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방법 논문

유도 열 작은 자기 영역을 둘러싼 물 근처-적외선 온도 측정 기술

8.1K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/57407

⸱

2018년 4월 30일

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Tokyo Metropolitan University, 2Department of Electrical and Electronic Engineering, Tottori University, 3Brain Science Inspired Life Support Research Center, The University of Electro-Communications

이 논문에서

정오 공지

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

요약

유도 열 작은 자기 영역을 둘러싼 물의 온도 측정 하 고 1412 1150 nm의 파장을 이용 하는 기술이 제공 됩니다.

초록

물 및 유도 열 작은 자기 영역을 둘러싼 비 탁 수성 매체의 온도 측정 하는 기술을 제공 됩니다. 이 기술은는 물의 흡수 계수는 온도에 따라 1150 및 1412 nm의 파장을 이용 한다. 물 또는 2.0 m m-또는 0.5--직경 자기 영역을 포함 하는 비 탁 수성 젤 1150 nm 또는 1412 nm 입사광, 좁은 대역 통과 필터;를 사용 하 여 선택 된 반구 또한, 2 차원 흡 광도 이미지, 흡수 계수의 가로 계획, 근처-적외선 카메라를 통해 획득 됩니다. 때 온도 3 차원 배포판 둥글게 대칭 되도록 추측 될 수 있다, 그들은 반전 아벨 변환 흡수도 프로 파일에 적용 하 여 견적 된다. 온도 일관 되 게 시간 및 유도 열 전원 변경 관찰 되었다.

서론

매체 내에서 작은 열원 근처의 온도를 측정 하는 기술 많은 과학 연구 분야와 응용 프로그램에 필요 합니다. 예를 들어 자기 고 열에 대 한 연구는 암 치료 방법 이다 자석 입자, 또는 작은 자석의 전자기 유도 사용 하 여, 그것은 정확 하 게는 자석에 의해 생성 된 온도 분포를 예측 하는 중요 한 입자1,2. 그러나, 비록3,4, 초음파5,6,7,8, optoacoustic9, 라만10및 자기 공명11 전자 레인지 12-기반된 온도 측정 기술을 연구 하 고 개발 되어, 같은 내부 온도 분포 현재 정확 하 게 측정 될 수 없습니다. 지금까지 단일 위치 온도 또는 온도 몇 위치에는, 유도 난방의 경우 비-마그네틱 광섬유 온도 센서13,14온도 센서를 통해 측정 되었다. 또한, 미디어의 표면 온도 적외선 방사 온도계 내부 온도14추정을 통해 원격으로 측정 되었다. 그러나, 작은 열 소스를 포함 하는 매체 물 레이어 또는 비 탁 수성 매체 때 우리가 보여준 근 적외선 (NIR) 흡수 기술은 온도15,16, 측정에 유용 17,,1819. 이 종이이 기술과 대표 결과의 상세한 프로토콜을 선물 한다.

NIR 흡수 기술은 물 NIR 영역에서의 흡수 밴드의 온도 의존의 원리를 기반으로 합니다. 물 온도 1100-1250 nm 파장 (λ) 범위 및 짧은 파장에 교대에서 관찰 그림 1a, ν1 + ν2 + ν의3 흡수 밴드에서와 같이 19를증가합니다. 여기, ν1 + ν2 +이 밴드는 3 개의 근본적인 O-H 진동 모드의 조합에 해당 하는 ν3 의미: 대칭 스트레칭 (ν1), (ν 절곡 2), 반대칭 (ν3)20,21을 스트레칭 하 고. 스펙트럼에 있는이 변화는 밴드에서 가장 온도 민감한 파장 λ ≈ 1150 nm 임을 나타냅니다. 물의 다른 흡수 밴드 또한 온도15,,1617,18,20,21에 관하여 유사한 행동을 전시 한다. Ν1 + ν3 밴드 물 λ 범위 내에서 관찰 = 1350−1500 및 그것의 온도 의존성 그림 1b에서 표시 됩니다. Ν1 + ν3 밴드 물, 1412 nm에서는 가장 온도 민감한 파장입니다. 따라서, λ 에 흡 광도 2D 이미지를 캡처하는 적외선 카메라를 사용 하 여 2 차원 (2D) 온도 이미지를 얻을 수는 1150 또는 1412 nm =. 으로 물 흡수 계수 λ = 1150 nm 보다 작으면 그 λ = 1412 nm, 반면 후자는 약 1 m m 두께 것 들에 대 한 적합 한 전 파장은 약 10 m m 두께 수성 미디어에 적합. 최근, λ 를 사용 하 여 1150 = nm, 우리 1--직경 강철 구 유도 열19포함 된 레이어를 10 m m 두께 물 온도 분포를 얻은. 또한, 0.5 m m 두꺼운 물 층의 온도 분포는 λ 를 사용 하 여 측정 되었다 = 1412 nm15,17.

