Técnica de medição de temperatura infravermelha para a água ao redor de uma esfera magnética pequena aquecida a indução

Uma técnica para medir a temperatura perto de uma fonte de calor pequeno dentro de um meio é necessário em muitos campos de investigação científica e aplicações. Por exemplo, na pesquisa sobre Hipertermia magnética, que é um método de terapia de câncer usando indução eletromagnética de partículas magnéticas, ou pequenas peças magnéticas, é fundamental para prever com precisão as distribuições de temperatura geradas pelo magnético partículas de^1,2. No entanto, apesar de microondas^3,4, ultra-som^5,6,7,8, optoacoustic⁹, Raman¹⁰e ressonância magnética^{11 ,12}-técnicas de medição de temperatura com base foi pesquisadas e desenvolvidas, tal uma distribuição de temperatura interna não pode ser medida com precisão no momento. Até agora, único-posição temperaturas ou temperaturas em algumas posições foram medidas através de sensores de temperatura, que, no caso de aquecimento por indução, são não-magnéticos fibra óptica temperatura sensores^13,14. Alternativamente, as temperaturas de superfície dos meios de comunicação foram medidas remotamente através de termômetros de radiação infravermelha para estimar a temperatura interna¹⁴. No entanto, quando um meio que contenha uma fonte de calor pequeno é uma camada de água ou meio aquoso não-turvo, temos demonstrado que uma técnica de absorção do infravermelho próximo (NIR) é útil para medir as temperaturas de^{15,16, 17,18,19}. Este trabalho apresenta o protocolo detalhado desta técnica e resultados representativos.

A técnica de absorção de NIR baseia-se no princípio da dependência da temperatura de bandas de absorção de água na região NIR. Como é mostrado na Figura 1a, ν₁ + ν₂ + ν₃ banda de absorção de água é observada no 1100 nm a gama de 1250 nm comprimento de onda (λ) e turnos para comprimentos de onda mais curtos, como a temperatura aumenta a¹⁹. Aqui, ν₁ + ν₂ + ν₃ significa que esta banda corresponde à combinação dos três modos de vibração fundamentais O-H: simétrica alongamento (ν₁), dobra (ν ₂) e antisimétrico alongamento de^20,(ν₃)²¹. Esta mudança no espectro indica que o comprimento de onda mais sensível à temperatura na faixa de λ ≈ 1150 nm. Outras bandas de absorção de água também apresentam um comportamento semelhante em relação a temperatura^{15,16,17,18,20,21}. O ν₁ + ν₃ banda de água observadas dentro do intervalo λ = 1350−1500 nm e sua dependência de temperatura são mostrados na Figura 1b. No ν₁ + ν₃ banda de água, 1412 nm é o comprimento de onda mais sensível à temperatura. Assim, é possível obter imagens bidimensionais (2D) temperatura usando uma câmera NIR para capturar imagens 2D absorvância em λ = 1150 ou 1412 nm. Como o coeficiente de absorção de água em λ = 1150 nm é menor que em λ = 1412 nm, comprimento de onda anterior é apropriado para aproximadamente 10 mm de espessura meios aquosos, enquanto o último é apropriado para aproximadamente 1 mm de espessura os. Recentemente, usando λ = 1150 nm, obtivemos as distribuições de temperatura em uma camada de 10 mm de espessura água contendo uma esfera de aço de 1 mm de diâmetro aquecida a indução de¹⁹. Além disso, as distribuições de temperatura em uma camada de água de 0,5 mm de espessura foram medidas usando λ = 1412 nm^15,17.

Uma vantagem para a temperatura de NIR-baseado de imagem técnica é que é simples de configurar e implementar porque é uma técnica de medição de transmissão-absorção e precisa sem fluoróforo, fósforo ou outra sonda térmica. Além disso, a sua resolução de temperatura é inferior a 0,2 K^15,17,19. Essa resolução boa temperatura não pode ser alcançada por outras técnicas de transmissão baseadas em interferometria, que muitas vezes foram utilizadas no calor e transferência de massa estudos^22,23,24. Notamos, no entanto, que a temperatura de NIR-baseado de imagem técnica não é adequada em casos com alteração considerável da temperatura local, porque a deflexão da luz causada pelo grande gradiente de temperatura se torna dominante¹⁹. Este assunto é submetido neste trabalho em termos de uso prático.

