Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Nabij-infrarood temperatuur meting techniek voor het Water rondom een inductie-verwarmd kleine magnetische bol

Published: April 30, 2018 doi: 10.3791/57407
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 3
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

ERRATUM NOTICE

Summary

Een techniek met behulp van golflengten van 1150 en 1412 nm voor het meten van de temperatuur van het water rond een inductie-verwarmd kleine magnetische bol wordt gepresenteerd.

Abstract

Een techniek voor het meten van de temperatuur van het water en niet-troebel waterige media rondom een inductie-verwarmd kleine magnetische bol wordt gepresenteerd. Deze techniek maakt gebruik van golflengten van 1150 en 1412 nm, waartegen de absorptiecoëfficiënt van water is afhankelijk van de temperatuur. Water of een niet-troebel waterige gel met een 2.0- of 0,5-mm-diameter mm magnetische bol wordt bestraald met 1150 nm of 1412 nm invallende licht, als het geselecteerde met behulp van een smalle bandfilter filter; Bovendien zijn twee-dimensionale extinctie beelden, die de dwarse prognoses van de d'absorption acoustique zijn, verworven via een nabij-infrarood camera. Wanneer de driedimensionale verdelingen van de temperatuur worden aangenomen bolsymmetrisch dat kunnen, worden ze geschat door inverse die Abel transformeert naar de absorptie profielen toe te passen. De temperaturen waren waargenomen consequent veranderen al naar gelang de tijd en de macht van inductieverhitting.

Introduction

Een techniek voor het meten van de temperatuur in de buurt van een kleine warmtebron binnen een medium is vereist in veel gebieden van het wetenschappelijk onderzoek en toepassingen. Bijvoorbeeld, in het onderzoek naar de magnetische hyperthermie, oftewel een kanker therapie methode met behulp van elektromagnetische inductie van magnetische deeltjes of magnetische reepjes, is het essentieel om nauwkeurig te voorspellen de temperatuur distributies gegenereerd door de magnetische deeltjes1,2. Echter, hoewel magnetron3,4, echografie5,,6,,7,8, optoacoustic9, Raman10en magnetische resonantie11 ,12-gebaseerde temperatuur meettechnieken zijn onderzocht en ontwikkeld, die een innerlijke temperatuur verdeling kan niet nauwkeurig worden gemeten op dit moment. Tot nu toe zijn één-positie temperaturen of temperaturen op een paar posities gemeten via temperatuursensoren, die, in het geval van inductie verhitten, niet-magnetisch optische vezel temperatuur sensoren13,14. Anderzijds hebben de oppervlakte temperaturen van media op afstand gemeten via infrarood straling thermometers te schatten van de innerlijke temperaturen14. Echter wanneer een medium met een kleine warmtebron een laag water of een niet-troebel waterig medium is, hebben wij aangetoond dat een nabij-infrarood (NIR) absorptie techniek nuttig is voor het meten van de temperatuur15,16, 17,18,19. Dit document stelt de gedetailleerde protocol van deze techniek en representatieve resultaten.

De NIR Absorptie techniek is gebaseerd op het beginsel van de temperatuursafhankelijkheid van de bands van de absorptie van water in het NIR gebied. Zoals blijkt uit Figuur 1a, de ν1 + ν2 ν3 absorptie band van wordt water als de temperatuur in de 1100-nm tot 1250-nm (λ) golflengtebereik en verschuivingen voor kortere golflengtes waargenomen verhoogt19. Hier, ν1 + ν2 + ν3 betekent dat deze band komt met de combinatie van de drie fundamentele O-H trillingen modi overeen: symmetrische uitrekken (ν1), (ν buigen 2), en antisymmetrische (ν3)20,21uitrekken. Deze wijziging in het spectrum geeft aan dat de meest temperatuurgevoelig golflengte in de band λ ≈ 1150 nm is. Andere bands van de absorptie van water ook vertonen vergelijkbaar gedrag met betrekking tot de temperatuur15,16,17,18,20,21. De ν1 + ν3 band water waargenomen binnen het bereik λ = 1350−1500 nm en de temperatuursafhankelijkheid worden weergegeven in Figuur 1b. In de ν1 + ν3 band van water is 1412 nm de meest temperatuurgevoelig golflengte. Dus, is het mogelijk te verkrijgen van tweedimensionale (2D) temperatuur beelden met behulp van een NIR-camera opnamen van 2D extinctie op λ = 1150 of 1412 nm. Als de absorptiecoëfficiënt van water op λ = 1150 nm is kleiner dan dat bij λ = 1412 nm, de voormalige golflengte is geschikt voor ongeveer 10 mm dik-waterige media, terwijl de laatste is geschikt voor ongeveer 1 mm dik-ones. Onlangs, met behulp van λ = 1150 nm, kregen we de distributies van de temperatuur in een laag van 10 mm dik-water met een inductie-verwarmd 1-mm-diameter stalen bol19. Bovendien, de verdelingen van de temperatuur in een laag water van 0,5 mm dik zijn gemeten met behulp van λ = 1412 nm15,17.

