के पास एक प्रेरण-गर्म छोटे चुंबकीय क्षेत्र आसपास के पानी के लिए अवरक्त तापमान माप तकनीक
Summary
एक प्रेरण-गर्म छोटे चुंबकीय क्षेत्र के आसपास के पानी के तापमान को मापने के लिए ११५० और १४१२ एनएम के तरंग दैर्ध्य का उपयोग एक तकनीक प्रस्तुत की है ।
Abstract
एक प्रेरण-गर्म छोटे चुंबकीय क्षेत्र के आसपास के पानी और गैर पंकिल जलीय मीडिया के तापमान को मापने के लिए एक तकनीक प्रस्तुत की है । इस तकनीक का इस्तेमाल तरंग दैर्ध्य ११५० और १४१२ एनएम, जिस पर पानी का अवशोषण गुणांक तापमान पर निर्भर है । पानी या एक गैर पंकिल जलीय जेल एक २.०-mm-या ०.५-mm-व्यास चुंबकीय क्षेत्र युक्त ११५० एनएम या १४१२ एनएम घटना प्रकाश के साथ विकिरणित है, के रूप में चुना एक संकीर्ण bandpass फिल्टर का उपयोग कर; इसके अतिरिक्त, दो आयामी अवशोषक छवियों, जो अवशोषण गुणांक के अनुप्रस्थ अनुमानों रहे हैं, एक निकट-अवरक्त कैमरे के माध्यम से अधिग्रहीत कर रहे हैं । जब तापमान के तीन आयामी वितरण को गोलाकार सममित माना जा सकता है, वे व्युत्क्रम लागू करने के द्वारा अनुमानित है हाबिल अवशोषक प्रोफाइल को बदल । तापमान को लगातार समय के अनुसार बदलने के लिए और प्रेरण हीटिंग बिजली मनाया गया ।
Introduction
एक तकनीक एक माध्यम के भीतर एक छोटे से गर्मी स्रोत के पास तापमान को मापने के लिए कई वैज्ञानिक अनुसंधान क्षेत्रों और अनुप्रयोगों में आवश्यक है । उदाहरण के लिए, चुंबकीय अतिताप पर अनुसंधान में, जो एक कैंसर चिकित्सा विधि चुंबकीय कणों, या छोटे चुंबकीय टुकड़े की विद्युत प्रेरण का उपयोग कर रहा है, यह सही तापमान चुंबकीय द्वारा उत्पंन वितरण की भविष्यवाणी करने के लिए महत्वपूर्ण है कण1,2. हालांकि, हालांकि माइक्रोवेव3,4, अल्ट्रासाउंड5,6,7,8, optoacoustic9, रमन10, और चुंबकीय अनुनाद11 ,12-आधारित तापमान माप तकनीक अनुसंधान और विकसित किया गया है, इस तरह के एक आंतरिक तापमान वितरण सही वर्तमान में मापा नहीं जा सकता । इस प्रकार अब तक, एकल स्थिति तापमान या कुछ स्थानों पर तापमान तापमान सेंसर, जो प्रेरण हीटिंग के मामले में, के माध्यम से मापा गया है गैर चुंबकीय ऑप्टिकल फाइबर तापमान सेंसर13,14हैं । वैकल्पिक रूप से, मीडिया की सतह तापमान दूर अवरक्त विकिरण थर्मामीटर के माध्यम से मापा गया है भीतरी तापमान14का अनुमान है । हालांकि, जब एक मध्यम एक छोटे से गर्मी स्रोत युक्त एक पानी की परत या एक गैर पंकिल जलीय मध्यम है, हमने दिखा दिया है कि एक के पास अवरक्त (NIR) अवशोषण तकनीक के तापमान को मापने के लिए उपयोगी है15,16, १७,१८,१९. यह पत्र इस तकनीक और प्रतिनिधि परिणामों के विस्तृत प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है ।
NIR अवशोषण तकनीक NIR क्षेत्र में पानी की अवशोषण बैंड के तापमान निर्भरता के सिद्धांत पर आधारित है । जैसा कि चित्र 1aमें दिखाया गया है, ν1 + ν2 + ν3 अवशोषण बैंड पानी की ११००-एनएम में १२५०-एनएम तरंग दैर्ध्य (λ) रेंज और तापमान के रूप में कम तरंग दैर्ध्य के लिए पाली में मनाया जाता है 19बढ़ जाती है । यहां, ν1 + ν2 + ν3 का अर्थ है कि इस बैंड तीन मौलिक ओ एच कंपन मोड के संयोजन से मेल खाती है: सममित टूटती (ν1), झुकने (ν 2), और antisymmetric टूटती (ν3)20,21. स्पेक्ट्रम में यह परिवर्तन इंगित करता है कि बैंड में सबसे अधिक तापमान के प्रति संवेदनशील तरंग दैर्ध्य λ ≈ ११५० एनएम है । पानी के अंय अवशोषण बैंड भी तापमान15,16,17,18,20,21के संबंध में इसी तरह के व्यवहार का प्रदर्शन । ν1 + ν3 बैंड पानी की सीमा के भीतर मनाया λ = 1350 − 1500 एनएम और इसके तापमान पर निर्भरता आंकड़ा 1bमें दिखाया गया है । पानी के ν1 + ν3 बैंड में, १४१२ एनएम सबसे तापमान संवेदनशील तरंग दैर्ध्य है । इस प्रकार, यह एक NIR कैमरा का उपयोग करने के लिए λ = ११५० या १४१२ एनएम पर 2d अवशोषक छवियों को पकड़ने के लिए दो आयामी (2d) तापमान छवियों को प्राप्त करने के लिए संभव है । के रूप में λ पर पानी के अवशोषण गुणांक = ११५० एनएम है कि λ = १४१२ एनएम से कम है, पूर्व तरंग दैर्ध्य लगभग 10 मिमी मोटी जलीय मीडिया के लिए उपयुक्त है, जबकि बाद लगभग 1 मिमी मोटी लोगों के लिए उपयुक्त है । हाल ही में, λ = ११५० एनएम का उपयोग कर, हम एक 10 मिमी-मोटी पानी की परत में तापमान वितरण प्राप्त एक प्रेरण युक्त 1 मिमी-व्यास इस्पात क्षेत्रः19। इसके अलावा, एक ०.५ मिमी मोटी पानी की परत में तापमान वितरण λ = १४१२ एनएम15,17का उपयोग करके मापा गया है ।
NIR-आधारित तापमान इमेजिंग तकनीक के लिए एक लाभ यह है कि यह स्थापना करने के लिए सरल है और लागू है क्योंकि यह एक संचरण अवशोषण माप तकनीक है और कोई fluorophore, फास्फोरस, या अन्य थर्मल जांच की जरूरत है । इसके अलावा, इसका तापमान रिज़ॉल्यूशन ०.२ K15,17,19से कम है । इस तरह के एक अच्छे तापमान संकल्प interferometry, जो अक्सर गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण अध्ययन में इस्तेमाल किया गया है के आधार पर अन्य संचरण तकनीक से प्राप्त नहीं किया जा सकता22,23,24. हम ध्यान दें, तथापि, कि NIR आधारित तापमान इमेजिंग तकनीक काफी स्थानीय तापमान परिवर्तन के साथ मामलों में उपयुक्त नहीं है, क्योंकि बड़े तापमान ढाल के कारण प्रकाश के झुकाव को प्रमुख19हो जाता है । इस मामले को व्यावहारिक उपयोग की दृष्टि से इस पत्र में उल्लेखित किया गया है.
इस कागज NIR के लिए प्रयोगात्मक सेटअप और प्रक्रिया का वर्णन-आधारित तापमान इमेजिंग तकनीक एक छोटे से चुंबकीय क्षेत्र के लिए प्रेरण के माध्यम से गरम; इसके अतिरिक्त, यह दो प्रतिनिधि 2d अवशोषक छवियों के परिणाम प्रस्तुत करता है । एक छवि एक २.० मिमी-व्यास इस्पात क्षेत्र में एक १०.० मिमी-मोटी पानी की परत है कि λ = ११५० एनएम पर कब्जा कर लिया है । दूसरी छवि एक ०.५ मिमी-व्यास इस्पात क्षेत्र की एक २.० मिमी मोटी माल्टोज़ सिरप परत है कि λ = १४१२ एनएम पर कब्जा कर लिया है । इस पत्र को भी गणना विधि और तीन आयामी (3 डी) के तापमान के रेडियल वितरण व्युत्क्रम हाबिल रूपांतर (IAT) को लागू करने से 2d अवशोषक छवियों के परिणाम प्रस्तुत करता है । IAT वैध है जब एक 3 डी तापमान वितरण के रूप में एक गर्म क्षेत्र (चित्रा 2)19के मामले में गोलाकार सममित माना जाता है । IAT गणना के लिए, एक बहु-गाऊसी समारोह फिटिंग विधि यहां कार्यरत है, क्योंकि गाऊसी कार्यों के IATs विश्लेषणात्मक प्राप्त किया जा सकता है25,26,27,28,29 और मोनोटोनिक घटते डेटा के लिए अच्छी तरह से फिट; यह एक एकल गर्मी स्रोत से थर्मल संचालन को रोजगार के प्रयोगों में शामिल है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस पत्र में प्रस्तुत तकनीक एक उपंयास पानी की NIR अवशोषण के तापमान पर निर्भरता का उपयोग कर एक है और आवश्यक उपकरणों और कार्यांवयन स्थापित करने में कोई महत्वपूर्ण कठिनाई प्रस्तुत करता है । घटना प्रकाश आसान…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों श्री कीनता यामादा, श्री Ryota Fujioka, और श्री Mizuki Kyoda प्रयोगों और डेटा विश्लेषण पर उनके समर्थन के लिए धन्यवाद. यह काम JSPS KAKENHI अनुदान संख्या २५६३००६९, सुजुकी फाउंडेशन, और सटीक माप प्रौद्योगिकी संवर्धन फाउंडेशन, जापान द्वारा समर्थित किया गया था ।
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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