Técnica de medição de temperatura infravermelha para a água ao redor de uma esfera magnética pequena aquecida a indução
Summary
Uma técnica que utiliza comprimentos de onda de 1150 e 1412 nm para medir a temperatura da água ao redor de uma esfera magnética pequena aquecida a indução é apresentada.
Abstract
É apresentada uma técnica para medir a temperatura da água e não-turvo meios aquosos em torno de uma esfera magnética pequena aquecida a indução. Esta técnica utiliza comprimentos de onda de 1150 e 1412 nm, na qual o coeficiente de absorção de água é dependente da temperatura. Água ou um não-turvo gel aquoso contendo uma esfera magnética de 2,0 mm ou 0.5-mm de diâmetro é irradiado com 1150 nm ou 1412 luz incidente nm, como selecionado usando um filtro passa-banda estreita; Além disso, imagens de absorvância bidimensional, que são as projeções transversais do coeficiente de absorção, são adquiridas através de uma câmera de infravermelho próximo. Quando a distribuição tridimensional de temperatura pode ser considerada esfericamente simétrica, eles são estimados aplicando o inverso que transforma Abel para os perfis de absorvância. As temperaturas foram observadas para mudar constantemente de acordo com o tempo e a poder de aquecimento por indução.
Introduction
Uma técnica para medir a temperatura perto de uma fonte de calor pequeno dentro de um meio é necessário em muitos campos de investigação científica e aplicações. Por exemplo, na pesquisa sobre Hipertermia magnética, que é um método de terapia de câncer usando indução eletromagnética de partículas magnéticas, ou pequenas peças magnéticas, é fundamental para prever com precisão as distribuições de temperatura geradas pelo magnético partículas de1,2. No entanto, apesar de microondas3,4, ultra-som5,6,7,8, optoacoustic9, Raman10e ressonância magnética11 ,12-técnicas de medição de temperatura com base foi pesquisadas e desenvolvidas, tal uma distribuição de temperatura interna não pode ser medida com precisão no momento. Até agora, único-posição temperaturas ou temperaturas em algumas posições foram medidas através de sensores de temperatura, que, no caso de aquecimento por indução, são não-magnéticos fibra óptica temperatura sensores13,14. Alternativamente, as temperaturas de superfície dos meios de comunicação foram medidas remotamente através de termômetros de radiação infravermelha para estimar a temperatura interna14. No entanto, quando um meio que contenha uma fonte de calor pequeno é uma camada de água ou meio aquoso não-turvo, temos demonstrado que uma técnica de absorção do infravermelho próximo (NIR) é útil para medir as temperaturas de15,16, 17,18,19. Este trabalho apresenta o protocolo detalhado desta técnica e resultados representativos.
A técnica de absorção de NIR baseia-se no princípio da dependência da temperatura de bandas de absorção de água na região NIR. Como é mostrado na Figura 1a, ν1 + ν2 + ν3 banda de absorção de água é observada no 1100 nm a gama de 1250 nm comprimento de onda (λ) e turnos para comprimentos de onda mais curtos, como a temperatura aumenta a19. Aqui, ν1 + ν2 + ν3 significa que esta banda corresponde à combinação dos três modos de vibração fundamentais O-H: simétrica alongamento (ν1), dobra (ν 2) e antisimétrico alongamento de20,(ν3)21. Esta mudança no espectro indica que o comprimento de onda mais sensível à temperatura na faixa de λ ≈ 1150 nm. Outras bandas de absorção de água também apresentam um comportamento semelhante em relação a temperatura15,16,17,18,20,21. O ν1 + ν3 banda de água observadas dentro do intervalo λ = 1350−1500 nm e sua dependência de temperatura são mostrados na Figura 1b. No ν1 + ν3 banda de água, 1412 nm é o comprimento de onda mais sensível à temperatura. Assim, é possível obter imagens bidimensionais (2D) temperatura usando uma câmera NIR para capturar imagens 2D absorvância em λ = 1150 ou 1412 nm. Como o coeficiente de absorção de água em λ = 1150 nm é menor que em λ = 1412 nm, comprimento de onda anterior é apropriado para aproximadamente 10 mm de espessura meios aquosos, enquanto o último é apropriado para aproximadamente 1 mm de espessura os. Recentemente, usando λ = 1150 nm, obtivemos as distribuições de temperatura em uma camada de 10 mm de espessura água contendo uma esfera de aço de 1 mm de diâmetro aquecida a indução de19. Além disso, as distribuições de temperatura em uma camada de água de 0,5 mm de espessura foram medidas usando λ = 1412 nm15,17.