Este documento descreve a instalação experimental e o procedimento para o NIR-baseado temperatura técnica de imagem para uma pequena esfera magnética aquecida através da indução; Além disso, apresenta os resultados de duas imagens representativas de absorvância 2D. Uma imagem é de uma esfera de aço de 2,0 mm de diâmetro em uma camada de água 10.0-mm de espessura que é capturada em λ = 1150 nm. A segunda imagem é de uma esfera de aço de 0,5 mm de diâmetro em uma camada de xarope de maltose 2.0-mm de espessura que é capturada em λ = 1412 nm. Este artigo apresenta o método de cálculo e resultados da tridimensional (3D) distribuição radial de temperatura aplicando o inverso transformar Abel (IAT) para as imagens 2D absorvância. O IAT é válido quando uma distribuição de temperatura 3D será assumida que é esfericamente simétrica, como no caso de uma esfera aquecida (Figura 2)¹⁹. Para o cálculo do IAT, uma função de multi-Gaussian montagem método é empregada aqui, porque os IATs Gaussian funções podem ser obtidas analiticamente^25,26,,^27,28,29 e ajuste bem a diminuir monotonicamente dados; Isso inclui experimentos empregando condução térmica de uma fonte de calor única.

1. procedimentos e instalação experimental

Prepare um trilho óptico para montar uma amostra e óptica para NIR de imagens como segue.

1. Preparação da amostra.
   Nota: Quando utilizar água ou líquido aquoso, passo 1.1.1. Ao usar um gel aquoso com alta viscosidade, passo 1.1.2.
   1. Esfera de aço em água.
      1. Corrigi uma esfera de aço de 2,0 mm de diâmetro para o fim de uma sequência de plástico fino, usando uma pequena quantidade de cola.
      2. Pendure a esfera de aço no centro da célula de vidro retangular com um comprimento de trajeto ótico de 10,0 mm, uma largura de 10 mm e uma altura de 45 mm (Figura 3).
      3. Despeje água filtrada a célula cuidadosamente para não produzir bolhas de ar.
         Nota: Uma esfera de aço também pode ser corrigida para a ponta de uma haste de plástico fina com uma pequena quantidade de cola¹⁹.
   2. Esfera de aço configuração em gel aquoso.
      1. Aqueça um gel aquoso para reduzir sua viscosidade tal que é baixo o suficiente para ser derramado sem problemas.
      2. Usando uma seringa, despeje o gel aquoso em uma célula de vidro retangular com um comprimento de trajeto ótico de 2,0 mm, uma largura de 10 mm e uma altura de 45 mm para meio cheio e deixe-o arrefecer.
      3. Coloque uma esfera de aço de 0,5 mm de diâmetro no centro da superfície do gel.
      4. Preencha a célula com o gel aquoso.
         Nota: Esferas de maiores (> ~ 1 mm diâmetro) não deve ser usado com um gel, porque eles vão se mover por forças gravitacionais e/ou magnéticas durante o aquecimento indutivo.
   3. Defina a célula em um suporte plástico e montá-lo no trilho óptico (Figura 3).
2. Preparação de NIR sistema de imagem.
   1. Preparar uma lâmpada de halogênio com um guia de luz de fibra e consertar o final do guia de luz de fibra com um titular no trilho óptico.
   2. Coloque um filtro passa-banda estreita (NBPF), com um pico de transmitância em λ = 1150 nm ou λ = 1412 nm entre o guia de luz de fibra e a célula (Figura 3).
   3. Interpor outro filtro passa-banda (BPF), cujo intervalo de comprimento de onda de transmissão é mais largo do que o NBPF, entre a lâmpada do halogênio e o NBPF.
