Técnica de medición de temperatura infrarroja para el agua que rodea una esfera magnética pequeño calentado por inducción
Summary
Se presenta una técnica que utiliza longitudes de onda de 1412 y 1150 nm para medir la temperatura del agua que rodea una esfera magnética pequeño calentado por inducción.
Abstract
Se presenta una técnica para medir la temperatura del agua y no turbio medio acuoso que rodea una esfera magnética pequeño calentado por inducción. Esta técnica utiliza longitudes de onda de 1412 y 1150 nm, en la que el coeficiente de absorción de agua es dependiente en temperatura. Agua o un gel acuoso no turbio que contiene una esfera magnética de 2.0 mm o 0,5 mm de diámetro se irradia con 1150 nm o luz incidente 1412 de nm, como seleccionado utilizando un filtro paso de banda estrecha; Además, se adquieren imágenes bidimensionales de la absorbancia, que son las proyecciones transversales del coeficiente de absorción, a través de una cámara de infrarrojo cercano. Cuando las distribuciones tridimensionales de temperatura pueden ser asumidas para ser esférico simétrico, se estimaron aplicando inverso que transforma de Abel a los perfiles de absorbancia. Las temperaturas fueron observadas constantemente cambiar según el tiempo y la energía de la calefacción de inducción.
Introduction
Una técnica para medir la temperatura cerca de una fuente de calor pequeña dentro de un medio es necesaria en muchos campos de investigación científica y aplicaciones. Por ejemplo, en la investigación en hipertermia magnética, que es un método de terapia de cáncer mediante la inducción electromagnética de las partículas magnéticas, o pequeñas piezas magnéticas, es fundamental para predecir con exactitud las distribuciones de temperatura generadas por el magnético partículas1,2. Sin embargo, aunque microondas3,4, ultrasonido5,6,7,8, optoacoustic9, Raman10y resonancia magnética11 ,12-técnicas de medición de temperatura basado han sido investigadas y desarrolladas, tal una distribución de la temperatura interna no se puede medir con precisión en la actualidad. Hasta el momento, solo posición temperaturas o temperaturas en algunas posiciones se han medido a través de sensores de temperatura, que, en el caso de calentamiento por inducción, son no magnéticas de fibra óptica de13,de sensores de temperatura14. Alternativamente, las temperaturas superficiales de los medios de comunicación han sido medidas de forma remota mediante Termómetros de radiación infrarroja para estimar la temperatura interna14. Sin embargo, cuando un medio que contiene una fuente de calor pequeña es una capa de agua o un medio acuoso no turbio, hemos demostrado que una técnica de absorción de infrarrojo cercano (NIR) es útil para medir las temperaturas15,16, 17,18,19. Este papel presenta el protocolo detallado de esta técnica y resultados representativos.
La técnica de absorción NIR se basa en el principio de dependencia de la temperatura de las bandas de absorción de agua en la región NIR. Como se muestra en la Figura 1a, la ν1 ν2 + ν3 bandas de absorción de agua se observa en lo 1100 nm a 1250 nm de longitud de onda (λ) y cambios a longitudes de onda más cortas como la temperatura aumenta19. Aquí, ν1 + ν2 + ν3 significa que esta banda corresponde a la combinación de los tres modos fundamentales de vibración O-H: estiramiento simétrico (ν1), flexión (ν 2) y antisimétrico estiramiento (ν3)20,21. Este cambio en el espectro indica que la longitud de onda más sensible a la temperatura en la banda es λ ≈ 1150 nm. Otras bandas de absorción de agua también presentan un comportamiento similar con respecto a la temperatura15,16,17,18,20,21. El ν1 + ν3 bandas de agua observaron dentro de la gama λ = 1350−1500 nm y su dependencia de la temperatura se muestran en la Figura 1b. En el ν1 + ν3 banda de agua, 1412 nm es la longitud de onda más sensible a la temperatura. Por lo tanto, es posible obtener imágenes bidimensionales (2D) utilizando una cámara NIR para capturar imágenes 2D de la absorbancia a λ = 1412 o 1150 nm. Como el coeficiente de absorción de agua a λ = 1150 nm es menor que en λ = 1412 nm, la longitud de onda anterior es adecuado para medios acuosos aproximadamente 10 mm de espesor, mientras que el segundo es adecuado para aproximadamente 1 mm de espesor unos. Recientemente, usando λ = 1150 nm, se obtuvieron las distribuciones de temperatura en una capa de agua de 10 mm de espesor que contiene una esfera de acero de 1 mm de diámetro calentado inducción19. Por otra parte, las distribuciones de temperatura en una capa de agua de 0.5 mm de espesor se han medido utilizando λ = 1412 nm15,17.
Una ventaja a la temperatura de NIR-basado proyección de imagen técnica es que es fácil de configurar y poner en práctica porque es una técnica de medición de transmisión-absorción y necesidades sin fluoróforo, fósforo u otra sonda térmica. Además, su resolución de temperatura es menor que 0,2 K15,17,19. Una resolución tan buena temperatura no puede lograrse por otras técnicas de transmisión basados en la interferometría, que a menudo han sido utilizados en calor y transferencia de masa estudios22,23,24. Sin embargo, observamos que la temperatura de NIR-base técnica de la proyección de imagen no es adecuada en casos con cambios considerables de temperatura local, porque la desviación de la luz causada por el gradiente de temperatura grande se convierte en dominante19. Esta cuestión se refiere en este trabajo en términos de uso práctico.
Este papel describe el montaje experimental y el procedimiento para la base de NIR temperatura técnica de imagen de una pequeña esfera magnética que calienta por inducción; Además, presenta los resultados de dos imágenes representativas absorbancia 2D. Una imagen es de una esfera de acero de 2.0 mm de diámetro en una capa de agua de 10.0 mm de espesor que es capturada en λ = 1150 nm. La segunda imagen es de una esfera de acero de 0.5 mm de diámetro en una capa de jarabe de maltosa de 2.0 mm de espesor que es capturada en λ = 1412 nm. También se presenta el método de cálculo y los resultados de la distribución radial (3D) tridimensional de la temperatura aplicando el inverso transforma de Abel (IAT) para las imágenes 2D de la absorbancia. El IAT es válida cuando se asume una distribución de temperatura 3D esférico simétrico como en el caso de una esfera caliente (figura 2)19. Para el cálculo del IAT, una función de multi-gaussiano montaje método se emplea aquí, porque el Setai de funciones Gaussian puede obtenerse analíticamente25,26,27,28,29 y en forma bien a monótonamente decrecientes de datos; Esto incluye experimentos empleando la conducción térmica de una fuente de calor única.
Protocol
Representative Results
Discussion
La técnica presentada en este libro es una novela utilizando la dependencia de la temperatura de absorción NIR del agua y no presenta ninguna dificultad importante en configurar el equipo y la aplicación. La luz del incidente puede ser producida fácilmente mediante el uso de una lámpara halógena y un NBPF. Sin embargo, láser no puede utilizarse, debido a patrones de interferencia coherente aparecería en las imágenes. Lentes ópticas comunes y celdas de vidrio para uso de la luz visible pueden utilizarse, como tr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen su apoyo en los experimentos y análisis de datos Sr. Kenta Yamada, Sr. Ryota Fujioka y Sr. Mizuki Kyoda. Este trabajo fue apoyado por JSP KAKENHI concesión número 25630069, la Fundación Suzuki y la Fundación de promoción de tecnología de medición precisa, Japón.
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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