Tecnica di misurazione della temperatura vicino infrarosso per l'acqua che circonda una sfera magnetica piccola riscaldata a induzione
Summary
Una tecnica che utilizza lunghezze d’onda di 1150 e 1412 nm per misurare la temperatura dell’acqua che circonda una sfera magnetica piccola riscaldata a induzione è presentata.
Abstract
Una tecnica per misurare la temperatura dell’acqua e mezzi acquosi non torbido che circonda una sfera magnetica piccola riscaldata a induzione è presentata. Questa tecnica utilizza lunghezze d’onda di 1150 e 1412 nm, in cui il coefficiente di assorbimento di acqua dipende dalla temperatura. Acqua o un gel acquoso non torbida contenente una sfera magnetica del diametro di 2,0 mm o 0,5 mm viene irradiato con 1150 nm o 1412 luce incidente nm, come selezionato utilizzando un filtro passa-banda stretto; Inoltre, immagini di assorbanza bidimensionale, che sono le proiezioni trasversale del coefficiente di assorbimento, vengono acquisiti tramite una telecamera infrarosso vicino. Quando le distribuzioni tridimensionale della temperatura possono essere presupposto per essere sfericamente simmetrico, sono stimati applicando l’inverso che trasforma Abel per i profili di assorbanza. Le temperature sono state osservate costantemente cambiare secondo il tempo e la potenza di riscaldamento ad induzione.
Introduction
Una tecnica per misurare la temperatura vicino ad una fonte di calore piccolo all’interno di un mezzo è necessaria in molti campi della ricerca scientifica e applicazioni. Ad esempio, nella ricerca sulla ipertermia magnetica, che è un metodo di terapia del cancro tramite induzione elettromagnetica di particelle magnetiche o piccoli pezzi magnetici, è fondamentale prevedere con precisione le distribuzioni di temperatura generate da magnetico particelle1,2. Tuttavia, anche se a microonde3,4, ultrasuono5,6,7,8, optoacoustic9, Raman10e a risonanza magnetica11 ,12-tecniche di misurazione di temperatura base sono stati studiati e sviluppati, così una distribuzione di temperatura interna non può essere misurata con precisione al momento. Finora, singolo-posizione o temperature alle poche posizioni sono state misurate tramite sensori di temperatura, che, nel caso di riscaldamento di induzione, sono non-magnetico fibra ottica temperatura sensori13,14. In alternativa, le temperature superficiali dei media sono state misurate in remoto tramite termometri a raggi infrarossi per stimare la temperature interna14. Tuttavia, quando un mezzo contenente una fonte di calore piccolo è uno strato di acqua o un mezzo acquoso non torbida, abbiamo dimostrato che una tecnica di assorbimento infrarosso vicino (NIR) è utile per misurare le temperature15,16, 17,18,19. Questa carta presenta il protocollo dettagliato di questa tecnica e risultati rappresentativi.
La tecnica di assorbimento NIR si basa sul principio della dipendenza di temperatura delle bande di assorbimento d’acqua della regione NIR. Come è mostrato nella Figura 1a, ν1 + ν2 + ν3 banda di assorbimento di acqua è osservato in 1100-nm a 1250 nm lunghezza d’onda (λ) e si sposta verso lunghezze d’onda più breve come la temperatura aumenta19. , Ν1 + ν2 + ν3 significa che questa band corrisponde alla combinazione delle tre fondamentali modalità di vibrazione O-H: simmetrica stretching (ν1), piegatura (ν 2) e antisimmetrici stretching (ν3)20,21. Questo cambiamento nello spettro indica che la lunghezza d’onda più sensibili alla temperatura nella banda è λ ≈ 1150 nm. Altre bande di assorbimento di acqua inoltre esibiscono un comportamento simile per quanto riguarda le temperatura15,16,17,18,20,21. Il ν1 + ν3 band di acqua osservato all’interno della gamma λ = 1350−1500 nm e la sua dipendenza di temperatura sono mostrati in Figura 1b. Nel ν1 + ν3 band di acqua, 1412 nm è la lunghezza d’onda più sensibili alla temperatura. Così, è possibile ottenere immagini bidimensionali (2D) temperatura mediante una telecamera NIR per catturare le immagini 2D assorbanza a λ = 1150 o 1412 nm. Come il coefficiente di assorbimento d’acqua a λ = 1150 nm è minore che a λ = 1412 nm, la lunghezza d’onda ex è adatta a mezzi acquosi di circa 10 mm di spessore, mentre il secondo è adatto per circa 1 mm di spessore ones. Recentemente, usando λ = 1150 nm, abbiamo ottenuto le distribuzioni di temperatura in un livello di 10 mm di spessore acqua contenente un induzione-riscaldata della sfera d’acciaio di 1 mm di diametro19. Inoltre, le distribuzioni di temperatura in uno strato di acqua di 0,5 mm di spessore sono state misurate utilizzando λ = 1412 nm15,17.