이미징 기술 NIR 기반 온도 이점은 간단 설치 및 전송 흡수 측정 기법 이며 아무 fluorophore, 형광체, 또는 다른 열 프로브 필요로 하기 때문에 구현 하는 것 이다. 또한, 그것의 온도 분해능 0.2 K15,,1719보다 작습니다. 열 및 대량 전송 연구22,,2324에서 자주 사용 되는 다른 전송 기술로 간섭계에 따라 같은 좋은 온도 분해능을 얻을 수 없다. 우리 단, 이미징 기술을 NIR 기반 온도 경우 상당한 로컬 온도 변화에 적합 하지 않습니다, 빛의 굴절에 의해 발생 하기 때문에 큰 온도 기울기 된다 지배적인19. 이 문제는 실제 사용 측면에서이 종이에 부릅니다.

이 문서는 실험적인 체제 및 절차; 유도 통해가 열 하는 작은 자기 영역에 대 한 적외선 기반 온도 이미징 기술에 대 한 설명 또한, 그것은 두 개의 대표적인 2D 흡 광도 이미지의 결과 제공합니다. 하나의 이미지는 λ 에서 캡처 10.0 m m 두꺼운 물 층에는 2.0 m m 직경 강철 구의 = 1150 nm. 두 번째 이미지는 λ 에서 캡처 2.0 m m 두께 맥 아당 시럽 층에 0.5 m m 직경 강철 구체 = 1412 nm. 이 문서는 또한 2D 흡 광도 이미지 반전 아벨 변환 (IAT)를 적용 하 여 계산 방법 및 온도의 3 차원 (3D) 방사형 배포의 결과 선물 한다. IAT는 3 차원 온도 분포는19온수 영역 (그림 2) 경우 처럼 둥글게 대칭 것으로 간주 됩니다 때 유효 합니다. IAT 계산에 대 한 메서드를 피팅 하는 다중-가우시안 함수는 고용 여기, 가우스 기능의 IATs 얻어질 수 있다 분석25,26,,2728,29 때문에 단조 감소 하는 데이터에 잘 맞는 단일 열원에서 열 전도 고용 하는 실험 포함 됩니다.

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프로토콜

1. 실험 설치 및 절차

샘플 및 NIR 다음과 같은 이미징에 대 한 광학 탑재 광학 레일을 준비 합니다.