Een voordeel van de NIR-gebaseerde temperatuur imaging techniek is dat het is eenvoudig te installeren en uit te voeren omdat het is een meettechniek transmissie-absorptie en geen fluorophore, fosfor of andere thermische sonde vergt. Daarnaast is zijnresolutie van de temperatuur lager dan 0,2 K15,17,19. Zo'n goede temperatuur resolutie kan niet worden bereikt door andere transmissie technieken op basis van interferometrie, die vaak werden gebruikt in de warmte- en massaoverdracht studies22,23,24. Wij merk echter op dat de NIR-gebaseerde temperatuur imaging techniek is niet geschikt in gevallen met aanzienlijke lokale temperatuurverandering, omdat de afbuiging van licht veroorzaakt door de grote temperatuur gradiënt wordt dominante19. Deze kwestie wordt aangeduid in deze paper in termen van praktische gebruik.

Dit witboek beschrijft de experimentele opzet en de procedure voor de NIR-gebaseerde temperatuur beeldvormende techniek voor een kleine magnetische bol verwarmd via inductie; Bovendien, presenteert het de resultaten van twee representatieve 2D extinctie beelden. Een beeld is van een 2.0-mm-diameter stalen bol in een 10,0-mm dik water laag die is gevangen bij λ = 1150 nm. Het tweede beeld is van een stalen bol van 0,5-mm-diameter in een 2.0-mm dik maltose siroop laag die is gevangen bij λ = 1412 nm. Dit document stelt ook de berekeningsmethode en de resultaten van de driedimensionale (3D) radiale verdeling van temperatuur door de inverse transformatie Abel (IAT) toe te passen op de absorptie van 2D-afbeeldingen. De IAT is geldig bij een 3D temperatuur verdeling wordt ervan uitgegaan dat bolsymmetrisch zoals in het geval van een verwarmde bol (Figuur 2)19. Voor de berekening van de IAT, is een functie van de multi-Gaussiaans montage methode werkzaam hier, omdat de IATs van Gauss functies kunnen worden verkregen analytisch25,26,27,28,29 en passen goed bij monotoon minderen gegevens; het gaat hierbij om experimenten met thermische geleiding van een interne warmtebron.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. experimentele opzet en Procedures

Bereiden een optische spoor te monteren een monster en optica voor NIR imaging-als volgt.

