Técnica de medición de temperatura infrarroja para el agua que rodea una esfera magnética pequeño calentado por inducción

El objetivo general de este experimento es medir las distribuciones de temperatura cerca de una pequeña esfera calentada o una fuente de calor puntual ubicada dentro del agua o medios de tolerancia no turbios. Este método será muy útil para investigar el calentamiento local dentro de los medios, como la investigación de hipertermia con partículas magnéticas. La principal ventaja de esta técnica es que es fácil de configurar e implementar.

Keisuke Nishijima y Van Cuong Han, estudiantes de posgrado de mi laboratorio, demostrarán el procedimiento. Para preparar una muestra de agua o líquido acuoso, primero use la cantidad mínima necesaria de pegamento resistente al agua de secado rápido para fijar una esfera de acero de dos milímetros de diámetro al extremo de una cuerda o varilla delgada y no metálica. Asegúrese de que el pegamento afecte mínimamente la forma de la esfera y la tasa de transferencia de calor, luego pase la cuerda a través del orificio central de una tapa de cubeta de PTFE.

Pega la cuerda en su lugar con 22 milímetros de la cuerda colgando debajo de la tapa. Equipe una jeringa llena de agua con un filtro de jeringa de 0,22 micrómetros y una aguja dispensadora de plástico. Llene con cuidado una celda de vidrio con una longitud de trayectoria óptica de 10 milímetros y una altura de 45 milímetros con agua filtrada, teniendo cuidado de evitar la formación de burbujas de aire.

Las burbujas de aire y las partículas en suspensión deben eliminarse tanto como sea posible con anticipación para obtener las medidas correctas y estimar con éxito las temperaturas. Coloque la tapa en la celda de modo que la esfera cuelgue en el centro de la celda rectangular. Para preparar una muestra de gel acuoso, primero caliente el gel acuoso hasta que su viscosidad se reduzca lo suficiente como para verterlo sin problemas.

Use una jeringa para llenar hasta la mitad una celda de vidrio rectangular con una longitud de trayectoria óptica de dos milímetros con el gel calentado. Deja que el gel se enfríe. A continuación, coloque una esfera de acero de 0,5 milímetros de diámetro en el centro de la superficie del gel.

Llene el resto de la celda con gel acuoso calentado de la misma manera y deje que se enfríe. Una vez que se haya preparado la muestra acuosa líquida o de gel, coloque la célula en un soporte de plástico en el riel óptico del sistema de imágenes de infrarrojo cercano. Para comenzar a preparar el sistema de imágenes de infrarrojo cercano, equipe una lámpara halógena con una guía de luz de fibra.

Coloque un filtro de paso de banda estrecho con el pico de transmitancia a 1.150 nanómetros o 1.412 nanómetros entre la guía de luz de fibra en la celda. A 1.150 nanómetros y 1.412 nanómetros, la absorbancia del agua aumenta a medida que aumenta la temperatura del agua. Coloque un filtro de paso de banda con el rango de transmisión más amplio alrededor de la longitud de onda elegida entre la lámpara halógena, la guía de luz de fibra y el filtro de paso de banda estrecho.

Monte un diafragma de iris entre el filtro de paso de banda estrecho y el soporte de la celda. A continuación, configure una cámara de infrarrojo cercano en línea con la celda de muestra. Fije una lente telecéntrica de espacio de objetos entre la célula y la cámara.

Encienda la cámara de infrarrojo cercano, asegúrese de que la cámara esté conectada a un ordenador y abra el software de adquisición de imágenes. Encienda la lámpara halógena, verifique la imagen que se muestra en el monitor y ajuste la potencia de salida de la lámpara según sea necesario. Ajuste el eje, la posición y el enfoque de la lente telecéntrica para obtener una imagen finamente detallada de la esfera de acero.

El ajuste del activo óptico es importante para lograr el sistema óptico telecéntrico, ya que se debe realizar cuidadosamente para mirar las imágenes reflejadas. Luego prepare un sistema de calentamiento por inducción que consta de un generador de alta frecuencia, un serpentín enfriado por agua y un enfriador de agua. Monte la bobina en una platina móvil XYZ.

Coloque la bobina sobre la celda de muestra, de modo que la distancia entre el centro de la bobina y la esfera de acero sea de aproximadamente 15 milímetros. Asegúrese de que no haya otros componentes metálicos cerca de la bobina. Encienda el enfriador de agua para el calentador de inducción e inicie la circulación del agua.

Asegúrese de que la velocidad de fotogramas y el tiempo de integración de la cámara estén ajustados a los valores máximos disponibles. Una vez que el calentador de inducción esté listo, establezca el número máximo de fotogramas a grabar, asigne un nombre al archivo de datos de imagen y comience a grabar imágenes en el software de adquisición de imágenes. Haga funcionar el calentador de inducción durante el tiempo deseado.

Permita que la adquisición de imágenes se ejecute durante la duración establecida o detenga manualmente la grabación después del período de tiempo deseado. Guarde las imágenes en un formato no comprimido, como una secuencia TIFF. Abra la secuencia en el software de procesamiento de imágenes y convierta las imágenes guardadas de la intensidad de luz transmitida en las imágenes de diferencia de absorbancia.

Colorea las imágenes con la gama de colores deseada. A continuación, se puede estimar la temperatura a partir de estas imágenes utilizando scripts de comandos adicionales. El aumento de la temperatura del agua alrededor de una esfera de acero de dos milímetros de diámetro calentada por inducción se observó como un cambio circularmente simétrico en la absorbancia con respecto a la imagen de infrarrojo cercano antes del calentamiento.

Se observó convección libre después de 1,2 segundos de calentamiento, lo que sugiere una transición de un régimen de conducción térmica pura a un régimen de convección libre. Se observaron efectos similares alrededor de una esfera de acero de 0,5 milímetros de diámetro calentada por inducción en jarabe de maltosa a tres potencias de calentamiento por inducción diferentes. El radio y la magnitud del cambio en la absorbancia aumentaron con el aumento de la potencia.

No se observó convección libre después de 1,2 segundos. En la muestra de agua, la magnitud del cambio en la absorbancia a lo largo del tiempo fue mayor cerca de la esfera. Una combinación de dos o tres funciones gaussianas puede lograr un buen ajuste para la relación entre la absorbancia y el radio del plano de la imagen.

Se observan resultados similares en la muestra de gel. Las funciones instaladas pueden transformarse en el cambio de temperatura en el agua y el gel, suponiendo que la conducción térmica se produce en la dirección radial y que los perfiles de temperatura son esféricamente simétricos. Los dispositivos clave para la medición de la temperatura son una cámara de infrarrojo cercano, un filtro de paso de banda estrecha.

Una vez que están preparadas, el procedimiento desde la configuración hasta la adquisición de la imagen es fácil de realizar por cualquier investigador. Esta técnica de imagen se aplicará no solo al calentamiento por inducción, sino también a varios métodos de calentamiento. Se puede revelar la temperatura y la generación de calor dentro de los medios, que hasta ahora nunca se habían medido directamente.