  1. 샘플 준비입니다.
    참고: 물 또는 수성 액체를 사용할 경우 1.1.1 단계 할. 수성 젤 높은 점도 사용 하는 경우 1.1.2 단계 할.
    1. 강 물에서 영역 설정.
      1. 접착제의 작은 금액을 사용 하 여 얇은 플라스틱 문자열의 끝에 2.0 m m 직경 강철 구체를 수정 합니다.
      2. 10.0 m m, 폭 10 m m 및 45 m m (그림 3)의 높이의 광 경로 길이 직사각형 유리 셀의 가운데에 강철 구 만요.
      3. 신중 하 게 셀에 필터링 된 물을 부 어 기포를 생성할 수 없습니다.
        참고: 강철 구 또한 해결할 수 있습니다 얇은 플라스틱 막대의 끝에 작은 양의 접착제19.
    2. 강 수성 젤에서 영역 설정.
      1. 열을 원활 하 게 부 어 충분히 낮은 되도록 그것의 점성을 줄이기 위해 수성 젤.
      2. 주사기를 사용 하 여 광학 경로 길이 2.0 m m, 폭 10 m m, 그리고 반 전체에 45 m m의 높이의 직사각형 유리 셀에 수성 젤을 부 어와 그것을 두고.
      3. 0.5 m m 직경 강철 구 젤 표면 중앙에 놓습니다.
      4. 수성 젤으로 셀을 채울.
        참고: 큰 분야 (> ~ 1 m m 직경) 사용 하면 안 젤 때문에 그들은 유도 열 하는 동안 중력 및 자석 힘에 의해 이동 합니다.
    3. 플라스틱 홀더에서 셀을 설정 하 고 (그림 3) 광 레일에 마운트.
  2. 적외선 이미징 시스템의 준비입니다.
    1. 할로겐 램프 섬유 빛 가이드와 함께 준비 하 고 광학 레일에 홀더를 가진 섬유 라이트 가이드의 끝을 수정.
    2. Λ 에서 투과율 피크와 좁은 대역 통과 필터 (NBPF) 장소 = 1150 nm 또는 λ = 1412 nm 섬유 라이트 가이드와 셀 (그림 3).
    3. 다른 대역 통과 필터 (BPF), 누구의 전송 파장 범위는 할로겐 램프와는 NBPF 사이 NBPF의 보다 넓은 첨가
      참고:는 BPF는 NBPF 그것은 직접 빛을 받기 때문에 열 손상을 방지 하려면 필요 합니다.
    4. (그림 3) 길 잃은 빛을 줄이기 위해 NBPF 및 셀 홀더 사이 빛 경로에 iris diaphragm(s) 첨가
    5. 셀 (그림 3)을 통해 전송 하는 빛을 감지 하는 적외선 카메라를 설정 합니다. 이미지 수집 소프트웨어와 개인용 컴퓨터 (PC)에 설치 된 그래픽 보드에 데이터 전송 케이블을 통해 카메라를 연결 합니다.
    6. 셀과 카메라 (그림 3) 사이 telecentric 렌즈를 설정.
      참고: 일반적인 카메라 렌즈를 사용할 수도 있습니다. 그러나, telecentric 렌즈 IAT에 대 한 주요한 광선 빛 병렬의 선택적 검출 및 회절의 영향의 감소 측면에서 낫다.
      참고: NBPF와 BPF 하지 두어야 한다 셀과 카메라 사이 있기 때문에, 이렇게, 물 온도 고 강도 할로겐 램프에서 빛의 직접적인 흡수를 통해 증가 시킬 것입니다.
    7. 적외선 카메라를 켜고 실행 이미지 수집 소프트웨어.
    8. 할로겐 램프 빛 하 고 관찰 하는 모니터 (그림 4)에 표시 된 이미지의 출력을 조정 합니다.
    9. 축, 위치, 및 철강 분야의 좋은 이미지를 얻기 위해 telecentric 렌즈의 초점을 조정 합니다.
      참고: 조정 완료 하지 않으면 불규칙 한 강도 패턴 표시 됩니다, 잘못 된 absorbances을 선도.
  3. 유도 열 시스템의 준비입니다.
    1. 난방 시스템-고주파 발생기의 구성 된 유도 준비 (최대 출력 전력: 5.6 kW; 주파수: 780 kHz), 냉각된 코일 및 물 냉각 장치.
      참고: 유도 브레이징에 대 한 난방, 용접, 및 작은 금속 부품을 납땜은이 목적;에 대 한 적절 한 테이블의 자료를 참조 하십시오.
    2. 만약에 가능 하다 면, 그것의 위치를 변경 하려면 XYZ 이동식 무대에 코일을 탑재 합니다.
    3. 셀 근처 장소 코일 코일 센터와 강철 구체 사이의 거리는 약 15 m m (그림 3). 코일 근처 다른 금속 부품 인지 확인 합니다.
      참고: 거리 유도 난방 전력 및 영역 크기에 따라 조정 되어야 한다.
    4. 냉각을 위해 물 순환.
  4. 이미지 수집 및 유도 열
    1. 순차적으로 이미지를 저장 하는 이미지 수집 소프트웨어에 "시작"을 클릭 합니다.
    2. 유도 열을 시작 제어 소프트웨어 난방 유도에 "시작"을 클릭 합니다.
    3. (조건에 따라 목적) 몇 초 후 이미지 수집 소프트웨어에 "stop"을 클릭 합니다.
    4. 유도 열 제어 소프트웨어에 "중지"를 클릭 합니다.
    5. 이미지 수집 소프트웨어에 TIFF 시퀀스 (또는 다른 압축 되지 않은 형식)으로 일시적으로 저장 된 이미지를 저장.
      참고: 온도가 충분히 높은 경우에, 가벼운 편향의 효과7이미지 표시 됩니다. 난방 힘 유도 해야 감소 적절 하지만 실험 영역 근처 온도 있는 증가 보다 약 10 K, 온도 추정 하는 다음 프로토콜 단계에서 확인할 수 있습니다.

