Name: Nah-Infrarot-Temperatur-Messtechnik für Wasser umgibt eine Induktion erhitzt kleine magnetische Kugel (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 52 s
Description: Erfahren Sie die Nah-Infrarot-Temperaturmessung für lokale Erwärmung in wässrigen Medien mit induktiv erhitzten Stahlkugeln. Diese Methode ermöglicht präzise Temperaturverteilungen für Hyperthermie-Forschung.

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Die Autoren danken Herrn Kenta Yamada, Herr Ryota Fujioka und Herr Mizuki Kyoda für ihre Unterstützung auf die Experimente und Datenanalysen. Diese Arbeit wurde von JSPS KAKENHI Grant Anzahl 25630069, die Suzuki-Stiftung und die präzise Messung Technology Promotion Foundation, Japan unterstützt.

1. Versuchsaufbau und Verfahren
Bereiten Sie eine optische Schiene eine Probe und Optik für NIR-Bildgebung wie folgt zu montieren.
<ol><li>
Probenvorbereitung. Hinweis: Bei Verwendung von Wasser oder wässrigen Flüssigkeit treten 1.1.1. Bei einem wässrigen Gel mit hoher Viskosität treten Sie 1.1.2.<ol>
<li>Stahlkugel im Wasser.<ol>
<li>Eine Durchmesser von 2,0 mm Stahlkugel bis zum Ende einer dünnen Kunststoff Zeichenfolge, die eine kleine Menge des Klebers zu beheben.</li>
			<li>Hängen Sie die Stahlkugel in der Mitte der rechteckigen Glas Zelle mit einer optischen Weglänge von 10,0 mm, einer Breite von 10 mm und einer Höhe von 45 mm (Abbildung 3).</li>
			<li>Gießen Sie gefiltertes Wasser in die Zelle vorsichtig um nicht Luftblasen produzieren. Hinweis: Eine Stahlkugel kann auch an der Spitze des einen dünnen Stab mit einer kleinen Menge von Kleber19befestigt werden.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Stahlkugel im wässrigen Gel.<ol>
<li>Erhitzen Sie eine wässrige Gel um seine Viskosität zu verringern, so dass es niedrig genug, um problemlos gegossen werden.</li>
			<li>Mit einer Spritze, die wässrige Gel in einer rechteckigen Glas-Zelle mit einer optischen Weglänge von 2,0 mm, einer Breite von 10 mm und einer Höhe von 45 mm bis halbvoll Gießen und abkühlen lassen.</li>
			<li>Legen Sie eine Durchmesser von 0,5 mm Stahlkugel in der Mitte der Geloberfläche.</li>
			<li>Füllen Sie die Zelle mit dem wässrigen Gel. Hinweis: Größere Kugeln (&gt; ~ 1 mm ø) sollte nicht mit einem Gel verwendet werden, weil sie durch Schwerkraft und/oder magnetische Kräfte während der induktiven Erwärmung bewegen werden.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Legen Sie die Zelle in einem Kunststoff-Halter und montieren Sie ihn auf die optische Schiene (Abbildung 3).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Vorbereitung der NIR-imaging-System.
	<ol>
<li>Vorbereiten einer Halogenlampe mit einem Glasfaser-Lichtleiter, und Ende der Glasfaser-Lichtleiter mit einem Halter auf der optischen Schiene befestigen.</li>
		<li>Legen Sie ein schmales Bandpassfilter (NBPF) mit einem Maximum Transmission bei λ = 1150 nm oder λ = 1412 nm zwischen den Glasfaser-Lichtleiter und die Zelle (Abbildung 3).</li>
		<li>Stellen Sie einen weiteren Bandpassfilter (BPF), deren Übertragung Wellenlängenbereich breiter als die des NBPF, zwischen der Halogen-Lampe und die NBPF ist. Hinweis: Die BPF wird benötigt, um thermische Schäden an der NBPF zu vermeiden, weil es Licht direkt erhält.</li>
		<li>Stellen Sie eine Iris diaphragm(s) im Strahlengang zwischen dem NBPF und Zelle Inhaber reduzieren das Streulicht (Abbildung 3).</li>
		<li>Richten Sie eine NIR-Kamera, das Licht, das durch die Zelle (Abbildung 3) zu erkennen. Schließen Sie die Kamera über ein Datenübertragungskabel für eine Grafikkarte in einem Personal Computer (PC) mit Bild-Datenerfassungs-Software installiert.</li>
