Nah-Infrarot-Temperatur-Messtechnik für Wasser umgibt eine Induktion erhitzt kleine magnetische Kugel

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, Temperaturverteilungen in der Nähe einer erhitzten kleinen Kugel oder einer Punktwärmequelle zu messen, die sich in Wasser oder nicht trüben Medien befindet. Diese Methode wird sehr hilfreich für die Erforschung der lokalen Erwärmung in Medien sein, wie z.B. in der Hyperthermieforschung mit magnetischen Partikeln. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie einfach einzurichten und zu implementieren ist.

Keisuke Nishijima und Van Cuong Han, Doktoranden meines Labors, werden das Verfahren vorführen. Um eine Wasser- oder wässrige Flüssigprobe vorzubereiten, verwenden Sie zunächst die erforderliche Mindestmenge an schnell trocknendem, wasserfestem Kleber, um eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von zwei Millimetern am Ende einer dünnen, nichtmetallischen Schnur oder eines Stabes zu befestigen. Stellen Sie sicher, dass der Kleber die Form der Kugel und die Wärmeübertragungsrate minimal beeinflusst, und fädeln Sie dann die Schnur durch das mittlere Loch einer PTFE-Küvettenkappe.

Klebe die Schnur mit 22 Millimetern der Schnur fest, die unter der Kappe hängt. Rüsten Sie eine mit Wasser gefüllte Spritze mit einem 0,22-Mikrometer-Spritzenvorsatzfilter und einer Dosiernadel aus Kunststoff aus. Füllen Sie eine Glaszelle mit einer optischen Weglänge von 10 Millimetern und einer Höhe von 45 Millimetern vorsichtig mit gefiltertem Wasser und achten Sie darauf, dass sich keine Luftblasen bilden.

Luftblasen und Schwebstoffe sollten so weit wie möglich im Voraus entfernt werden, um korrekte Messungen zu erhalten und die Temperaturen erfolgreich abzuschätzen. Setzen Sie die Kappe so auf die Zelle, dass die Kugel in der Mitte der rechteckigen Zelle hängt. Um eine wässrige Gelprobe herzustellen, erhitzen Sie zuerst das wässrige Gel, bis seine Viskosität ausreichend reduziert ist, um reibungslos gegossen zu werden.

Verwenden Sie eine Spritze, um eine rechteckige Glaszelle mit einer optischen Weglänge von zwei Millimetern mit dem erhitzten Gel zur Hälfte zu füllen. Lassen Sie das Gel abkühlen. Platzieren Sie dann eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von 0,5 Millimetern in der Mitte der Geloberfläche.

Füllen Sie den Rest der Zelle auf die gleiche Weise mit erhitztem wässrigem Gel und lassen Sie es abkühlen. Nachdem die wässrige Flüssigkeit oder Gelprobe vorbereitet wurde, platzieren Sie die Zelle in einer Kunststoffhalterung auf der optischen Schiene des Nah-IR-Bildgebungssystems. Um mit der Vorbereitung des Nahinfrarot-Bildgebungssystems zu beginnen, rüsten Sie eine Halogenlampe mit einem Faserlichtleiter aus.

Platzieren Sie einen schmalen Bandpassfilter mit einer Transmissionsspitze von entweder 1.150 Nanometern oder 1.412 Nanometern zwischen dem Faserlichtleiter in der Zelle. Bei 1.150 Nanometern und 1.412 Nanometern nimmt die Wasserabsorption mit steigender Wassertemperatur zu. Platzieren Sie einen Bandpassfilter mit dem breiteren Transmissionsbereich um die gewählte Wellenlänge zwischen dem Halogenlampenfaser-Lichtleiter und dem schmalen Bandpassfilter.

Montieren Sie eine Irisblende zwischen dem Schmalbandpassfilter und dem Küvettenhalter. Richten Sie dann eine Nah-IR-Kamera in einer Linie mit der Probenzelle ein. Befestigen Sie ein telezentrisches Objektiv im Objektraum zwischen der Fassung und der Kamera.

Schalten Sie die Nahinfrarotkamera ein, stellen Sie sicher, dass die Kamera an einen Computer angeschlossen ist, und öffnen Sie die Bildaufnahmesoftware. Schalten Sie die Halogenlampe ein, überprüfen Sie das auf dem Monitor angezeigte Bild und passen Sie die Ausgangsleistung der Lampe nach Bedarf an. Passen Sie die Achse, die Position und den Fokus des telezentrischen Objektivs an, um ein detailreiches Bild der Stahlkugel zu erhalten.