  1. Bereiding van de monsters.
    Opmerking: Wanneer u water of waterige vloeistof, 1.1.1 stap. Als u een waterige gel met hoge viscositeit, stap 1.1.2.
    1. Stalen bol instelling in water.
      1. Een stalen bol van 2.0-mm-diameter aan het einde van een dun plastic string met behulp van een kleine hoeveelheid lijm vast te stellen.
      2. Hang de stalen bol in het midden van de cel rechthoekig glas met een optische weglengte van 10.0 mm, een breedte van 10 mm en een hoogte van 45 mm (Figuur 3).
      3. Gefilterd water giet in de cel zorgvuldig om niet te produceren luchtbellen.
        Noot: Een stalen bol kan ook worden vastgesteld, naar het uiteinde van een dunne kunststof staaf met een kleine hoeveelheid lijm19.
    2. Stalen bol instelling in waterige gel.
      1. Verwarm een waterige gel ter vermindering van de viscositeit, zodanig dat het laag genoeg om het soepel worden gegoten.
      2. Met behulp van een injectiespuit, giet de waterige gel in een cel rechthoekig glas met een optische weglengte van 2.0 mm, een breedte van 10 mm en een hoogte van 45 mm tot half vol en laat het afkoelen.
      3. Plaats een 0,5-mm-diameter stalen bol in het midden van het oppervlak van de gel.
      4. Vul de cel met de waterige gel.
        Opmerking: Grotere bollen (> ~ 1 mm dia.) mag niet worden gebruikt met een gel omdat ze door zwaartekracht en/of magnetische krachten tijdens inductie verhitten bewegen zal.
    3. Stel de cel in een plastic houder en dit koppelen op de optische spoor (Figuur 3).
  2. Voorbereiding van NIR imaging systeem.
    1. Bereiden van een halogeenlamp met een fiber-lichtgeleider, en monteren van het einde van de vezel lichtgeleider met een houder op de optische spoor.
    2. Plaatst u een smalle bandfilter filter (NBPF) met een piek doorlating aan λ = 1150 nm of λ = 1412 nm tussen de lichtgeleider van vezel en de cel (Figuur 3).
    3. Rukten een ander bandfilter filter (BPF), wiens zendbereik van de golflengte breder dan die van de NBPF, tussen de halogeenlamp en de NBPF is.
      Opmerking: De BPF nodig is ter voorkoming van thermische schade aan de NBPF, omdat het licht rechtstreeks ontvangt.
    4. Rukten een iris diaphragm(s) in het licht pad tussen de houder van het NBPF en cel om het strooilicht (Figuur 3).
    5. Opzetten van een NIR-camera te detecteren het licht doorgegeven via de cel (Figuur 3). Sluit de camera via een kabel van de overdracht gegevens naar een grafische kaart met afbeelding acquisitie software in een personal computer (PC) is geïnstalleerd.
    6. Stel een telecentrische lens tussen de cel en de camera (Figuur 3).
      Opmerking: Een gemeenschappelijke cameralens kan ook worden gebruikt. Er is echter een telecentrische lens beter in termen van de selectieve detectie van de lichte parallel aan de chief vleug voor naar de IAT en vermindering van de invloed van diffractie.
      Opmerking: De NBPF en BPF moet niet worden geplaatst tussen de cel en de camera, omdat daarmee de temperatuur van het water via directe absorptie van hoge intensiteit licht van de halogeenlamp verhogen zou.
    7. Zet de camera NIR en start de afbeelding acquisitie software.
    8. Licht van de halogeenlamp en aanpassen van haar uitgangsvermogen observeren van de afbeelding weergegeven op het scherm (Figuur 4).
    9. Het aanpassen van de as, de positie, en de focus van de telecentrische lens om een prima beeld van de stalen bol te krijgen.
      Opmerking: Als de aanpassing niet compleet is, onregelmatige intensiteit patronen weergegeven, leidende tot onjuiste verticaal absorptie.
  3. Voorbereiding van inductie verwarming systeem.
    1. Bereiden van een inductie verwarming systeem dat bestaat uit een hoogfrequent generator (maximale uitgangsvermogen: 5,6 kW; frequentie: 780 kHz), watergekoelde spoel en water chiller.
      Opmerking: Een inductie verwarming systeem voor solderen, lassen en solderen van kleine metalen onderdelen is geschikt voor dit doel; Zie Tabel van materialen.
    2. Indien mogelijk, de spoel te monteren op een XYZ roerende stadium om haar positie te wijzigen.
    3. Plaats de spoel in de buurt van de cel, zodat de afstand tussen het midden van de spoel en de stalen bol ongeveer 15 mm (Figuur 3 is). Zorg ervoor dat er geen andere metalen delen in de buurt van de spoel zijn.
      Opmerking: De afstand moet worden aangepast afhankelijk van de kracht en de grootte van het gebied van inductieverhitting.
    4. Circuleren water voor koeling.
  4. Beeldacquisitie en inductie verhitten.
    1. Klik op "start" op de afbeelding acquisitie software voor het opslaan van de afbeeldingen opeenvolgend.
    2. Klik op "start" op de inductieverhitting controlesoftware om te beginnen de inductie verhitten.
    3. Na enkele seconden (afhankelijk van de omstandigheden en het doel), klikt u op "stop" op de afbeelding acquisitie software.
    4. Klik op "stop" op de inductieverhitting besturingssoftware.
    5. De tijdelijk opgeslagen afbeeldingen opslaan als een TIFF-reeks (of andere niet-gecomprimeerd formaat) op de afbeelding acquisitie software.
      Opmerking: Als de temperatuur hoog genoeg is, zal het effect van de lichte uitwijking verschijnen op de afbeelding7. De inductieverhitting macht moet worden gedaald naar behoren al experimenten zodanig zijn dat de stijging van de temperatuur in de buurt van het gebied minder dan ongeveer 10 K, die in de volgende stappen van het protocol voor de schatting van de temperatuur kan worden bevestigd.