Uma vantagem para a temperatura de NIR-baseado de imagem técnica é que é simples de configurar e implementar porque é uma técnica de medição de transmissão-absorção e precisa sem fluoróforo, fósforo ou outra sonda térmica. Além disso, a sua resolução de temperatura é inferior a 0,2 K15,17,19. Essa resolução boa temperatura não pode ser alcançada por outras técnicas de transmissão baseadas em interferometria, que muitas vezes foram utilizadas no calor e transferência de massa estudos22,23,24. Notamos, no entanto, que a temperatura de NIR-baseado de imagem técnica não é adequada em casos com alteração considerável da temperatura local, porque a deflexão da luz causada pelo grande gradiente de temperatura se torna dominante19. Este assunto é submetido neste trabalho em termos de uso prático.
Este documento descreve a instalação experimental e o procedimento para o NIR-baseado temperatura técnica de imagem para uma pequena esfera magnética aquecida através da indução; Além disso, apresenta os resultados de duas imagens representativas de absorvância 2D. Uma imagem é de uma esfera de aço de 2,0 mm de diâmetro em uma camada de água 10.0-mm de espessura que é capturada em λ = 1150 nm. A segunda imagem é de uma esfera de aço de 0,5 mm de diâmetro em uma camada de xarope de maltose 2.0-mm de espessura que é capturada em λ = 1412 nm. Este artigo apresenta o método de cálculo e resultados da tridimensional (3D) distribuição radial de temperatura aplicando o inverso transformar Abel (IAT) para as imagens 2D absorvância. O IAT é válido quando uma distribuição de temperatura 3D será assumida que é esfericamente simétrica, como no caso de uma esfera aquecida (Figura 2)19. Para o cálculo do IAT, uma função de multi-Gaussian montagem método é empregada aqui, porque os IATs Gaussian funções podem ser obtidas analiticamente25,26,,27,28,29 e ajuste bem a diminuir monotonicamente dados; Isso inclui experimentos empregando condução térmica de uma fonte de calor única.
Protocol
Representative Results
Discussion
A técnica apresentada neste trabalho é um romance usando a dependência da temperatura de absorção de NIR de água e não apresenta nenhuma dificuldade significativa em Configurando o equipamento necessário e implementação. A luz incidente pode ser facilmente produzida usando uma lâmpada de halogéneo e um NBPF. No entanto, os lasers não podem ser usados, porque padrões de interferência coerente que aparecem nas imagens. Lentes ópticas comuns e cubas de vidro para uso de luz visível podem ser usadas, como el…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores agradecemos Sr. Kenta Yamada, Sr. Ryota Fujioka e Sr. Mizuki Kyoda seu apoio sobre as experiências e análises de dados. Este trabalho foi apoiado pela JSPS KAKENHI Grant número 25630069, a Fundação de Suzuki e a medição exacta tecnologia promoção da Fundação, Japão.
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 |
Referências
- Moros, E. G. . Physics of Thermal Therapy. , (2012).
- Périgo, E. G., Hemery, G., Sandre, O., Ortega, D., Garaio, E., Plazaola, F., Teran, F. J. Fundamentals and advances in magnetic hyperthermia. Appl Phys Rev. 2, 041302 (2015).
- Bardati, F., Marrocco, G., Tognolatti, P. Time-dependent microwave radiometry for the measurement of temperature in medical applications. IEEE Trans Microwave Theo Tech. 52, 1917-1924 (2004).
- Levick, A., Land, D., Hand, J. Validation of microwave radiometry for measuring the internal temperature profile of human tissue. Meas Sci Technol. 22, 065801 (2011).
- Daniels, M. J., Varghese, T., Madsen, E. L., Zagzebski, J. A. Non-invasive ultrasound-based temperature imaging for monitoring radiofrequency heating-phantom results. Phys Med Biol. 52, 4827 (2007).
- Daniels, M. J., Varghese, T. Dynamic frame selection for in vivo ultrasound temperature estimation during radiofrequency ablation. Phys Med Biol. 55, 4735 (2010).
- Seo, C. H., Shi, Y., Huang, S. -. W., Kim, K., O’Donnell, M. Thermal strain imaging: A review. Interface Focus. 1, 649-664 (2011).
- Bayat, M., Ballard, J. R., Ebbini, E. S. Ultrasound thermography: A new temperature reconstruction model and in vivo results. AIP Conf Proc. 1821, 060004 (2017).
- Petrova, E., Liopo, A., Nadvoretskiy, V., Ermilov, S. Imaging technique for real-time temperature monitoring during cryotherapy of lesions. J Biomed Opt. 21, 116007 (2016).