Die Einstellung der optischen Anlage ist wichtig für das Erreichen des telezentrischen optischen Systems, da es sorgfältig darauf ausgelegt ist, die reflektierten Bilder zu betrachten. Bereiten Sie dann ein Induktionserwärmungssystem vor, das aus einem Hochfrequenzgenerator, einer wassergekühlten Spule und einem Wasserkühler besteht. Montieren Sie die Spule auf einem beweglichen XYZ-Tisch.

Positionieren Sie die Spule so über der Probenzelle, dass der Abstand zwischen der Mitte der Spule und der Stahlkugel etwa 15 Millimeter beträgt. Stellen Sie sicher, dass sich keine anderen Metallteile in der Nähe der Spule befinden. Schalten Sie den Wasserkühler für das Induktionsheizgerät ein und starten Sie die Wasserzirkulation.

Stellen Sie sicher, dass die Bildrate und die Kameraintegrationszeit auf die maximal verfügbaren Werte eingestellt sind. Sobald das Induktionsheizgerät bereit ist, legen Sie die maximale Anzahl der aufzunehmenden Bilder fest, benennen Sie die Bilddatendatei und beginnen Sie mit der Bildaufnahme in der Bildaufnahmesoftware. Lassen Sie das Induktionsheizgerät für die gewünschte Zeit laufen.

Lassen Sie die Bildaufnahme entweder für die eingestellte Dauer laufen oder stoppen Sie die Aufnahme manuell nach der gewünschten Zeitspanne. Speichern Sie die Bilder in einem nicht komprimierten Format, z. B. in einer TIFF-Sequenz. Öffnen Sie die Sequenz in einer Bildverarbeitungssoftware und konvertieren Sie die gespeicherten Bilder der Durchlichtintensität in die Absorptionsdifferenzbilder.

Färchen Sie die Bilder mit dem gewünschten Farbbereich ein. Aus diesen Bildern kann dann mit zusätzlichen Befehlsskripten die Temperatur abgeschätzt werden. Der Anstieg der Wassertemperatur um eine induktionsbeheizte Stahlkugel mit einem Durchmesser von zwei Millimetern wurde als zirkularsymmetrische Änderung der Absorption in Bezug auf das Nahinfrarotbild vor dem Erhitzen beobachtet.

Freie Konvektion wurde nach 1,2 Sekunden Erwärmung beobachtet, was auf einen Übergang von einem reinen Wärmeleitungsregime zu einem freien Konvektionsregime hindeutet. Ähnliche Effekte wurden um eine induktionsbeheizte Stahlkugel mit einem Durchmesser von 0,5 Millimetern in Maltosesirup bei drei verschiedenen Induktionsheizleistungen beobachtet. Der Radius und die Größe der Absorptionsänderung nahmen mit zunehmender Leistung zu.

Freie Konvektion wurde nach 1,2 Sekunden nicht mehr beobachtet. In der Wasserprobe war das Ausmaß der Änderung der Absorption im Laufe der Zeit in der Nähe der Kugel am größten. Eine Kombination von zwei oder drei Gaußschen Funktionen kann eine gute Anpassung an das Verhältnis zwischen Absorption und dem Radius der Bildebene erreichen.

Ähnliche Ergebnisse werden in der Gelprobe beobachtet. Die angepassten Funktionen können dann in die Temperaturänderung im Wasser und im Gel umgewandelt werden, unter der Annahme, dass die Wärmeleitung in radialer Richtung erfolgt und die Temperaturprofile kugelsymmetrisch sind. Die Schlüsselgeräte für die Temperaturmessung sind eine Nahinfrarotkamera, ein Schmalbandpassfilter.

Sobald sie vorbereitet sind, kann das Verfahren von der Einrichtung bis zur Bildaufnahme von jedem Forscher problemlos durchgeführt werden. Diese bildgebende Technik wird nicht nur auf die induktive Erwärmung, sondern auch auf verschiedene Heizmethoden angewendet. Es können Temperatur- und Wärmeentwicklung in Medien aufgedeckt werden, die bisher noch nicht direkt gemessen wurden.