Tecnica di misurazione della temperatura vicino infrarosso per l'acqua che circonda una sfera magnetica piccola riscaldata a induzione

L'obiettivo generale di questo esperimento è misurare le distribuzioni di temperatura vicino a una piccola sfera riscaldata o a una fonte di calore puntiforme situata all'interno dell'acqua o di mezzi di acquiescenza non torbidi. Questo metodo sarà molto utile per la ricerca sul riscaldamento locale all'interno dei mezzi, come la ricerca sull'ipertermia utilizzando particelle magnetiche. Il vantaggio principale di questa tecnica è che è facile da configurare e implementare.

A dimostrare la procedura saranno Keisuke Nishijima e Van Cuong Han, che sono studenti universitari del mio laboratorio. Per preparare un campione di acqua o di liquido acquoso, utilizzare prima la quantità minima necessaria di colla ad asciugatura rapida e resistente all'acqua per fissare una sfera d'acciaio di due millimetri di diametro all'estremità di una corda sottile o di un'asta non metallica. Assicurarsi che la colla influisca minimamente sulla forma della sfera e sulla velocità di trasferimento del calore, quindi infilare la corda attraverso il foro centrale di un tappo per cuvetta in PTFE.

Fissa la corda con 22 millimetri di corda appesi sotto il cappuccio. Equipaggiare una siringa piena d'acqua con un filtro per siringa da 0,22 micrometri e un ago di erogazione in plastica. Riempire accuratamente una cella di vetro con una lunghezza del percorso ottico di 10 millimetri e un'altezza di 45 millimetri con acqua filtrata, facendo attenzione ad evitare la formazione di bolle d'aria.

Le bolle d'aria e il particolato in sospensione devono essere rimossi il più possibile in anticipo per ottenere misure corrette e stimare con successo le temperature. Posiziona il cappuccio sulla cella in modo che la sfera penda al centro della cella rettangolare. Per preparare un campione di gel acquoso, riscaldare prima il gel acquoso fino a quando la sua viscosità non si riduce sufficientemente da poter essere versato senza intoppi.

Utilizzare una siringa per riempire a metà una cella di vetro rettangolare con una lunghezza del percorso ottico di due millimetri con il gel riscaldato. Lasciare raffreddare il gel. Quindi posizionare una sfera di acciaio di 0,5 millimetri di diametro al centro della superficie del gel.

Riempi allo stesso modo il resto della cella con gel acquoso riscaldato e lascialo raffreddare. Una volta preparato il campione acquoso liquido o in gel, posizionare la cella in un supporto di plastica sulla guida ottica del sistema di imaging nel vicino infrarosso. Per iniziare a preparare il sistema di imaging nel vicino infrarosso, dotare una lampada alogena di una guida di luce in fibra.

Posizionare un filtro passa-banda stretto con il picco di trasmittanza a 1, 150 nanometri o 1, 412 nanometri tra la guida di luce in fibra nella cella. A 1, 150 nanometri e 1, 412 nanometri, l'assorbanza dell'acqua aumenta all'aumentare della temperatura dell'acqua. Posizionare un filtro passa-banda con l'intervallo di trasmissione più ampio attorno alla lunghezza d'onda scelta tra la guida di luce in fibra della lampada alogena e il filtro passa-banda stretto.

Montare un diaframma a iride tra il filtro passa-banda stretto e il supporto della cella. Quindi impostare una telecamera nel vicino infrarosso in linea con la cella campione. Fissa una lente telecentrica oggetto-spazio tra la cella e la fotocamera.

Accendere la fotocamera Near-IR, assicurarsi che la fotocamera sia collegata a un computer e aprire il software di acquisizione delle immagini. Accendere la lampada alogena, controllare l'immagine visualizzata sul monitor e regolare la potenza di uscita della lampada secondo necessità. Regola l'asse, la posizione e la messa a fuoco dell'obiettivo telecentrico per ottenere un'immagine finemente dettagliata della sfera d'acciaio.

La regolazione dell'asset ottico è importante per ottenere il sistema ottico telecentrico in quanto deve essere fatto con attenzione per guardare le immagini riflesse. Quindi preparare un sistema di riscaldamento a induzione composto da un generatore ad alta frequenza, una batteria raffreddata ad acqua e un refrigeratore d'acqua. Montare la bobina su uno stadio mobile XYZ.

Posizionare la bobina sopra la cella del campione, in modo che la distanza tra il centro della bobina e la sfera d'acciaio sia di circa 15 millimetri. Assicurarsi che non vi siano altri componenti metallici vicino alla bobina. Accendere il refrigeratore d'acqua per il riscaldatore a induzione e avviare la circolazione dell'acqua.

Assicurarsi che la frequenza dei fotogrammi e il tempo di integrazione della fotocamera siano impostati sui valori massimi disponibili. Una volta che il riscaldatore a induzione è pronto, impostare il numero massimo di fotogrammi da registrare, assegnare un nome al file di dati dell'immagine e avviare la registrazione delle immagini nel software di acquisizione delle immagini. Far funzionare il riscaldatore a induzione per il periodo di tempo desiderato.

Consentire l'esecuzione dell'acquisizione dell'immagine per la durata impostata o interrompere manualmente la registrazione dopo il periodo di tempo desiderato. Salvate le immagini in un formato non compresso, ad esempio una sequenza TIFF. Aprire la sequenza nel software di elaborazione delle immagini e convertire le immagini salvate dell'intensità della luce trasmessa nelle immagini della differenza di assorbanza.

Colora le immagini con la gamma di colori desiderata. La temperatura può quindi essere stimata da queste immagini utilizzando script di comando aggiuntivi. L'aumento della temperatura dell'acqua attorno a una sfera di acciaio riscaldata a induzione di due millimetri di diametro è stato osservato come un cambiamento circolarmente simmetrico dell'assorbanza rispetto all'immagine nel vicino infrarosso prima del riscaldamento.

La convezione libera è stata osservata dopo 1,2 secondi di riscaldamento, suggerendo una transizione da un regime di conduzione termica pura a un regime di convezione libera. Effetti simili sono stati osservati intorno a una sfera d'acciaio riscaldata a induzione di 0,5 millimetri di diametro in sciroppo di maltosio a tre diverse potenze di riscaldamento a induzione. Il raggio e l'entità della variazione dell'assorbanza aumentavano con l'aumentare della potenza.

La convezione libera non è stata osservata dopo 1,2 secondi. Nel campione d'acqua, l'entità della variazione dell'assorbanza nel tempo era maggiore vicino alla sfera. Una combinazione di due o tre funzioni gaussiane può ottenere un buon adattamento per la relazione tra assorbanza e raggio del piano dell'immagine.

Risultati simili si osservano nel campione di gel. Le funzioni adattate possono quindi essere trasformate nella variazione di temperatura nell'acqua e nel gel, supponendo che la conduzione termica avvenga in direzione radiale e che i profili di temperatura siano sfericamente simmetrici. I dispositivi chiave per la misurazione della temperatura sono una telecamera nel vicino infrarosso, un filtro passa-banda stretto.

Una volta preparati, la procedura dall'impostazione all'acquisizione delle immagini è facilmente eseguibile da qualsiasi ricercatore. Questa tecnica di imaging verrà applicata non solo al riscaldamento a induzione, ma anche a vari metodi di riscaldamento. È possibile rivelare la temperatura e la generazione di calore all'interno dei fluidi, che finora non sono mai state misurate direttamente.