		<li>Stellen Sie eine telezentrischen Objektiv zwischen Zelle und Kamera (Abbildung 3). Hinweis: Eine gemeinsame Kameralinse kann auch verwendet werden. Allerdings ist ein telezentrischen Objektiv besser in Bezug auf die selektive Detektion des leichten Parallel zum Chef Ray für die IAT und Reduzierung des Einflusses der Beugung. Hinweis: Die NBPF und die BPF sollte nicht zwischen der Zelle und die Kamera platziert werden da auf diese Weise die Temperatur des Wassers über direkte Absorption von hochintensivem Licht von Halogen-Lampe erhöhen würde.</li>
		<li>Die NIR-Kamera schalten Sie ein und starten Sie die Bild-Datenerfassungs-Software.</li>
		<li>Licht der Halogenlampe und stellen Sie seine Leistung beobachten des Bildes auf dem Monitor (Abbildung 4).</li>
		<li>Passen Sie die Achse, Position und das telezentrischen Objektiv um ein schönes Bild von der Stahlkugel zu erhalten. Hinweis: Wenn die Anpassung nicht abgeschlossen ist, unregelmäßige Intensität Muster, was zu falschen Absorptionswerte erscheint.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Vorbereitung der Induktion Heizung.
	<ol>
<li>Bereiten Sie eine Induktionsheizung System bestehend aus einem Hochfrequenzgenerator (maximale Ausgangsleistung: 5,6 kW -Frequenz: 780 kHz), wassergekühlte Spule und Wasserkühler. Hinweis: Eine Induktionsheizung System für das Hartlöten ist Schweißen und Löten von kleinen Metallteilen für diesen Zweck geeignet; siehe Tabelle der Materialien.</li>
		<li>Wenn möglich, montieren Sie die Spule auf einer XYZ bewegliche Bühne, seine Position zu ändern.</li>
		<li>Legen Sie die Spule in der Nähe der Zelle, so dass der Abstand zwischen der Mitte der Spule und die Stahlkugel ca. 15 mm (Abbildung 3 ist). Sicherzustellen Sie, dass es keine andere Metallteile in der Nähe der Spule. Hinweis: Der Abstand sollte je nach der induktiven Erwärmung macht und die Kugelgröße angepasst werden.</li>
		<li>Zirkulieren Sie Wasser zur Kühlung.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Bildaufnahme und Induktionserwärmung.
	<ol>
<li>Klicken Sie auf "start" auf der Bild-Datenerfassungs-Software, die Bilder nacheinander zu speichern.</li>
		<li>Klicken Sie "start" auf die Induktionserwärmung Steuerungssoftware um die Induktionserwärmung beginnen.</li>
		<li>Nach einigen Sekunden (abhängig von den Bedingungen und Zweck) "stop" klicken Sie auf das Bild-Datenerfassungs-Software.</li>
		<li>Klicken Sie auf "stop" auf der induktiven Erwärmung Steuerungssoftware.</li>
		<li>Speichern Sie die zeitlich gespeicherten Bilder als eine TIFF-Sequenz (oder andere nicht komprimierten Format) auf die Bild-Datenerfassungs-Software. Hinweis: Wenn die Temperatur hoch genug ist, erscheint der Effekt der Lichtablenkung auf dem Bild7. Die Induktive Erwärmung macht muss verringert entsprechend aber Experimente, so dass die Erhöhung der Temperatur in der Nähe der Kugel ist weniger als etwa 10 K, die in den folgenden Schritten des Protokolls für die Temperatur-Schätzung bestätigt werden kann.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Bild-Verarbeitung und Temperatur-Schätzung
Hinweis: Die gespeicherte aufeinander folgenden Bildern werden dargestellt als ichich(X, Z) ist die fortlaufende Frame-Nummer . Die Koordinaten X, y, Z, Rund R' sind definiert, wie in Abbildung 2; angegeben sind Z ist positiv in Richtung gegenüber der Schwerkraft. Der Umriss des Protokoll folgendermaßen wird auch im Supplement 1dargestellt.
<ol><li>
Extinktion Bildkonstruktion.
	<ol>
<li>Offene ichich(X, Z) mit der Bildverarbeitungs-Software.</li>
		<li>Lärmminderung in ichich(X, Z) durch die Implementierung von 3 × 3 Pixel Durchschnitt.</li>
