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

O objetivo geral deste experimento é medir as distribuições de temperatura perto de uma pequena esfera aquecida ou de uma fonte de calor pontual localizada dentro da água ou de meios de aquiescência não turvos. Este método será muito útil para pesquisar o aquecimento local dentro da mídia, como a pesquisa de hipertermia usando partículas magnéticas. A principal vantagem dessa técnica é que ela é fácil de configurar e implementar.

Demonstrando o procedimento estarão Keisuke Nishijima e Van Cuong Han, que são estudantes de pós-graduação do meu laboratório. Para preparar uma amostra de água ou líquido aquoso, primeiro use a quantidade mínima necessária de cola resistente à água e de secagem rápida para fixar uma esfera de aço de dois milímetros de diâmetro na extremidade de uma corda ou haste fina e não metálica. Certifique-se de que a cola afete minimamente a forma da esfera e a taxa de transferência de calor e, em seguida, passe o barbante pelo orifício central de uma tampa de cubeta de PTFE.

Prenda o barbante no lugar com 22 milímetros do barbante pendurado abaixo da tampa. Equipe uma seringa cheia de água com um filtro de seringa de 0.22 micrômetro e uma agulha dispensadora de plástico. Encha cuidadosamente uma célula de vidro com um comprimento de caminho óptico de 10 milímetros e uma altura de 45 milímetros com água filtrada, tomando cuidado para evitar a formação de bolhas de ar.

Bolhas de ar e partículas suspensas devem ser removidas com a maior antecedência possível para obter medidas corretas e estimar com sucesso as temperaturas. Coloque a tampa na célula de forma que a esfera fique pendurada no centro da célula retangular. Para preparar uma amostra de gel aquoso, primeiro aqueça o gel aquoso até que sua viscosidade seja suficientemente reduzida para ser derramada suavemente.

Use uma seringa para encher até a metade uma célula de vidro retangular com um comprimento de caminho óptico de dois milímetros com o gel aquecido. Deixe o gel esfriar. Em seguida, coloque uma esfera de aço de 0,5 milímetro de diâmetro no centro da superfície do gel.

Encha o resto da célula com gel aquoso aquecido da mesma maneira e deixe esfriar. Uma vez que a amostra aquosa de líquido ou gel tenha sido preparada, coloque a célula em um suporte de plástico no trilho óptico do sistema de imagem de infravermelho próximo. Para começar a preparar o sistema de imagem de infravermelho próximo, equipe uma lâmpada halógena com um guia de luz de fibra.

Coloque um filtro passa-banda estreito com o pico de transmitância em 1.150 nanômetros ou 1.412 nanômetros entre a guia de luz de fibra na célula. A 1.150 nanômetros e 1.412 nanômetros, a absorbância da água aumenta à medida que a temperatura da água aumenta. Coloque um filtro passa-banda com a faixa de transmissão mais ampla em torno do comprimento de onda escolhido entre a guia de luz de fibra da lâmpada halógena e o filtro passa-banda estreito.

Monte um diafragma de íris entre o filtro passa-banda estreito e o suporte da célula. Em seguida, configure uma câmera Near-IR alinhada com a célula de amostra. Fixe uma lente telecêntrica no espaço do objeto entre a célula e a câmera.

Ligue a câmera Near-IR, certifique-se de que a câmera esteja conectada a um computador e abra o software de aquisição de imagem. Ligue a lâmpada halógena, verifique a imagem exibida no monitor e ajuste a potência de saída da lâmpada conforme necessário. Ajuste o eixo, a posição e o foco da lente telecêntrica para obter uma imagem finamente detalhada da esfera de aço.

O ajuste do ativo óptico é importante para alcançar o sistema óptico telecêntrico a ser cuidadosamente feito para observar as imagens refletidas. Em seguida, prepare um sistema de aquecimento por indução que consiste em um gerador de alta frequência, uma serpentina refrigerada a água e um resfriador de água. Monte a bobina em um móvel XYZ stage.

Posicione a bobina sobre a célula de amostra, de modo que a distância entre o centro da bobina e a esfera de aço seja de aproximadamente 15 milímetros. Certifique-se de que nenhum outro componente metálico esteja próximo à bobina. Ligue o resfriador de água para o aquecedor por indução e inicie a circulação da água.

Certifique-se de que a taxa de quadros e o tempo de integração da câmera estejam definidos para os valores máximos disponíveis. Quando o aquecedor por indução estiver pronto, defina o número máximo de quadros a serem gravados, nomeie o arquivo de dados da imagem e comece a gravar imagens no software de aquisição de imagem. Ligue o aquecedor por indução pelo período de tempo desejado.

Permita que a aquisição de imagem seja executada pela duração definida ou interrompa manualmente a gravação após o período de tempo desejado. Salve as imagens em um formato não compactado, como uma sequência TIFF. Abra a sequência no software de processamento de imagem e converta as imagens salvas da intensidade da luz transmitida nas imagens de diferença de absorbância.

Colora as imagens com a gama de cores desejada. A temperatura pode então ser estimada a partir dessas imagens usando scripts de comando adicionais. O aumento da temperatura da água em torno de uma esfera de aço de dois milímetros de diâmetro aquecida por indução foi observado como uma mudança circularmente simétrica na absorbância em relação à imagem do infravermelho próximo antes do aquecimento.

A convecção livre foi observada após 1,2 segundos de aquecimento, sugerindo uma transição de um regime de condução térmica pura para um regime de convecção livre. Efeitos semelhantes foram observados em torno de uma esfera de aço de 0,5 milímetros de diâmetro aquecida por indução em xarope de maltose em três diferentes potências de aquecimento por indução. O raio e a magnitude da mudança na absorbância aumentaram com o aumento da potência.

A convecção livre não foi observada após 1,2 segundos. Na amostra de água, a magnitude da mudança na absorbância ao longo do tempo foi maior perto da esfera. Uma combinação de duas ou três funções gaussianas pode alcançar um bom ajuste para a relação entre absorbância e o raio do plano da imagem.

Resultados semelhantes são observados na amostra de gel. As funções ajustadas podem então ser transformadas na mudança de temperatura na água e no gel, assumindo que a condução térmica ocorre na direção radial e os perfis de temperatura são esfericamente simétricos. Os principais dispositivos para a medição de temperatura são uma câmera de infravermelho próximo, um filtro passa-banda estreito.

Uma vez preparados, o procedimento desde a configuração até a aquisição da imagem é facilmente feito por qualquer pesquisador. Esta técnica de imagem será aplicada não apenas ao aquecimento por indução, mas também a vários métodos de aquecimento. A temperatura e a geração de calor dentro de meios que nunca foram medidos diretamente até agora podem ser reveladas.