Name: Technique de mesure de température proche infrarouge pour l’eau qui entoure une sphère magnétique faible Induction chauffage (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 52 s
Description: Découvrez une technique de mesure thermique par imagerie proche infrarouge pour étudier le chauffage local dans l'eau. Cette méthode simple utilise des longueurs d'onde spécifiques et facilite la recherche en hyperthermie.

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Les auteurs remercient M. Kenta Yamada, M. Ryota Fujioka et M. Mizuki Kyoda pour leur soutien sur les expériences et les analyses de données. Ce travail a été soutenu par JSPS KAKENHI Grant nombre 25630069, la Fondation Suzuki et la Fondation de Promotion de technologie de mesure précis, Japon.

1. expérimental et procédures
Préparer un rail pour optique de monter un échantillon et optique d’imagerie de NIR comme suit.
<ol><li>
Préparation de l’échantillon. Remarque : Lorsque vous utilisez de l’eau ou liquide aqueux, faire étape 1.1.1. Lorsque vous utilisez un gel aqueux à haute viscosité, faire étape 1.1.2.<ol>
<li>Bille en acier dans l’eau.<ol>
<li>Fixer une bille en acier de 2,0 mm de diamètre à l’extrémité d’une chaîne en plastique mince à l’aide d’une petite quantité de colle.</li>
			<li>Accrocher la bille en acier au centre de la cellule de verre rectangulaire avec une longueur de trajet optique de 10,0 mm, une largeur de 10 mm et une hauteur de 45 mm (Figure 3).</li>
			<li>Versez l’eau filtrée dans la cellule avec précaution pour ne pas produire des bulles d’air. NOTE : Une bille en acier peut également être fixée à l’extrémité d’une tige en plastique mince avec une petite quantité de colle19.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Bille en acier en gel aqueux.<ol>
<li>Faire chauffer un gel aqueux pour réduire sa viscosité telle qu’elle est suffisamment faible pour être coulé en douceur.</li>
			<li>À l’aide d’une seringue, verser le gel aqueux dans une cellule de verre rectangulaire avec une longueur de trajet optique de 2,0 mm, une largeur de 10 mm et une hauteur de 45 mm à moitié plein et laisser refroidir.</li>
			<li>Placer une bille en acier de 0,5 mm de diamètre au centre de la surface du gel.</li>
			<li>Remplir la cellule contenant le gel aqueux. Remarque : Plus grandes sphères (&gt; ~ 1 mm de diamètre) ne devrait pas servir avec un gel car ils passeront par les forces gravitationnelles et magnétiques au cours du chauffage par induction.</li>
		</ol>
</li>
		<li>La valeur de la cellule dans un support en plastique et de le monter sur le rail optique (Figure 3).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Préparation du RNI système d’imagerie.
	<ol>
<li>Préparer une lampe halogène avec un guide de lumière de fibre et fixer l’extrémité de la fibre-guide de lumière avec un support sur le rail optique.</li>
		<li>Placez un filtre passe-bande étroit (NBPF) avec un pic de transmission à λ = 1150 nm ou λ = 1412 nm entre le guide de lumière de fibre et de la cellule (Figure 3).</li>
		<li>Intercaler un autre filtre passe-bande (BPF), dont gamme de longueur d’onde de transmission est plus large que celle de la NBPF, entre la lampe halogène et le NBPF. Remarque : Le BPF est nécessaire pour éviter des dommages thermiques à le NBPF parce qu’il reçoit la lumière directement.</li>
		<li>Interposer un iris diaphragm(s) dans le chemin de lumière entre le titulaire de la NBPF et de cellules pour réduire la lumière parasite (Figure 3).</li>
