Представлена методика использования волн 1150 и 1412 Нм для измерения температуры воды вокруг индукции подогреваемый маленький магнитный шар.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Представлена методика использования волн 1150 и 1412 Нм для измерения температуры воды вокруг индукции подогреваемый маленький магнитный шар.
Представлен способ измерения температуры воды и не мутная водных сред, окружающих индукции подогреваемый маленький магнитный шар. Этот метод использует длин волн 1150 и 1412 Нм, при котором коэффициент поглощения воды зависит от температуры. Воду или не мутная водный гель, содержащий 2,0 мм или 0,5 мм магнитный шар облученного с 1150 Нм или 1412 Нм падающего света, как выбранные с помощью узкого полосовой фильтр; Кроме того двумерных поглощение изображений, которые являются поперечной проекции коэффициента поглощения, приобретаются через ближней инфракрасной камеры. Когда предполагается, что трехмерное распределение температуры может быть сферически симметричны, они оцениваются путем применения обратное, что превращает Абель поглощения профили. Температуры наблюдались с постоянно изменяются в зависимости от времени и индукции, мощность нагрева.
Техника для измерения температуры вблизи источников тепла небольшой в среде требуется во многих областях научных исследований и приложений. Например, в исследовании по магнитной гипертермия, который является метод лечения рака с помощью электромагнитной индукции магнитных частиц, или магнитные небольшие, очень важно точно предсказать распределение температуры, порожденных магнитных частицы1,2. Однако хотя Микроволновая печь3,4, УЗИ5,6,7,8, Оптоакустическая9, Раман10и магнитного резонанса11 ,12-методы измерения температуры на основе были исследованы и разработаны, такое распределение температуры внутри невозможно точно измерить в настоящее время. До настоящего времени сингл позиция температуры или температуры на несколько позиций были измерены через датчики температуры, которые, в случае индукционного нагрева, магнитно-оптических волокон температуры датчики13,14. Кроме того температуры поверхности СМИ удаленно были измерены посредством инфракрасного излучения Термометры для оценки внутренней температуры14. Однако когда носитель, содержащий источник тепла небольшой слой воды или не мутная водной среде, мы продемонстрировали, что ближней ИК-области спектра (NIR) поглощения полезен для измерения температур15,16, 17,18,19. Этот документ представляет подробный протокол этой техники и представительных результатов.
NIR поглощения методика основана на принципе зависимость температуры полос поглощения воды в регионе НДК. Как показано на рисунке 1a, ν1 + ν2 + ν3 полосы поглощения воды наблюдается в 1100 Нм в диапазоне длин волн 1250 Нм (λ) и переход на более короткие длины волн температуры увеличивает19. Здесь, ν1 +2 νи ν3 означает, что эта группа соответствует сочетанию трех основных режимов вибрации O-H: симметричный растяжения (ν1), изгиб (ν 2) и антисимметричный растяжения (ν3)20,21. Это изменение в спектре указывает, что длина волны наиболее чувствительных к температуре в диапазоне λ ≈ 1150 Нм. Другие полосы поглощения воды также проявлять аналогичное поведение в отношении температуры15,16,17,18,,2021. Ν1 +3 полосами νводы наблюдается в пределах диапазона λ = 1350−1500 Нм и его зависимость от температуры показано на рисунке 1b. В ν1 +3 полосами νводы 1412 Нм-волны наиболее чувствительных к температуре. Таким образом, это позволяет получить изображения двухмерный (2D) температуры, с использованием NIR камеры для захвата изображения 2D поглощения при λ = 1150 или 1412 Нм. Как коэффициент поглощения воды при λ = 1150 Нм меньше, что при λ = 1412 Нм, бывший волны подходит для приблизительно 10-мм толщиной водных сред, в то время как последний подходит для приблизительно из них толщиной 1 мм. Недавно, используя λ = 1150 Нм, мы получили распределение температуры в слое воды толщиной 10 мм, содержащий индукционного подогрева диаметром 1 мм Стальная сфера19. Кроме того, распределение температуры в слое толщиной 0,5 мм воды были измерены с помощью λ = 1412 Нм15,17.
Преимуществом до температуры на основе NIR изображений техника является простой установки и осуществить, потому что это метод измерения передачи поглощения и потребности не Флюорофор, фосфора или других тепловой зонд. Кроме того его разрешение температуры меньше 0.2 K15,17,19. Такой хороший температуры резолюции нельзя достичь другими методами передачи на основе интерферометрии, часто используемые в тепло- и массообмена исследования22,23,24. Однако, мы отмечаем, что на основе NIR температура изображений техника не подходит в тех случаях, с изменением значительной местной температуры, потому что отклонение света вызвано большой градиент температуры становится доминирующим19. Этот вопрос упоминается в этом документе, с точки зрения практического использования.