2. 이미지 처리 및 온도 추정

참고: 저장 된 이미지를 순차적으로 표시 되는 나나(x, z), 나 가 순차 프레임 번호. 좌표, x, y, z, r및 r' 그림 2에 표시 된 대로 정의 z 중력 반대 방향으로 긍정적 이다. 다음 프로토콜 단계 개요는 또한 보충 1에 나와 있습니다.

  1. 흡 광도 이미지 건설입니다.
    1. 오픈 나나(x, z) 이미지 프로세싱 소프트웨어와 함께.
    2. 소음에 나나(x, z) 3 × 3 픽셀 평균을 구현 하 여.
    3. 평균 이미지 만들기 나나(x, z) 내가 = 1 ~ 5 (또는 이상) 난방, 전에 하 고 참조 이미지로 정의 나r(x, z).
      참고:이 평균 프레임 이미지를 보다 더 신뢰할 수 있는 이미지를 소음을 줄일 수 있습니다.
    4. 흡 광도 차이 Δ의 순차적인 이미지를 생성한나(x, z), 다음 방정식을 통해:
      figure-protocol-1(1)
      참고: ΔA나(x, z) 는나(x, z), 참조 흡 광도, r(x, z), 앞에서 흡 광도 있는 변이 가 열, 그리고 다음과 같이15,,1617,,1819파생:
      figure-protocol-2(2)
      여기서 내가0 셀을 입사광의 강도입니다.
    5. Δ는내가 이미지 블루 레드 등 적절 한 색 지도 사용 하 여 색상화
      참고: ImageJ를 위한 단계 2.1.2 2.1.5 통해 실행 하기 위한 명령 스크립트 파일 보충 2에 표시 됩니다.
  2. 온도 추정입니다.
    1. 동안 어느 ΔA나(x, z)은 원형으로 구 중심에 대해 대칭 이미지를 시각적으로 관찰 하 여 기간을 선택 합니다.
      참고: 원형 대칭 주로 자유 대류에 의해 고장입니다. 이전 작품19;에서 소개 되는 자유로운 대류 발생의 이미지 기반 분석 판단 그러나, 실제적으로, 시각적 판단 효과적 이다.
    2. 데이터를 추출 하는 ΔA나(ʹr, θ) 360 방사형 선 따라 (Δθ = 1˚) Δi는(x, z) 이미지.
    3. Δ는내가(ʹr, θ) 데이터 영역 내에서 주변에 제외 (Δrʹ≈ 0.2 m m). 참고: 데이터는 anomalously 매우 작거나 큰 근처에 구의 약간의 움직임으로 인해 주로.
    4. 평균 Δ는내가(ʹr, θ) θ 에 선 프로 파일, Δ를 결정 하는나(rʹ).
      참고: ImageJ를 위한 2.2.4 통해 2.2.2 단계를 실행 하기 위한 명령 스크립트 파일 보충 3에서 제공 됩니다.
    5. 다음 다중-가우시안 함수 ΔA나(rʹ) 데이터를 대략:
      figure-protocol-3(3)
      어디 j 중 요인 σj 는 분산 매개 변수 이며, R 은 rʹ 최대 어디 ΔA나(R) = 0 추측 될 수 있다.
    6. Δμi(r), eq (3)의 다음 IAT에 얻은 N, j, 그리고 σj 를 대체 하 여 흡수 계수 차이 계산:
      figure-protocol-4(4)
      여기서 erf 오류 함수입니다.
    7. 다음 식을 통해 온도 변환 Δμi(r):
      figure-protocol-5(5)
      4.0 × 10-3 K-1 m m-1 λ 에 물, αf, 온도 계수와 = 1150 nm19 및 4.1 × 10-3 K-1 m m-1 λ 에 대 한 = 1412 nm17.
      참고: 2.2.7 통해 단계 2.2.5을 실행 하기 위한 명령 스크립트 파일 보충 4, Levenberg-Marquardt 비선형 최소 제곱법 알고리즘17,19 단계 2.2.5에 대 한 고용은에 제공 됩니다.