		<li>Mettre en place une caméra NIR pour détecter la lumière transmise par l’intermédiaire de la cellule (Figure 3). Connectez la caméra à travers un câble de transfert de données d’une carte graphique installée dans un ordinateur personnel (PC) avec acquisition d’images.</li>
		<li>Définir un objectif télécentrique entre la cellule et la caméra (Figure 3). Remarque : Une lentille de caméra commune peut également être utilisée. Toutefois, un objectif télécentrique est préférable en ce qui concerne la détection sélective de la lumière parallèle du rayon principal pour le SIA et la réduction de l’influence de la diffraction. Remarque : Les NBPF et les BPF ne doivent pas être placé entre la cellule et la caméra parce que, ce faisant, la température de l’eau augmenterait par absorption directe de la lumière de haute intensité de la lampe halogène.</li>
		<li>Allumez la caméra NIR et lancer le logiciel d’acquisition image.</li>
		<li>Allumer la lampe halogène et régler sa puissance de sortie d’observation de l’image affichée sur l’écran (Figure 4).</li>
		<li>Ajuster l’axe, la position et la mise au point de l’objectif télécentrique pour obtenir une belle image de la bille en acier. Remarque : Si le réglage n’est pas terminé, intensité irrégulière apparaîtra, conduisant aux absorbances incorrects.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Préparation du système de chauffage par induction.
	<ol>
<li>Préparer une induction chauffage système composé d’un générateur à haute fréquence (puissance de sortie maximale : 5,6 kW ; fréquence : 780 kHz), serpentin refroidi par eau et refroidisseur d’eau. NOTE : Une système pour le brasage de chauffage par induction, soudage et brasage des petites pièces métalliques sont approprié à cette fin ; Voir Table des matières.</li>
		<li>Si possible, fixez la bobine sur une scène mobile XYZ pour modifier sa position.</li>
		<li>Placer la bobine près de la cellule telle que la distance entre le centre de la bobine et la bille en acier est d’environ 15 mm (Figure 3). S’assurer qu’il n’y a aucune autre pièce de métal près de la bobine. Remarque : La distance doit être ajustée selon la puissance et la taille de la sphère de chauffage par induction.</li>
		<li>Faire circuler l’eau pour le refroidissement.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Acquisition d’images et de chauffage par induction.
	<ol>
<li>Cliquez sur « Démarrer » sur le logiciel d’acquisition image pour stocker les images dans l’ordre.</li>
		<li>Cliquez sur « Démarrer » sur la logiciel de contrôle pour commencer le chauffage par induction de chauffage par induction.</li>
		<li>Après plusieurs secondes (selon les conditions et le but), cliquez sur « stop » sur le logiciel d’acquisition image.</li>
		<li>Cliquez sur « stop » sur la logiciel de commande de chauffage par induction.</li>
		<li>Enregistrer les images stockées dans le temps comme une séquence TIFF (ou autre format non-compressé) sur le logiciel d’acquisition image. Remarque : Si la température est suffisamment élevée, l’effet de léger fléchissement apparaîtra sur l' image7. L’induction puissance de chauffage doit être diminué convenablement bien des expériences telles que l’augmentation de la température près de la sphère est inférieure à environ 10 K, ce qui peut être confirmée dans les étapes suivantes du protocole pour l’estimation de la température.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Estimation de la température et de traitement d’image
Remarque : Les images séquentielles enregistrées sont représentés comme jeje(x, z), où i représente le numéro de trame séquentielle. Les coordonnées x, y, z, ret r' sont définis comme sont indiqués dans la Figure 2; z est positif dans le sens contraire de gravité. Les grandes lignes les étapes suivantes du protocole sont également illustrée dans le supplément 1.
