Technique de mesure de température proche infrarouge pour l’eau qui entoure une sphère magnétique faible Induction chauffage
Summary
Nous présentons une technique utilisant des longueurs d’onde de 1150 et 1412 nm pour mesurer la température d’eau qui entourent une sphère magnétique petite chauffée à induction.
Abstract
Nous présentons une technique pour mesurer la température de l’eau et non-trouble milieu aqueux qui entourent une sphère magnétique petite chauffée à induction. Cette technique utilise des longueurs d’onde de 1150 et 1412 nm, au cours de laquelle le coefficient d’absorption d’eau dépend de la température. L’eau ou un gel aqueux non-trouble contenant une sphère magnétique de 2,0 mm ou 0,5-mm de diamètre est irradié avec 1150 nm ou 1412 épiscopie nm, comme sélectionnés à l’aide d’un filtre passe-bande étroit ; en outre, images bidimensionnelles d’absorbance, qui sont les projections transversales du coefficient d’absorption, sont acquis grâce à une caméra infrarouge proche. Lorsque les distributions en trois dimensions de la température peuvent être considérées comme symétrie sphérique, ils sont estimées en appliquant inverse Qu’abel transforme les profils d’absorption. Les températures ont été observés à changer constamment selon le temps et la puissance de chauffage par induction.
Introduction
Une technique pour mesurer la température près d’une source de chaleur petite au sein d’un milieu est nécessaire dans de nombreux domaines de recherche scientifique et des applications. Par exemple, dans la recherche sur l’hyperthermie magnétique, qui est une méthode de thérapie de cancer à l’aide de l’induction électromagnétique des particules magnétiques, ou petits morceaux magnétiques, il est essentiel de prévoir avec précision les distributions de température générées par la magnétique particules de1,2. Cependant, bien que micro-ondes3,4, ultrasons5,6,7,8, opto-acoustique9, Raman10et résonance magnétique11 ,12-techniques de mesure de température de base ont été étudiés et mis au point, une telle distribution de température interne ne peut pas être mesurée avec précision à l’heure actuelle. Jusqu’ici, seul-position des températures ou à des températures à quelques postes ont été mesurées par l’intermédiaire de capteurs de température, ce qui, dans le cas de chauffage par induction, sont amagnétiques fibre optique température capteurs13,14. Par ailleurs, les températures de surface des médias ont été mesurées d’à distance via des pyromètres infrarouge pour estimer la température intérieure14. Toutefois, lorsqu’un milieu contenant une source de chaleur petite est une couche d’eau ou un milieu aqueux non-trouble, nous avons démontré qu’une technique d’absorption infrarouge proche (NIR) est utile pour mesurer les températures15,16, 17,18,19. Cet article présente le protocole détaillé de cette technique et les résultats représentatifs.
La technique d’absorption de NIR repose sur le principe de l’effet de température sur les bandes d’absorption de l’eau dans la région NIR. Comme le montre la Figure 1 a, le ν1 + ν2 ν3 bande d’absorption de l’eau est observée dans le 1100 nm à 1250 nm longueur d’onde (λ) et les déplacements de courtes longueurs d’onde comme la température augmente le19. Ici, ν1 + ν2 + ν3 veut dire que cette bande correspond à la combinaison des trois modes de vibration O-H fondamentaux : étirement symétrique (ν1), flexion (ν 2) et antisymétrique s’étendant de20,(ν3)21. Ce changement dans le spectre indique que la longueur d’onde plus sensibles à la température de la bande est λ ≈ 1150 nm. Autres bandes d’absorption d’eau également des comportements similaires en ce qui concerne la température15,16,17,18,20,21. Le ν1 + ν3 bandes d’eau observés au sein de la gamme λ = 1350−1500 nm et sa dépendance de la température sont indiquées dans la Figure 1 b. Dans le ν1 + ν3 bandes d’eau, 1412 nm est la longueur d’onde plus sensibles à la température. Ainsi, il est possible d’obtenir des images bidimensionnelles (2D) température en utilisant une caméra NIR pour capturer des images 2D absorbance à λ = 1150 ou 1412 nm. Comme le coefficient d’absorption d’eau à λ = 1150 nm est plus petit que qu’à λ = 1412 nm, la longueur d’onde ancien convient pour une épaisseur de 10 mm environ les milieux aqueux, tandis que ce dernier convient pour environ 1 mm d’épaisseur petits. Récemment, à l’aide de λ = 1150 nm, nous avons obtenu les distributions de température dans une couche d’épaisseur de 10 mm eau contenant une bille en acier de 1 mm de diamètre à induction chauffage19. En outre, les distributions de température dans une couche d’épaisseur de 0,5 mm l’eau ont été mesurées en utilisant λ = 1412 nm15,17.
Un avantage à la température de base NIR technique d’imagerie, c’est qu’il est simple à installer et à mettre en œuvre car c’est une technique de mesure de transmission-absorption et a besoin d’aucun fluorophore, phosphore ou autre sonde thermique. En outre, sa résolution de la température est inférieure à 0,2 K15,17,19. Une telle résolution bonne température sont impossibles par d’autres techniques de transmission basées sur l’interférométrie, qui ont souvent été utilisées dans la chaleur et transfert de masse études22,23,24. Nous notons, toutefois, que la température de base NIR technique d’imagerie ne convient pas en cas de changement de température locale considérable, parce que la déviation de la lumière provoquée par le gradient de température important devient dominante19. Cette question est renvoyée dans le présent document en ce qui concerne l’utilisation pratique.
Cet article décrit le montage expérimental et la procédure pour la technique d’imagerie basée sur NIR température pour une petite sphère magnétique chauffée par induction ; en outre, il présente les résultats de deux images représentant absorbance 2D. Une image est celle d’une sphère en acier de 2,0 mm de diamètre dans une couche d’épaisseur de 10,0 mm eau capturée à λ = 1150 nm. La seconde image est d’une sphère en acier 0,5 mm de diamètre dans une couche de sirop de maltose 2.0-mm d’épaisseur qui est capturée à λ = 1412 nm. Cet article présente également la méthode de calcul et les résultats de la distribution de radiale en trois dimensions (3D) de la température en appliquant l’inverse de transformation d’Abel (IAT) pour les images 2D absorbance. Le SIA est valide pour une distribution de température 3D est supposée pour être sphériquement symétrique comme dans le cas d’une sphère chauffée (Figure 2)19. Pour le calcul de l’IAT, une fonction gaussienne multi méthode est employée ici, parce que l’IATs de fonctions gaussiennes peuvent être obtenus analytiquement25,26,27,28,29 et s’adaptent bien à la baisse monotone des données ; Il s’agit d’expériences avec conduction thermique d’une source de chaleur unique.
Protocol
Representative Results
Discussion
La technique présentée dans le présent document est un roman de l’un à l’aide de la dépendance en température d’absorption NIR de l’eau et ne présente aucune difficulté importante à mettre en place l’équipement nécessaire et la mise en œuvre. La lumière incidente peut être produite facilement à l’aide d’une lampe halogène et un NBPF. Toutefois, les lasers ne peuvent servir, parce que les patrons d’interférence cohérente doit figurer sur les images. Lentilles optiques communs et pour l’…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient M. Kenta Yamada, M. Ryota Fujioka et M. Mizuki Kyoda pour leur soutien sur les expériences et les analyses de données. Ce travail a été soutenu par JSPS KAKENHI Grant nombre 25630069, la Fondation Suzuki et la Fondation de Promotion de technologie de mesure précis, Japon.
Materials
| 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 |
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