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결과

Δ의 이미지A나(x, z)에 λ = 2.0 m m 직경 강철 구체 물에 대 한 1150 nm와 λ = 1412 nm 맥 아당 시럽에 0.5 m m 직경 강철 구체에 그림 5는 표시 됩니다에 대 한 그림 6는, 각각. 두 경우 모두 영역 중앙 축 따라 코일의 하단 아래 위치한 12 m m 이었다. 그림 5 b 및 그림 6b ΔA(rʹ) 데이터와 그들의 장착된 다중-가우시안 함수 r (3) 식에서 ...

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토론

이 문서에 소개 된 기술 물의 NIR 흡수의 온도 의존을 사용 하 여 하나는 소설 이며, 필요한 장비 및 구현에 상당한 어려움이 선물. 사건 빛은 할로겐 램프와는 NBPF를 사용 하 여 쉽게 생산 수 있습니다. 그러나, 레이저 코히어런트 간섭 패턴 이미지에 나타납니다 때문에, 사용할 수 없습니다. 일반적인 광학 렌즈 및 유리 셀 가시광선 사용에 대 한 사용할 수 있습니다, 그들은 전송에 λ 빛의 적절 한 금액 = 1150 nm와 1412 nm. 또한, InGaAs 카메라는 상대적으로 저렴 한 가격에 지금 구입할 수 있습니다.

Λ 에서 NBPFs = 1150 1412 nm 및 세미 사용자 정의 순서에 의해 사용할 수 있습니다 하지만 그들은 지나치게 비싸다. (그림 1) 온도 따른 파장 범위 내에 있어야, 다른 파장에 기성 품 NBPF 라면 그것은 사용할 수 있습니다 대신, 비록 온도 감도, 또는 ...

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공개 사항

저자는 공개 없다.

감사의 글

저자는 야마다 켄 타 씨, 씨 료 후지오카와 씨 미즈키 쿄 실험 및 데이터 분석에 그들의 지원에 대 한 감사. 이 작품은 JSP KAKENHI 보조금 번호 25630069, 스즈키 기초 및 정밀 측정 기술 진흥 재단, 일본에 의해 지원 되었다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
유도 가열 시스템CEIA, 이탈리아SPW900/56780kHz, 5.6kW(최대).
코일SA-일본사용자 정의수냉식 구리 튜브; 2 회전; 외부 dia. 28 mm.
물 냉각기Matsumoto Kikai, 일본MP-401CT
할로겐 램프Hayashi Watch-Works, 일본LA-150UE-A
&lambda용 협대역통과 필터; = 1150 nmAndover115FS10-25반최대에서 전체 너비 (FWHM): 10 nm.
λ = 1412 nmAndoversemi-customFull width at half-maximum (FWHM)에 대한 협대역 통과 필터: 10 nm.
&lambda에 대한 대역통과 필터; = 850− 1300 nmSpectrogonSP-1300
대역통과 필터 λ = 1100− 2000nmSpectrogonSP-2000
NIR 카메라FLIR SystemsAlpha NIRInGaAs
이미지 수집 소프트웨어FLIR SystemsIRvista
이미지 처리 소프트웨어NIHImageJver. 1.51r
이미지 처리 소프트웨어MathWorksMatlabver. 2016a
텔레센트릭 렌즈Edmond Optics55350-LX1
스틸 구형(직경 0.5mm)일본 고베 철강Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
고베 철강, 일본Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
시럽 수성 젤Sonton, 일본미즈아메식품
스틸 구 (직경 2.0mm)맥아당

참고문헌

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정오


Formal Correction: Erratum: Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere
Posted by JoVE Editors on 12/06/2018. Citeable Link.

An erratum was issued for: Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere. The Protocol section was updated.

In 2.2.7, the temperature coefficient of water, αf, for λ = 1150 nm has been corrected from:

4.0 x 10-3 K-1 mm-1

to:

2.8 x 10-4 K-1 mm-1

태그

유도 가열물 흡수도협대역 통과 필터근적외선 카메라아벨 변환자성 구체 가열열전도자유 대류광경로 길이
유도 열 작은 자기 영역을 둘러싼 물 근처-적외선 온도 측정 기술
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