<ol><li>
Construction d’image absorbance.
	<ol>
<li>Ouvert jeje(x, z) avec le logiciel de traitement d’image.</li>
		<li>Réduire le bruit dans jeje(x, z) en mettant en œuvre 3 × 3 pixels en moyenne.</li>
		<li>Créer une image moyenne de j’aij’ai(x, z) sur i = 1 à 5 (ou plus) avant du chauffer et le définir comme image de référence, Ir(x, z). Remarque : Cette moyenne réduit le bruit pour obtenir une image plus fiable qu’une image de trame unique.</li>
		<li>Construire les images séquentielles de la différence d’absorbance, ΔAi(x, z), par l’intermédiaire de l’équation suivante : <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq1.jpg">(1) Remarque : ΔAi(x, z) est la variation de l’absorbance, uni(x, z), de l’absorbance de référence, unr(x, z), avant chauffage et est calculée comme suit15,16,17,18,19: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq2.jpg">(2) j’ai0 est l’intensité de la lumière incidente à la cellule.</li>
		<li>Coloriser les ΔAj’ai images à l’aide d’une carte de la couleur appropriée tels que bleu ou rouge. NOTE : Le fichier de script de commande pour l’exécution des étapes 2.1.2 par 2.1.5 pour ImageJ est présenté dans le complément 2.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Estimation de la température.
	<ol>
<li>Choisissez la période de temps pendant laquelle ΔAi(x, z) est circulairement symétrique par rapport au centre de la sphère en observant visuellement les images. Remarque : La symétrie circulaire est brisée principalement par convection libre. Un jugement analytique basée sur les images de convection libre se produise est introduit dans le précédent de travail19; Toutefois, en pratique, l’arrêt visuelle est efficace.</li>
		<li>Extraire les données ΔAje(intitulér, θ) le long de lignes radiales 360 (Δθ = 1) sur les images ΔAi(x, z).</li>
		<li>Exclure les ΔAje(intitulér, θ) données au sein de la sphère et dans ses environs (Δrʹ≈ 0. 2 mm). Note : Les données sont anormalement très petits ou grands dans les environs en raison principalement de la circulation légère de la sphère.</li>
		<li>Δ moyenneunj’ai(intitulér, θ) sur θ pour déterminer le profil de la ligne, Δuni(rintitulé). Remarque : Le fichier de script de commande pour l’exécution des étapes 2.2.2 par 2.2.4 pour ImageJ est présenté en complément 3.</li>
		<li>Rapprocher les données ΔAje(intitulér) par la fonction multi-gaussien suivante : <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq3.jpg">(3) où j est le facteur de pondération, σj est le paramètre de dispersion, et R est la valeur maximale de rintitulé où ΔAj’ai(R) = 0 peut être supposé.</li>
		<li>Calculer la différence de coefficient d’absorption, Δµj’ai(r), en remplaçant le N, jet σj obtenues dans l’IAT suivants d’EQ. (3) : <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq4.jpg">(4) où erf est la fonction d’erreur.</li>
		<li>Convertir Δµj’ai(r) à la température par l’intermédiaire de l’équation suivante : <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/57407/57407eq5.jpg">(5) avec les coefficients de température d’eau, αf, qui sont 4,0 × 10-3 K-1 mm-1 pour λ = 1150 nm19 et 4,1 × 10-3 K-1 mm-1 pour λ = 1412 nm17. Remarque : Le fichier de script de commande pour l’exécution des étapes 2.2.5 par 2.2.7 est présenté dans le supplément 4, où les Levenberg-Marquardt algorithme des moindres carrés non linéaires17,19 est employé pour l’étape 2.2.5.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