      Nota: O BPF é necessário para evitar dano térmico para o NBPF porque ele recebe luz diretamente.
   4. Interpor um iris diaphragm(s) no caminho de luz entre o titular NBPF e o celular para reduzir a luz (Figura 3).
   5. Colocar uma câmera NIR para detectar a luz transmitida através da célula (Figura 3). Conecte a câmera através de um cabo de transferência de dados para uma placa gráfica instalada em um computador pessoal (PC) com software de aquisição de imagem.
   6. Defina uma lente de telecêntrico entre o celular e câmera (Figura 3).
      Nota: Também pode ser usada uma lente de câmera comum. No entanto, uma lente de telecêntrico é melhor em termos de detecção seletiva de luz paralelo para o chefe ray para o IAT e redução da influência de difração.
      Nota: O NBPF e BPF não devem ser colocado entre o celular e a câmera uma porque, ao fazê-lo, aumentaria-se a temperatura da água através da absorção direta de alta intensidade de luz da lâmpada do halogênio.
   7. Ligue a câmera NIR e lançar o software de aquisição de imagem.
   8. Acenda a lâmpada de halogênio e ajustar a sua potência de saída, observando a imagem exibida no monitor (Figura 4).
   9. Ajuste o eixo, a posição e o foco da lente telecêntrico para obter uma imagem bem da esfera de aço.
      Nota: Se o ajuste não for completo, padrões de intensidade irregular aparecerá, líderes de absorvâncias incorretas.
3. Preparação do sistema de aquecimento por indução.
   1. Preparar uma sistema constituído por um gerador de alta frequência de aquecimento por indução (potência máxima de saída: 5.6 kW; frequência: 780 kHz), water-cooled de bobina e refrigerador de água.
      Nota: Uma indução, sistema de aquecimento para brasagem, soldagem e pequenas peças de metal de solda é apropriado para essa finalidade; consulte Tabela de materiais.
   2. Se possível, monte a bobina em um estágio móvel XYZ para alterar a sua posição.
   3. Coloque a bobina perto da célula tais que a distância entre o centro da bobina e a esfera de aço é de aproximadamente 15 mm (Figura 3). Certifique-se de que não existem outras partes metálicas perto da bobina.
      Nota: A distância deve ser ajustada dependendo da potência e o tamanho da esfera de aquecimento por indução.
   4. Circule água para arrefecimento.
4. Aquisição de imagem e aquecimento por indução.
   1. Clique em "Iniciar" do software de aquisição de imagem para armazenar as imagens sequencialmente.
   2. Clique em "Iniciar" sobre a software de controle para iniciar o aquecimento por indução de aquecimento por indução.
   3. Após alguns segundos (dependendo da condições e finalidade), clique em "parar" o software de aquisição de imagem.
   4. Clique em "parar" sobre a software de controle de aquecimento por indução.
   5. Salve as imagens armazenadas temporariamente como uma sequência TIFF (ou outro formato não comprimido) sobre o software de aquisição de imagem.
      Nota: Se a temperatura é alta o suficiente, o efeito de deflexão luz aparecerá na imagem⁷. Potência de aquecimento da indução deve ser reduzida adequadamente embora experimentos tal que o aumento da temperatura perto da esfera é de menos de aproximadamente 10 K, que pode ser confirmado nas etapas a seguir protocolo para estimativa de temperatura.