2. image Processing en temperatuur schatting

Opmerking: De opgeslagen opeenvolgende beelden worden weergegeven als ikik(x, z), waar ik het framenummer sequentiële is. De coördinaten x, y, z, ren r' worden gedefinieerd als zijn aangegeven in Figuur 2; z is positief in de richting tegengesteld aan de zwaartekracht. De omtrek van de volgende stappen van het protocol wordt ook geïllustreerd in Supplement 1.

  1. Absorptie image wordt gemaakt.
    1. Open ikik(x, z) met het beeld processing software.
    2. Beperking van het lawaai in ikik(x, z) door de uitvoering van 3 × 3 pixel gemiddeld.
    3. Maken van een gemiddelde beeld van ikik(x, z) i = 1 tot en met 5 (of meer) voor verwarming en definiëren als de referentieafbeelding, ikr(x, z).
      Opmerking: Deze gemiddeld vermindert het lawaai om te verkrijgen van een betrouwbaarder beeld dan een enkel frame beeld.
    4. De opeenvolgende beelden van de extinctie verschil, Δ bouweneenik(x, z), via de volgende vergelijking:
      Equation 1(1)
      Opmerking: ΔAik(x, z) is de variatie in de extinctie, eenik(x, z) van de referentie-extinctie, eenr(x, z), voordat Verwarming, en wordt als volgt afgeleid van15,16,17,18,19:
      Equation 2(2)
      waar ik0 is de intensiteit van het invallende licht naar de cel.
    5. Het inkleuren van de Δeenik beelden met behulp van een geschikte kleurkaart zoals blauw-naar-rood.
      Opmerking: Het commando scriptbestand voor het uitvoeren van de stappen 2.1.2 via 2.1.5 voor ImageJ wordt gepresenteerd in Supplement 2.
  2. Schatting van de temperatuur.
    1. Kies de periode tijdens welke ΔAik(x, z) circulair symmetrisch ten opzichte van het middelpunt van de bol is door visueel waarnemen van de beelden.
      Opmerking: De circulaire symmetrie wordt gebroken voornamelijk door gratis convectie. Een beeld-gebaseerde Analytisch oordeel van gratis convectie voorkomende is geïntroduceerd in de vorige werk19; praktisch, echter de visuele beoordeling effectief.
    2. Uittreksel van de ΔAik(ʹ vanr, θ) gegevens langs 360 straalsgewijze lijnen (Δθ = 1˚) op de beelden van Δeenik(x, z).
    3. Uitsluiten van de Δeenik(ʹ vanr, θ) gegevens binnen de sfeer en in de nabijheid (Δrʹ≈ 0,2 mm). Opmerking: De gegevens zijn anomalously zeer klein of groot in de buurt voornamelijk vanwege de lichte beweging van de bol.
    4. Gemiddelde Δeenik(ʹ vanr, θ) over θ om te bepalen van het profiel van de lijn, Δeenik(rʹ).
      Opmerking: Het commando scriptbestand voor het uitvoeren van de stappen 2.2.2 via 2.2.4 voor ImageJ wordt gepresenteerd in Supplement 3.
    5. Onderlinge aanpassing van de gegevens van ΔAik(rʹ) door de volgende multi-Gaussiaans functie:
      Equation 3(3)
      waar eenj is de wegingsfactor σj is de parameter dispersie en R is de maximale waarde van rʹ waar ΔAik(R) = 0 kan worden aangenomen.
    6. Bereken het verschil absorptie coëfficiënt, Δµik(r), te vervangen door de verkregen N, eenjen σj in de volgende IAT van Eq. (3):
      Equation 4(4)
      waar EVF is de error-functie.
    7. Δµik(r) omzetten in temperatuur via de volgende vergelijking:
      Equation 5(5)
      de coëfficiënten van de temperatuur van het water, αf, die 4.0 × 10-3 K-1 mm-1 voor λ = 1150 nm19 en 4.1 × 10-3 K-1 mm-1 voor λ = 1412 nm17.
      Opmerking: Het commando scriptbestand voor het uitvoeren van de stappen 2.2.5 via 2.2.7 wordt gepresenteerd in Supplement 4, waar de Levenberg-Marquardt niet-lineaire kleinste kwadraten algoritme17,19 voor stap 2.2.5 werkzaam is.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Beelden van ΔAik(x, z) op λ = 1150 nm voor een 2.0-mm-diameter van de stalen bol in water en bij λ = 1412 nm voor een stalen bol van 0,5-mm-diameter in maltose siroop worden gepresenteerd in Figuur 5een en Figuur 6een, respectievelijk. In beide gevallen was het gebied gelegen 12 mm onder de onderkant van de spoel langs de centrale as. Figuur 5 b en Figuur 6b vertonen de ΔA(rʹ) data en hun functies multi-Gaussiaans ingerichte Eq. (3) met R = 3,0 mm en R = 1,5 mm, respectievelijk. Niet meer dan twee of drie Gaussian functies (N = 2 of 3) zijn nodig om een goede fit17,-19. De ingerichte functies werden vervolgens omgevormd tot ΔT(r) profielen via MKN. (4) en (5), en worden gepresenteerd in Figuur 5c en Figuur 6c.