- Gardner, B., Matousek, P., Stone, N. Temperature spatially offset Raman spectroscopy (T-SORS): Subsurface chemically specific measurement of temperature in turbid media using anti-Stokes spatially offset Raman spectroscopy. Anal Chem. 88, 832-837 (2016).
- Yoshioka, Y., Oikawa, H., Ehara, S., Inoue, T., Ogawa, A., Kanbara, Y., Kubokawa, M. Noninvasive measurement of temperature and fractional dissociation of imidazole in human lower leg muscles using 1H-nuclear magnetic resonance spectroscopy. J Appl Physiol. 98, 282-287 (2004).
- Galiana, G., Branca, R. T., Jenista, E. R., Warren, W. S. Accurate temperature imaging based on intermolecular coherences in magnetic resonance. Science. 322, 421-424 (2008).
- Rapoport, E., Pleshivtseva, Y. . Optimal Control of Induction Heating Processes. , (2006).
- Lucía, O., Maussion, P., Dede, E. J., Burdío, J. M. Induction heating technology and its applications: Past developments, current technology, and future challenges. IEEE Trans Ind Electron. 61, 2509-2520 (2014).
- Kakuta, N., Kondo, K., Ozaki, A., Arimoto, H., Yamada, Y. Temperature imaging of sub-millimeter-thick water using a near-infrared camera. Int J Heat Mass Trans. 52, 4221-4228 (2009).
- Kakuta, N., Fukuhara, Y., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Temperature imaging of water in a microchannel using thermal sensitivity of near-infrared absorption. Lab Chip. 11, 3479-3486 (2011).
- Kakuta, N., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Reconstruction of cross-sectional temperature distributions of water around a thin heating wire by inverse Abel transform of near-infrared absorption images. Int J Heat Mass Trans. 77, 852-859 (2014).
- Kakuta, N., Yamashita, H., Kawashima, D., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Simultaneous imaging of temperature and concentration of ethanol-water mixtures in microchannel using near-infrared dual-wavelength absorption technique. Meas Sci Technol. 27, 115401 (2016).
- Kakuta, N., Nishijima, K., Kondo, K., Yamada, Y. Near-infrared measurement of water temperature near a 1-mm-diameter magnetic sphere and its heat generation rate under induction heating. J Appl Phys. 122, 044901 (2017).
- Libnau, F. O., Kvalheim, O. M., Christy, A. A., Toft, J. Spectra of water in the near- and mid-infrared region. Vib Spectrosc. 7, 243-254 (1994).
- Siesler, H. W., Ozaki, Y., Kawata, S., Heise, H. M. . Near-Infared Spectroscopy. , (2002).
- Shakher, C., Nirala, A. K. A review on refractive index and temperature profile measurements using laser-based interferometric techniques. Opt Laser Eng. 31, 455-491 (1999).
- Assebana, A., Lallemanda, M., Saulniera, J. -. B., Fominb, N., Lavinskaja, E., Merzkirchc, W., Vitkinc, D. Digital speckle photography and speckle tomography in heat transfer studies. Opt Laser Technol. 32, 583-592 (2000).
- Ambrosini, D., Paoletti, D., Spagnolo, S. G. Study of free-convective onset on a horizontal wire using speckle pattern interferometry. Int J Heat Mass Trans. 46, 4145-4155 (2003).
- Bracewell, R. N. . The Fourier Transform and Its Applications. , (2000).
- Yoder, L. M., Barker, J. R., Lorenz, K. T., Chandler, D. W. Ion imaging the recoil energy distribution following vibrational predissociation of triplet state pyrazine-Ar van der Waals clusters. Chem Phys Lett. 302, 602-608 (1999).
- De Colle, F., de Burgo, C., Raga, A. C. Diagnostics of inhomogeneous stellar jets: convolution effects and data reconstruction. Astron Astrophys. 485, 765-772 (2008).
- Green, K. M., Borrás, M. C., Woskov, P. P., Flores, G. J., Hadidi, K., Thomas, P. Electronic excitation temperature profiles in an air microwave plasma torch. IEEE Trans Plasma Sci. 29, 399-406 (2001).
- Bendinelli, O. Abel integral equation inversion and deconvolution by multi-Gaussian approximation. Astrophys J. 366, 599-604 (1991).
- Dorband, B., Muller, H., Gross, H., Gross, H. Vol. 5 Metrology of Optical Components and Systems. Handbook of Optical System. , (2012).
- Sheikholeslami, M., Rokni, H. B. Simulation of nanofluid heat transfer in presence of magnetic field: A review. Int J Heat Mass Trans. 115, 1203-1233 (2017).
- Häfeli, U., Schütt, W., Teller, J., Zborowski, M. . Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers. , (2013).