		<li>Erstellen Sie ein durchschnittliche Bild der ichich(X, Z) über i = 1 bis 5 (oder mehr) vor dem Erhitzen, und definieren Sie es als Referenzbild, ichr(X, Z). Hinweis: Dieser Mittelung verringert das Rauschen um ein zuverlässiger Bild als ein einzelnes Bild zu erhalten.</li>
		<li>Die aufeinander folgenden Bildern der Extinktion Differenz, Δ zu konstruiereneinich(X, Z), über die folgende Gleichung: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq1.jpg">(1) Hinweis: Δ istAich(X, Z) die Variation in der Extinktion, einich(X, Z), aus der Referenz Extinktion, einf(X, Z), vor Heizung, und ist wie folgt abgeleitet15,16,17,18,19: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq2.jpg">(2) wo ich0 ist die Intensität des einfallenden Lichts in die Zelle.</li>
		<li>Färben Sie die Δeinenich Bilder mit einer entsprechenden Farbkarte wie blau oder rot ein. Hinweis: Die Befehlsskript-Datei für 2.1.5 für ImageJ Schritte 2.1.2 durchzogen wird in Ergänzung 2vorgestellt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Temperatur-Schätzung.
	<ol>
<li>Wählen Sie den Zeitraum, während dem ΔAich(x, Z) kreisförmig symmetrisch in Bezug auf die Mitte der Kugel ist, visuell anhand der Bilder. Hinweis: Die kreisförmige Symmetrie gliedert sich vor allem durch freie Konvektion. Eine Image-basierte analytische Beurteilung der freier Konvektion auftreten wird in der früheren Arbeit19eingeführt; die visuelle Beurteilung ist jedoch praktisch, effektiv.</li>
		<li>ΔAich(Rʹ, θ) Daten extrahieren entlang 360 radiale Linien (Δθ = 1˚) auf die Δeinich(X, Z) Bilder.</li>
		<li>Daten auszuschließen, die Δeinenich(Rʹ, θ) innerhalb der Sphäre und in dessen Umgebung (Δrʹ≈ 0,2 mm). Hinweis: Die Daten sind ungewöhnlich sehr klein oder groß in der Nähe vor allem wegen der leichten Bewegung der Kugel.</li>
		<li>Durchschnittliche Δeinich(Rʹ, θ) über θ bestimmen die Linienform, Δeinich(Rʹ). Hinweis: Die Befehlsskript-Datei zum Ausführen von Schritten 2.2.2 bis 2.2.4 für ImageJ ist in Ergänzung 3vorgestellt.</li>
		<li>Ungefähre ΔAich(Rʹ) Daten von der folgenden Multi-Gauß-Funktion: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq3.jpg">(3) wo einj ist der Gewichtungsfaktor, σj ist die Dispersion-Parameter und R ist das Maximum der rʹ wo ΔAich(R) = 0 kann davon ausgegangen werden.</li>
		<li>Berechnen Sie die Absorption Koeffizient Differenz, Δµich(R), durch die Substitution der erhaltenen N einjund σj in der folgenden IAT der GL. (3): <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq4.jpg">(4) wo Erf die Fehlerfunktion ist.</li>
		<li>Konvertieren Sie Δµich(R) Temperatur über die folgende Gleichung: <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq5.jpg">(5) mit der Temperatur-Koeffizienten von Wasser, αf, die 4,0 × 10-3 K-1 mm-1 für λ = 1150 nm19 und 4.1 × 10-3 K-1 mm-1 für λ = 1412 nm17. Hinweis: In Ergänzung 4, wo der Levenberg-Marquardt nichtlineare kleinste-Quadrate-Algorithmus17,19 für Schritt 2.2.5 beschäftigt ist die Befehlsskript-Datei zum Ausführen von Schritten 2.2.5 durch 2.2.7 präsentiert.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Die in diesem Dokument vorgestellte Technik ist ein Roman über die Temperaturabhängigkeit der NIR-Absorption von Wasser und stellt keine erhebliche Schwierigkeiten bei der Einrichtung der notwendigen Ausrüstung und Umsetzung. Das einfallende Licht kann leicht mit einer Halogenlampe und einer NBPF hergestellt werden. Jedoch können nicht Laser eingesetzt werden, denn kohärente Interferenzmuster auf den Bildern erscheinen würde. Gemeinsamen optischen Linsen und Glas Zellen für sichtbares Licht Verwendung genutzt werden, wie...