La technique présentée dans le présent document est un roman de l’un à l’aide de la dépendance en température d’absorption NIR de l’eau et ne présente aucune difficulté importante à mettre en place l’équipement nécessaire et la mise en œuvre. La lumière incidente peut être produite facilement à l’aide d’une lampe halogène et un NBPF. Toutefois, les lasers ne peuvent servir, parce que les patrons d’interférence cohérente doit figurer sur les images. Lentilles optiques communs et pour l’utilisation de la lumière visible, l...

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

Une technique pour mesurer la température près d’une source de chaleur petite au sein d’un milieu est nécessaire dans de nombreux domaines de recherche scientifique et des applications. Par exemple, dans la recherche sur l’hyperthermie magnétique, qui est une méthode de thérapie de cancer à l’aide de l’induction électromagnétique des particules magnétiques, ou petits morceaux magnétiques, il est essentiel de prévoir avec précision les distributions de température générées par la magnétique particules de1,2. Cependant, bien que micro-ondes3,4, ultrasons5,6,7,8, opto-acoustique9, Raman10et résonance magnétique11 ,12-techniques de mesure de température de base ont été étudiés et mis au point, une telle distribution de température interne ne peut pas être mesurée avec précision à l’heure actuelle. Jusqu’ici, seul-position des températures ou à des températures à quelques postes ont été mesurées par l’intermédiaire de capteurs de température, ce qui, dans le cas de chauffage par induction, sont amagnétiques fibre optique température capteurs13,14. Par ailleurs, les températures de surface des médias ont été mesurées d’à distance via des pyromètres infrarouge pour estimer la température intérieure14. Toutefois, lorsqu’un milieu contenant une source de chaleur petite est une couche d’eau ou un milieu aqueux non-trouble, nous avons démontré qu’une technique d’absorption infrarouge proche (NIR) est utile pour mesurer les températures15,16, 17,18,19. Cet article présente le protocole détaillé de cette technique et les résultats représentatifs.
La technique d’absorption de NIR repose sur le principe de l’effet de température sur les bandes d’absorption de l’eau dans la région NIR. Comme le montre la Figure 1 a, le ν1 + ν2 ν3 bande d’absorption de l’eau est observée dans le 1100 nm à 1250 nm longueur d’onde (λ) et les déplacements de courtes longueurs d’onde comme la température augmente le19. Ici, ν1 + ν2 + ν3 veut dire que cette bande correspond à la combinaison des trois modes de vibration O-H fondamentaux : étirement symétrique (ν1), flexion (ν 2) et antisymétrique s’étendant de20,(ν3)21. Ce changement dans le spectre indique que la longueur d’onde plus sensibles à la température de la bande est λ ≈ 1150 nm. Autres bandes d’absorption d’eau également des comportements similaires en ce qui concerne la température15,16,17,18,20,21. Le ν1 + ν3 bandes d’eau observés au sein de la gamme λ = 1350−1500 nm et sa dépendance de la température sont indiquées dans la Figure 1 b. Dans le ν1 + ν3 bandes d’eau, 1412 nm est la longueur d’onde plus sensibles à la température. Ainsi, il est possible d’obtenir des images bidimensionnelles (2D) température en utilisant une caméra NIR pour capturer des images 2D absorbance à λ = 1150 ou 1412 nm. Comme le coefficient d’absorption d’eau à λ = 1150 nm est plus petit que qu’à λ = 1412 nm, la longueur d’onde ancien convient pour une épaisseur de 10 mm environ les milieux aqueux, tandis que ce dernier convient pour environ 1 mm d’épaisseur petits. Récemment, à l’aide de λ = 1150 nm, nous avons obtenu les distributions de température dans une couche d’épaisseur de 10 mm eau contenant une bille en acier de 1 mm de diamètre à induction chauffage19. En outre, les distributions de température dans une couche d’épaisseur de 0,5 mm l’eau ont été mesurées en utilisant λ = 1412 nm15,17.
Un avantage à la température de base NIR technique d’imagerie, c’est qu’il est simple à installer et à mettre en œuvre car c’est une technique de mesure de transmission-absorption et a besoin d’aucun fluorophore, phosphore ou autre sonde thermique. En outre, sa résolution de la température est inférieure à 0,2 K15,17,19. Une telle résolution bonne température sont impossibles par d’autres techniques de transmission basées sur l’interférométrie, qui ont souvent été utilisées dans la chaleur et transfert de masse études22,23,24. Nous notons, toutefois, que la température de base NIR technique d’imagerie ne convient pas en cas de changement de température locale considérable, parce que la déviation de la lumière provoquée par le gradient de température important devient dominante19. Cette question est renvoyée dans le présent document en ce qui concerne l’utilisation pratique.
Cet article décrit le montage expérimental et la procédure pour la technique d’imagerie basée sur NIR température pour une petite sphère magnétique chauffée par induction ; en outre, il présente les résultats de deux images représentant absorbance 2D. Une image est celle d’une sphère en acier de 2,0 mm de diamètre dans une couche d’épaisseur de 10,0 mm eau capturée à λ = 1150 nm. La seconde image est d’une sphère en acier 0,5 mm de diamètre dans une couche de sirop de maltose 2.0-mm d’épaisseur qui est capturée à λ = 1412 nm. Cet article présente également la méthode de calcul et les résultats de la distribution de radiale en trois dimensions (3D) de la température en appliquant l’inverse de transformation d’Abel (IAT) pour les images 2D absorbance. Le SIA est valide pour une distribution de température 3D est supposée pour être sphériquement symétrique comme dans le cas d’une sphère chauffée (Figure 2)19. Pour le calcul de l’IAT, une fonction gaussienne multi méthode est employée ici, parce que l’IATs de fonctions gaussiennes peuvent être obtenus analytiquement25,26,27,28,29 et s’adaptent bien à la baisse monotone des données ; Il s’agit d’expériences avec conduction thermique d’une source de chaleur unique.