Этот документ описывает экспериментальной установки и процедуры для изображений техники на основе NIR температуры для небольшой магнит-шар нагревается через индукции; Кроме того он представляет результаты два представителя поглощения 2D изображения. Одно изображение имеет стального шара диаметром 2,0 мм в слое воды толщиной 10.0 мм, возникающий при λ = 1150 Нм. Второе изображение — стальной сферы диаметром 0,5 мм в слое сироп мальтозный толщиной 2,0 мм, возникающий при λ = 1412 Нм. Этот документ также представляет метод расчета и результаты трехмерного (3D) радиального распределения температуры, применяя обратное преобразование Абеля (IAT) для изображений 2D поглощения. IAT является действительным, когда предполагается, что распределение 3D температуры является сферически симметричной, как и в случае с подогревом сфера (рис. 2)19. Для расчета IAT multi Гауссова функция фитинг метод работает здесь, потому что СМАП Гаусса функций могут быть получены аналитически25,26,27,28,29 и подходят также для монотонно уменьшается данных; Это включает в себя эксперименты, используя теплопроводности от источника одного тепла.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
1. экспериментальной установки и процедуры
Подготовьте оптических железнодорожные смонтировать образца и оптика для NIR изображений следующим образом.
2. обработка изображений и оценки температуры
Примечание: Сохраненные последовательные изображения представлены как яя(x, z), где количество последовательных кадров . Координаты x, y, z, rи r' определяются как указано на рисунке 2; z является положительным в направлении, противоположном гравитации. План действия протокола также иллюстрируется в дополнение 1.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Изображения ΔA,i(x, z) при λ = 1150 Нм для стального шарика диаметром 2,0 мм в воде и на λ = 1412 Нм для стального шарика-диаметром 0,5 мм в мальтозный сироп представлены в рисунке 5 и Рисунок 6, соответственно. В обоих случаях сфере был расположен 12 мм ниже нижней части катушки вдоль центральной оси. Рисунок 5
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Техника, представленных в настоящем документе роман, используя зависимость температуры NIR поглощения воды и не значительные трудности в создании необходимого оборудования и осуществления. Падающего света могут быть легко изготовлены с помощью галогенной лампой и NBPF. Однако нельзя использовать лазеры, потому что шаблонов последовательного вмешательства будет появляться на изображениях. Общие оптических линз и стеклянные кюветы для использования видимого света может использоваться, как они передают достаточное количеств...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы не имеют ничего сообщать.
Авторы благодарят г-н Kenta Ямада, г-н Ryota Фудзиока и г-н Мидзуки Кьёда за их поддержку на эксперименты и анализа данных. Эта работа была поддержана JSP-страницы KAKENHI Грант номер 25630069, Suzuki Foundation и Фонд поощрения технологии точного измерения, Япония.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Индукционная система обогрева | CEIA, Италия | SPW900/56 | 780 кГц, 5,6 кВт (макс.). |
| Катушка | SA-Japan | custom | Медная трубка с водяным охлаждением; двухвитковая; наружный диаметр 28 мм. |
| Охладитель воды | Matsumoto Kikai, Япония | MP-401CT | |
| Галогенная лампа | Hayashi Watch-Works, Япония | LA-150UE-A | |
| Узкополосовый фильтр для λ = 1150 нм | Andover | 115FS10-25 | Полная ширина при полумаксимальном (FWHM): 10 нм. |
| Узкополосный фильтр для λ = 1412 нм | Andover | semi-custom | Full width at half-maximum (FWHM): 10 нм. |
| Полосовой фильтр для λ = 850− 1300 нм | Spectrogon | SP-1300 | |
| Полосовой фильтр для λ = 1100− 2000 нм | Spectrogon | SP-2000 | |
| NIR камера | FLIR Systems | Alpha NIR | InGaAs |
| Программное обеспечение для получения изображений | FLIR Systems | IRvista | |
| Программное обеспечение для обработки изображений | NIH | ImageJ | ver. 1.51r |
| Программное обеспечение для обработки изображений | MathWorks | Matlab | ver. 2016a |
| Телецентрический объектив | Edmond Optics | 55350-L | X1 |
| Стальная сфера (диаметр 0,5 мм) | Kobe Steel, Япония | Fe-1,5Cr-1,0C-0,4Mn (масс.%) | |
| Стальная сфера (диаметр 2,0 мм) | Kobe Steel, Япония | Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (масс.%) | |
| Мальтозный сироп в виде водного геля | Sonton, Япония | Mizuame | Food продукт |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
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