An erratum was issued for: <a href="https://www.jove.com/video/57407/near-infrared-temperature-measurement-technique-for-water-surrounding">Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere</a>. The Protocol section was updated.
In 2.2.7, the temperature coefficient of water, &#945;f, for &#955; = 1150 nm has been corrected from:
4.0 x 10-3 K-1 mm-1
to:
2.8&#160;x 10-4&#160;K-1&#160;mm-1

An erratum was issued for: <a href="https://www.jove.com/video/57407/near-infrared-temperature-measurement-technique-for-water-surrounding">Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere</a>. The Protocol section was updated.

Erratum: Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

Eine Technik zur Temperaturmessung in der Nähe einer kleinen Wärmequelle in einem Medium ist in vielen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung und Anwendungen erforderlich. Zum Beispiel in der Forschung an magnetischen Hyperthermie, das ist eine Krebs-Therapie-Methode mit Hilfe elektromagnetischen Induktion von magnetischen Partikeln oder magnetische Kleinteile, ist es wichtig, genau vorherzusagen, die Temperaturverteilungen durch das Magnetfeld erzeugt Teilchen1,2. Jedoch obwohl Mikrowellen-3,4, Ultraschall5,6,7,8, Optoacoustic9, Raman10und Magnet-Resonanz-11 ,12-Basis Temperatur Messtechnik erforscht und entwickelt wurden, eine innere Temperaturverteilung nicht derzeit genau gemessen werden. Bisher wurden Single-Position Temperaturen oder Temperaturen an ein paar Stellen über Temperatursensoren, gemessen, die im Falle der Induktionserwärmung, antimagnetisch LWL-Temperatur Sensoren13,14. Alternativ wurden die Oberflächentemperaturen von Medien aus der Ferne per Infrarotstrahlung Thermometer einzuschätzen, die inneren Temperaturen14gemessen. Jedoch wenn eine kleine Wärmequelle-haltigem Medium eine Wasserschicht oder ein nicht-trübe wässrigen Medium ist, haben wir gezeigt, dass eine Nah-Infrarot (NIR) Absorption Technik nützlich ist, um die Temperaturen15,16Messen, 17,18,19. Dieser Beitrag stellt das ausführliche Protokoll von dieser Technik und repräsentative Ergebnisse.
Die NIR-Absorption-Technik basiert auf dem Prinzip der Temperaturabhängigkeit der absorptionsbanden des Wassers in der NIR-Region. Wie gezeigt in der Abbildung 1a, ν1 + ν2 + ν3 Absorptionsbande des wird Wasser in die 1100 nm bis 1250 nm Wellenlängenbereich (λ) und Verschiebungen zu kürzeren Wellenlängen als die Temperatur beobachtet 19erhöht. Hier, ν1 ν2 + ν3 bedeutet dieser Band, der die Kombination von drei grundlegenden O-H-Schwingungsmoden entspricht: symmetrische Dehnung (ν1), biegen (ν 2), und antisymmetrische Dehnen (ν3)20,21. Diese Änderung im Spektrum zeigt, dass die meisten temperaturempfindliche Wellenlänge in der Band λ ≈ 1150 nm. Anderen absorptionsbanden des Wassers zeigen auch ein ähnliches Verhalten in Bezug auf die Temperatur15,16,17,18,20,21. Ν1 + ν3 Band des Wassers beobachtet innerhalb der Palette λ = 1350−1500 nm und ihre Temperaturabhängigkeit sind in Abbildung 1 bdargestellt. 