">Kobe Steel, Japan</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Maltose syrup as aqueous gel</td>
			<td style="width:208px;">Sonton, Japan</td>
			<td style="width:119px;">Mizuame</td>
			<td>Food product</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

near-infrared temperature measurement technique for water surrounding an induction-heated small magnetic sphere

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.

Bilder von ΔAich(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 ...

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Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

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.

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

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This ...

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