<table><tbody><tr><td>Système de chauffage par induction</td><td>CEIA, Italie</td><td>SPW900/56</td><td>780 kHz, 5,6 kW (max).</td></tr><tr><td>Bobine</td><td>SA-Japan</td><td>custom</td><td>Tube en cuivre refroidi à l’eau ; deux tours ; diamètre extérieur 28 mm.</td></tr><tr><td>Refroidisseur d’eau</td><td>Matsumoto Kikai, Japon</td><td>MP-401CT</td><td></td></tr><tr><td>Lampe halogène</td><td>Hayashi Watch-Works, Japon</td><td>LA-150UE-A</td><td></td></tr><tr><td>Filtre passe-bande étroite pour &lambda ; = 1150 nm</td><td>Andover</td><td>115FS10-25</td><td>Pleine largeur à mi-maximum (FWHM) : 10 nm.</td></tr><tr><td>Filtre passe-bande étroite pour &lambda ; = 1412 nm</td><td>Andover</td><td>semi-personnalisé</td><td>Pleine largeur à mi-maximum (FWHM) : 10 nm.</td></tr><tr><td>Filtre passe-bande pour &lambda ; = 850&minus ; 1300 nm</td><td>Spectrogon</td><td>SP-1300</td><td></td></tr><tr><td>Filtre passe-bande pour &lambda ; = 1100&minus ; 2000 nm</td><td>Spectrogon</td><td>SP-2000</td><td></td></tr><tr><td>Caméra NIR</td><td>FLIR Systems</td><td>Alpha NIR</td><td>InGaAs</td></tr><tr><td>Logiciel d’acquisition d’images</td><td>FLIR Systems</td><td>IRvista</td><td></td></tr><tr><td>Logiciel de traitement d’images</td><td>NIH</td><td>ImageJ</td><td>ver. 1.51r</td></tr><tr><td>Logiciel de traitement d’images</td><td>MathWorks</td><td>Matlab</td><td>ver. 2016a</td></tr><tr><td>Objectif télécentrique</td><td>Edmond Optics</td><td>55350-L</td><td>X1</td></tr><tr><td>Sphère en acier (0,5 mm de diamètre)</td><td>Kobe Steel, Japon</td><td></td><td>Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn ( % en poids)</td></tr><tr><td>Sphère en acier (2,0 mm de diamètre)</td><td>Kobe Steel, Japon</td><td></td><td>Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn ( % en poids)</td></tr><tr><td>Sirop de maltose sous forme de gel aqueux</td><td>Sonton, Japon</td><td>Mizuame</td><td>Produit alimentaire</td></tr></tbody></table>

technique de mesure de température proche infrarouge pour l’eau qui entoure une sphère magnétique faible induction chauffage

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

Nous présentons une technique pour mesurer la température de l’eau et non-trouble milieu aqueux qui entourent une sphère magnétique petite chauffée à induction. Cette technique utilise des longueurs d’onde de 1150 et 1412 nm, au cours de laquelle le coefficient d’absorption d’eau dépend de la température. L’eau ou un gel aqueux non-trouble contenant une sphère magnétique de 2,0 mm ou 0,5-mm de diamètre est irradié avec 1150 nm ou 1412 épiscopie nm, comme sélectionnés à l’aide d’un filtre passe-bande étroit ; en outre, images bidimensionnelles d’absorbance, qui sont les projections transversales du coefficient d’absorption, sont acquis grâce à une caméra infrarouge proche. Lorsque les distributions en trois dimensions de la température peuvent être considérées comme symétrie sphérique, ils sont estimées en appliquant inverse Qu'abel transforme les profils d’absorption. Les températures ont été observés à changer constamment selon le temps et la puissance de chauffage par induction.

Images de ΔAi(x, z) à λ = 1150 nm pour une bille en acier de 2,0 mm de diamètre dans l’eau et à λ = 1412 nm pour une bille en acier de 0,5 mm de diamètre au sirop de maltose sont présentés dans la Figure 5a et Figure 6un, respectivement. Dans les deux cas, le domaine est situé à 12 mm du bas de la bobine selon son axe central. <strong class...

Nous présentons une technique utilisant des longueurs d’onde de 1150 et 1412 nm pour mesurer la température d’eau qui entourent une sphère magnétique petite chauffée à induction.

Technique de mesure de température proche infrarouge pour l’eau qui entoure une sphère magnétique faible Induction chauffage

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

L’objectif général de cette expérience est de mesurer les distributions de température à proximité d’une petite sphère chauffée ou d’une source de chaleur ponctuelle située à l’intérieur de l’eau ou d’un milieu d’acquiescement non trouble. Cette méthode sera très utile pour la recherche sur le chauffage local à l’intérieur des milieux, comme la recherche sur l’hyperthermie à l’aide de particules magnétiques. Le principal avantage de cette technique est qu’elle est facile à mettre en place et à mettre en œuvre.Keisuke Nishijima et Van Cuong Han, qui sont des étudiants diplômés de mon laboratoire, feront la démonstration de la procédure. Pour préparer un échantillon d’eau ou de liquide aqueux, utilisez d’abord la quantité minimale nécessaire de colle à séchage rapide et résistante à l’eau pour fixer une sphère d’acier de deux millimètres de diamètre à l’extrémité d’une ficelle ou d’une tige mince et non métallique. Assurez-vous que la colle affecte le moins possible la forme de la sphère et le taux de transfert de chaleur, puis enfilez la corde dans le trou central d’un capuchon de cuvette en PTFE.Collez la ficelle en place avec 22 millimètres de la ficelle suspendue sous le capuchon

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