1412 nm ist in ν1 + ν3 Band des Wassers die meisten temperaturempfindliche Wellenlänge. So ist es möglich, zweidimensionale (2D) Temperatur Bilder zu erhalten, indem eine NIR Kamera 2D Extinktion Bilderfassung bei λ = 1150 oder 1412 nm. Als der Absorptionskoeffizient des Wassers bei λ = 1150 nm ist kleiner bei λ = 1412 nm, die ehemaligen Wellenlänge eignet sich für ca. 10 mm dicken wässrigen Medien, während Letzteres für die ca. 1 mm Dicke eignet. Vor kurzem, Verwendung von λ = 1150 nm, erhalten wir die Temperaturverteilungen in einer 10 mm dicken Wasserschicht enthält eine Induktion erhitzt Durchmesser von 1 mm Stahlkugel19. Darüber hinaus die Temperaturverteilungen in einer 0,5 mm dicken Wasserschicht gemessen wurden mithilfe von λ = 1412 nm15,17.
Ein Vorteil der NIR-basierte Temperatur imaging Technik ist, dass es einfach einzurichten und zu implementieren, da es ein Getriebe-Absorption-Messverfahren ist und kein Fluorophor, Phosphor oder anderen Temperaturfühler braucht. Darüber hinaus ist seine Temperaturauflösung kleiner als 0,2 K15,17,19. Eine gute Temperaturauflösung gelingt nicht durch andere Übertragungstechniken basierend auf Interferometrie, die oft in Wärme- und Stoffübertragung Studien22,23,24benutzt worden sind. Wir beachten Sie jedoch, dass die NIR-basierte Temperatur imaging Technik eignet sich nicht nur in Fällen mit erheblichen lokalen Temperatur ändern, weil die Lichtablenkung durch verursacht großen Temperaturgradienten wird dominant19. Diese Frage wird in diesem Papier in Bezug auf die praktische Anwendung bezeichnet.
Dieses Papier beschreibt die Versuchsaufbau und das Verfahren für die NIR-basierte Temperatur bildgebendes Verfahren für eine kleine magnetische Kugel via Induktion erhitzt; Darüber hinaus stellt es die Ergebnisse von zwei repräsentativen 2D Extinktion Bildern. Ein Bild ist ein Durchmesser von 2,0 mm Stahlkugel in einer 10,0 mm dicken Wasserschicht, die bei λ erfasst = 1150 nm. Das zweite Bild ist von einem Durchmesser von 0,5 mm Stahlkugel in eine 2,0 mm Dicke Maltose-Sirup-Schicht, die an λ aufgezeichnet wird 1412 nm =. Dieser Beitrag stellt auch die Berechnungsmethode und die Ergebnisse der dreidimensionalen (3D) radiale Verteilung der Temperatur durch die Inverse Transformation Abel (IAT) auf die 2D Extinktion-Bilder anwenden. Die IAT ist gültig, wenn eine 3D Temperaturverteilung ausgegangen wird, wie im Fall von einer beheizten Bereich (Abbildung 2)19kugelsymmetrischen sein. Für die IAT-Berechnung ist eine Multi-Gauß-Funktion, die passende Methode hier eingesetzt, da die IATs Gaußsche Funktionen analytisch25,26,27,28,29 abgerufen werden können und passen gut zu monoton abnehmende Daten; Dies umfasst Experimente mit Wärmeleitung von einer einzigen Wärmequelle.