2. estimativa de temperatura e processamento de imagem

Nota: As imagens salvas sequenciais são representadas como _eu(x, z), onde i é o número sequencial do quadro. As coordenadas x, y, z, re r' são definidos como está indicado na Figura 2; z é positivo na direção oposta à gravidade. O contorno das etapas a seguir protocolo também é ilustrado no suplemento 1.

1. Construção de imagem de absorvância.
   1. Aberto _eu(x, z) com a software de processamento de imagem.
   2. Reduzir o ruído em _eu(x, z) com a implementação de 3 × 3 pixels em média.
   3. Criar uma imagem média de _eu(x, z) mais eu = 1 a 5 (ou mais) antes de aquecimento e defina-a como a imagem de referência, eu_r(x, z).
      Nota: Esta média reduz o ruído para obter uma imagem mais confiável do que uma imagem de quadro único.
   4. Construir as imagens sequenciais da diferença de absorbância, Δum_eu(x, z), através da seguinte equação:
      (1)
      Nota: ΔA_eu(x, z) é a variação no valor da absorvância, um_eu(x, z), o valor de absorvância de referência, um_r(x, z), antes de aquecimento e é derivada da seguinte forma,^{15,16,17,18,19}:
      (2)
      onde eu₀ é a intensidade da luz incidente para a célula.
   5. Colori as Δum_eu imagens usando um mapa de cor apropriada, tais como azul e vermelho.
      Nota: O arquivo de script de comando para executar etapas 2.1.2 através de 2.1.5 para ImageJ é apresentado no suplemento 2.
2. Estimativa da temperatura.
   1. Escolha o período de tempo durante o qual ΔA_eu(x, z) é circularmente simétricos em relação ao centro da esfera, visualmente, observando as imagens.
      Nota: A simetria circular é quebrada principalmente por convecção livre. Um julgamento analítico baseada em imagem de convecção livre ocorrendo é introduzido no anterior trabalho¹⁹; no entanto, praticamente, o julgamento visual é eficaz.
   2. Extrair os ΔA_eu(ʹr, θ) dados ao longo de 360 linhas radiais (Δθ = 1˚) sobre as imagens Δum_eu(x, z).
   3. Excluir os Δum_eu(ʹr, θ) dados dentro da esfera e em seus arredores (Δrʹ≈ 0,2 mm). Nota: Os dados são anomalamente muito pequenas ou grandes nas proximidades principalmente por causa do movimento ligeiro da esfera.
   4. Média Δum_eu(ʹr, θ) com θ para determinar o perfil de linha, Δum_eu(rʹ).
      Nota: O arquivo de script de comando para executar passos 2.2.2 através de 2.2.4 para ImageJ é apresentado no suplemento 3.
   5. Aproximar os dados ΔA_eu(rʹ) pela seguinte função multi-Gaussian:
      (3)
      onde _j é o factor de ponderação, σ_j é o parâmetro dispersão e R é o número máximo de ʹ ronde ΔA_eu(R) = 0 pode ser assumido.
   6. Calcule a diferença de coeficiente de absorção, Δµ_eu(r), substituindo o N, um_je σ_j obtidos para as seguintes IAT da EQ. (3):
      (4)
      onde erf é a função de erro.
   7. Converta Δµ_eu(r) a temperatura através da seguinte equação:
      (5)
      com os coeficientes de temperatura da água, α_f, que são de 4,0 × 10^-3 K^-1 mm^-1 para λ = 1150 nm¹⁹ e 4,1 × 10^-3 K^-1 mm^-1 para λ = 1412 nm¹⁷.
      Nota: O arquivo de script de comando para executar etapas 2.2.5 através de 2.2.7 é apresentado no suplemento 4, onde o Levenberg-Marquardt mínimos quadrados não-linear algoritmo^17,19 é empregado para etapa 2.2.5.

Imagens de ΔA(x, z) em λ = 1150 nm para uma esfera de aço de 2,0 mm de diâmetro na água e no λ = 1412 nm para uma esfera de aço de 0,5 mm de diâmetro em xarope de maltose são apresentados na Figura 5um e Figura 6um, respectivamente. Em ambos os casos, a esfera foi localizado 12 mm abaixo da parte inferior da bobina ao longo do eixo central. Figura 5 b e Figura 6b mostram a ΔA(rʹ) data e suas funções multi-Gaussian cabidas na EQ. (3), com R = 3,0 mm e R = 1,5 mm, respectivamente. Não mais que dois ou três funções Gaussian (N = 2 ou 3) são necessários para alcançar um bom ajuste17,19. As funções cabidas então foram transformadas em perfis deT(r) Δ através de NQA. (4) e (5) e são apresentadas na Figura 5c e Figura 6c.

Oum imagens Δ em ambos os casos, claramente, mostram um aumento na temperatura da água e gel em torno da esfera devido à condução térmica. A simetria circular da ΔA no que diz respeito a esfera é observada em todas as imagens. As parcelas e as curvas na Figura 5c indicam que ΔA(rʹ) aumenta com o tempo, a uma distância mais próxima da esfera; em ʹ≥ r2.5 mm, não significativa mudança é observada. Além disso, os perfis ΔT(r) obtidos através do IAT verificar a ocorrência de condução térmica na direção radial. Observe que, embora os perfis deT(r) Δ aparecem semelhantes de ΔA(rʹ), as alterações no gradienter dΔT(r) /d diferem dos perfis (rʹ)AΔ . Na Figura 6, encontram-se as magnitudes de ΔA para corresponder à potência de aquecimento dos níveis, ou seja, taxas de geração de calor da esfera.