Un vantaggio per la temperatura di NIR-base tecnica di imaging è che è semplice da configurare e implementare perché è una tecnica di misurazione di trasmissione-assorbimento e ha bisogno di nessun fluoroforo, fosforo o altra sonda termica. Inoltre, la sua risoluzione di temperatura è inferiore a 0,2 K15,17,19. Tale risoluzione temperatura buona non può essere realizzato mediante altre tecniche di trasmissione basati su interferometria, che spesso sono stati utilizzati in calore e trasferimento di massa studi22,23,24. Si nota, tuttavia, che la temperatura di NIR-base tecnica di imaging non è adatta nei casi con variazione di temperatura locale considerevole, perché la deflessione della luce causata dal grande gradiente di temperatura diventa dominante19. Questa questione in questa carta in termini di uso pratico.
Questo articolo descrive la messa a punto sperimentale e la procedura per la tecnica di imaging temperatura basati su NIR per una piccola sfera magnetica riscaldata tramite induzione; Inoltre, presenta i risultati delle due immagini rappresentative 2D assorbanza. Un’immagine è di una sfera d’acciaio di 2.0 mm di diametro in uno strato di acqua 10.0 mm di spessore che viene catturato a λ = 1150 nm. La seconda immagine è di una sfera di acciaio di diametro 0,5 mm in uno strato di sciroppo di maltosio 2.0 mm di spessore che viene catturato a λ = 1412 nm. Questa carta presenta anche il metodo di calcolo e i risultati della distribuzione radiale tridimensionale (3D) della temperatura applicando l’inverso trasforma Abel (IAT) per le immagini 2D assorbanza. IAT è valido quando si presuppone che una distribuzione di temperatura 3D sia sfericamente simmetrica come nel caso di una sfera riscaldata (Figura 2)19. Per il calcolo di IAT, una funzione di multi-Gaussiana montaggio metodo è impiegata qui, perché la IAT di funzioni gaussiane possono essere ottenute analiticamente25,26,27,28,29 e si adattano bene alla monotonicamente decrescente dati; Questo include esperimenti impiegando conduzione termica da una fonte di calore unico.
Protocol
Representative Results
Discussion
La tecnica presentata in questa carta è un romanzo uno utilizzando la dipendenza di temperatura di assorbimento NIR di acqua e non presenta alcuna difficoltà significative nella creazione l’attrezzatura necessaria e l’attuazione. La luce incidente è facilmente realizzabile utilizzando una lampada alogena e un NBPF. Tuttavia, il laser non possono essere utilizzati, perché i modelli di interferenza coerente apparirebbe sulle immagini. Comuni lenti ottiche e celle di vetro per uso di luce visibile possono essere utilizz…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano il signor Kenta Yamada, signor Ryota Fujioka e Mr. Mizuki Kyoda per il loro supporto gli esperimenti e analisi dei dati. Questo lavoro è stato supportato da JSP KAKENHI Grant numero 25630069, la Suzuki Foundation e la precisa misurazione tecnologia Fondazione per la promozione, Giappone.
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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