<table><tbody><tr><td>Induktionserwärmungsanlage</td><td>CEIA, Italien</td><td>SPW900/56</td><td>780 kHz, 5,6 kW (max).</td></tr><tr><td>Coil</td><td>SA-Japan</td><td>Custom</td><td>Wassergekühltes Kupferrohr; zweidrehend; Außendurchmesser 28 mm.</td></tr><tr><td>Wasserkühler</td><td>Matsumoto Kikai, Japan</td><td>MP-401CT</td><td></td></tr><tr><td>Halogenlampe</td><td>Hayashi Watch-Works, Japan</td><td>LA-150UE-A</td><td></td></tr><tr><td>Schmalbandpassfilter für &lambda; = 1150 nm</td><td>Andover</td><td>115FS10-25</td><td>Volle Breite bei halbem Maximum (FWHM): 10 nm.</td></tr><tr><td>Schmalbandpassfilter für &lambda; = 1412 nm</td><td>Andover</td><td>semi-custom</td><td>Volle Breite bei halbem Maximum (FWHM): 10 nm.</td></tr><tr><td>Bandpassfilter für &lambda; = 850&minus; 1300 nm</td><td>Spectrogon</td><td>SP-1300</td><td></td></tr><tr><td>Bandpassfilter für &lambda; = 1100&minus; 2000 nm</td><td>Spectrogon</td><td>SP-2000</td><td></td></tr><tr><td>NIR-Kamera</td><td>FLIR Systems</td><td>Alpha NIR</td><td>InGaAs</td></tr><tr><td>Bilderfassungssoftware</td><td>FLIR Systems</td><td>IRvista</td><td></td></tr><tr><td>Bildverarbeitungssoftware</td><td>NIH</td><td>ImageJ</td><td>ver. 1.51r</td></tr><tr><td>Bildverarbeitungssoftware</td><td>MathWorks</td><td>Matlab</td><td>ver. 2016a</td></tr><tr><td>Telezentrisches Objektiv</td><td>Edmond Optics</td><td>55350-L</td><td>X1</td></tr><tr><td>Stahlkugel (Ø 0,5 mm)</td><td>Kobe Steel, Japan</td><td></td><td>Fe-1,5Cr-1,0C-0,4 Mn (Gew.-%)</td></tr><tr><td>Stahlkugel (Ø 2,0 mm)</td><td>Kobe Steel, Japan</td><td></td><td>Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (Gew.-%)</td></tr><tr><td>Maltosesirup als wässriges Gel</td><td>Sonton, Japan</td><td>Mizuame</td><td>Lebensmittelprodukt</td></tr></tbody></table>

nah-infrarot-temperatur-messtechnik für wasser umgibt eine induktion erhitzt kleine magnetische kugel

Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

Eine Technik zur Messung der Temperatur des Wassers und nicht trübe wässrigen Medien rund um eine Induktion erhitzt kleine magnetische Kugel wird vorgestellt. Diese Technik nutzt Wellenlängen von 1150 und 1412 nm, bei dem der Absorptionskoeffizient des Wassers temperaturabhängig ist. Wasser oder nicht trüben wässrigen Gel enthält eine magnetische Kugel von 2,0 mm oder 0,5 mm Durchmesser wird mit 1150 nm oder 1412 nm einfallendes Licht, als ausgewählte mit einem schmalen Bandpassfilter bestrahlt; Darüber hinaus sind zweidimensionale Extinktion Bilder, die die transversalen Projektionen der Absorptionskoeffizient sind, über eine Nah-Infrarot-Kamera erworben. Wenn die dreidimensionale Verteilung der Temperatur kugelsymmetrischen werden ausgegangen werden können, werden sie durch die Anwendung Inverse Abel verwandelt sich die Absorption profile geschätzt. Die Temperaturen wurden beobachtet, um konsequent ändern sich je nach Zeit und der induktiven Erwärmung macht.

Bilder von ΔAich(X, Z) bei λ = 1150 nm bei einem Durchmesser von 2,0 mm Stahlkugel im Wasser und bei λ = 1412 nm für eine Durchmesser von 0,5 mm Stahlkugel in Maltose Sirup sind in Abbildung 5ein und präsentiert Abbildung 6ein, beziehungsweise. In beiden Fällen war die Kugel befindet sich 12 mm unter dem unteren Rand der Spule entlang der ze...

Eine Technik, mit Wellenlängen zwischen 1150 und 1412 nm zur Messung der Temperatur des Wassers rund um eine Induktion erhitzt kleine magnetische Kugel wird vorgestellt.

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

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This ...

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.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

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