Resultados para a esfera de 0,5 mm de diâmetro demonstram que a convecção livre, o que distorce o padrão circular na ΔA, não foi observada após t = 1,2 s. em contrapartida, para a esfera de 2,0 mm de diâmetro na água, convecção livre foi encontrada para ocorrer após t = 1,2 s (não mostrado). Isto significa que uma transição de um regime de condução térmica puro para um regime de convecção livre pode ter ocorrido na água em aproximadamente t = 1,2 s. Esta diferença de convecção livre foi causada por diferenças na taxa de geração de calor e viscosidade. A taxa de geração de calor da esfera de 0,5 mm de diâmetro foi significativamente menor do que a esfera de 2,0 mm de diâmetro; Além disso, a viscosidade do xarope de maltose (aproximadamente 100 pa · s) foi consideravelmente maior do que a da água (aproximadamente 0,001 pa · s). Porque a convecção livre é um tema importante na transferência de calor e massa da investigação, a proposta técnica de imagem, que fornece o tempo de latência de convecção livre e padrão da pluma térmica e produz informações sobre as condições físicas, induzindo Gratis convecção, contribuirá de forma significativa para a investigação neste domínio.

Figura 1 : Dependência da temperatura de NIR o espectro de absorção de água. (a, b) Espectros de banda de absorção de água a temperaturas de 16,0 ° C (azul) a 44,0 ° C (vermelho) em incrementos de 4,0 ° C em intervalos de comprimento de onda de nm 1100-1250 e 1350-1500 nm, respectivamente. As setas indicam a direção do aumento da temperatura. As inserções mostram a absorvância espectros de diferença; os espectros de absorvância a 16,0 ° C são as referências. Os comprimentos de trajeto ótico são 10 mm e 1.0 mm em (a) e (b), respectivamente. As linhas verticais tracejadas indicam os comprimentos de onda sensível à temperatura de 1150 nm e 1412 nm usado para obter as imagens NIR. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2 : Sistema de coordenadas e geometria para a imagem latente de absorvância. Reproduzido de Kakuta et al . 201719 com a permissão de publicação AIP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3 : Instalação experimental. (a) diagrama esquemático do sistema óptico e instalação de aquecimento por indução. Veja texto para detalhes. Esta figura foi modificada de Kakuta et al 201719 com a permissão de publicação AIP. (b) fotografia da instalação experimental. (c) fotografia mostrando uma esfera de aço de 2,0 mm de diâmetro pendurada por uma corda, célula e bobina com uma escala. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4 : Adquiriu imagens raw. (a, b) Transmitidas imagens de intensidade, (x, z), em λ = 1150 nm para uma esfera de aço de 2,0 mm de diâmetro na água e λ = 1412 nm para uma esfera de aço de 0,5 mm de diâmetro em xarope de maltose, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 

Figura 5 : Imagens de absorvância e perfis de temperatura para uma esfera de aço de 2,0 mm de diâmetro na água. (a) ΔA(x, z) imagens em λ = 1150 nm e t = 0,4, 0,8 e 1,2 s após o início do aquecimento por indução. (b) parcelas de ΔA(rʹ) e sua multi-Gaussian se encaixa (curvas de sólidos). (c) os perfis ΔT(r) obtidos por meio de IATs na ΔA(rʹ). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6 : Imagens de absorvância e perfis de temperatura para uma esfera de aço de 0,5 mm de diâmetro em xarope de maltose. (a) ΔA(x, z) imagens em λ = 1412 nm e t = 0,4, 0,8 e 1,2 s após o início do aquecimento para o aquecimento por indução níveis de 10%, 30% e 50% de potência. (b) parcelas de ΔA(rʹ) e sua multi-Gaussian ajustes (curvas sólidas) para 50%. (c) os perfis ΔT(r) obtidos por meio de IATs na ΔA(rʹ) para 50%. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 

Suplemento 1: Estrutura de tópicos de processamento de imagem. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Suplemento 2: Arquivo de script de comando para a construção de imagem de absorvância (macro para o ImageJ). Clique aqui para baixar este arquivo.

Suplemento 3: Arquivo de script de comando para a extração do perfil de linha (macro para o ImageJ). Clique aqui para baixar este arquivo.

Complementar 4: Código de MATLAB para colocação de multi-Gaussian e inverso transformar Abel. Clique aqui para baixar este arquivo.

Os autores não têm nada para divulgar.