De ΔA beelden in beide gevallen duidelijk tonen een toename in de temperatuur van het water en gel rond de bol als gevolg van thermische geleiding. De circulaire symmetrie van ΔA met betrekking tot het gebied wordt waargenomen in alle beelden. De percelen en de curven in Figuur 5c geven aan dat ΔA(rʹ) met de tijd op afstanden die het dichtst bij de sfeer toeneemt; op rʹ≥ 2.5 mm, geen belangrijke verandering wordt geconstateerd. Bovendien, Controleer de ΔT(r) profielen verkregen via de IAT of het voorkomen van thermische geleiding in de radiale richting. Merk op dat, hoewel de ΔT(r)-profielen lijken vergelijkbaar met die van ΔA(rʹ), de wijzigingen in het dΔT(r) /dr verloop van die van de ΔA(rʹ) profielen verschillen . In Figuur 6, de omvang van ΔA zijn gevonden overeen moeten komen met de verwarming macht niveaus, dat wil zeggen, warmte generatie tarieven van de bol.

Resultaten voor de 0,5-mm-diameter bol tonen aan dat gratis convectie, die de circulaire patroon in ΔA verstoort, niet in acht werd genomen na t = 1.2 s. daarentegen voor de 2.0-mm-diameter bol in water, gratis convectie werd gevonden moet worden uitgevoerd nadat t = 1.2 s (niet afgebeeld). Dit betekent dat een overgang van een zuivere thermische geleiding regime naar een regime van vrije convectie kan hebben plaatsgevonden in het water op ongeveer t = 1.2 s. Dit verschil in gratis convectie werd veroorzaakt door de verschillen in de generatie warmteverbruik en de viscositeit. Het warmteverbruik van de generatie van de 0,5-mm-diameter bol was aanzienlijk kleiner zijn dan die van de 2.0-mm-diameter bol; Bovendien is de viscositeit van de maltose stroop (ongeveer 100 Pa·s) was aanzienlijk hoger dan die van water (ongeveer 0,001 Pa·s). Omdat gratis convectie is een belangrijk onderwerp in de warmte- en massaoverdracht onderzoek, de voorgestelde beeldvormende techniek, waarmee de begin tijd van gratis convectie en patroon van de thermische pluim en levert informatie over de fysieke omstandigheden inducerende gratis convectie, zal aanzienlijk bijdragen aan onderzoek op dit gebied.

Figure 1
Figuur 1 : Temperatuursafhankelijkheid van NIR Absorptie spectrum van water. (a, b) Band absorptiespectra water bij temperaturen van 16.0 ° C (blauw) tot 44.0 ° C (rood) in stappen van 4,0 ° C in golflengte reeksen van 1100-1250 nm en 1350-1500 nm, respectievelijk. De pijlen geven de richting van de stijging van de temperatuur. De inzetstukken Toon de extinctie verschil spectra; de spectra van de extinctie bij 16.0 ° C zijn de verwijzingen. De optische weglengte van lengtes zijn 10 mm en 1,0 mm in (a) en (b), respectievelijk. De verticale stippellijnen temperatuurgevoelige golflengten van 1150 nm en 1412 nm gebruikt voor het verkrijgen van de NIR-beelden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2 : Coördinatensysteem en de geometrie voor extinctie imaging. Gereproduceerd van Kakuta et al. 201719 met toestemming van AIP Publishing. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3 : Experimentele opzet. (a) schema van het optische systeem en installatie van inductieverhitting. Zie tekst voor meer informatie. Dit cijfer is gewijzigd van Kakuta et al. 201719 met toestemming van AIP Publishing. (b) foto van de experimentele opstelling. (c) foto toont een 2.0-mm-diameter stalen bol opgehangen door een tekenreeks, cel, en spoel met een schaal. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4 : Raw-beelden verworven. (a, b) Verzonden intensiteit beelden, ik(x, z), at λ = 1150 nm voor een 2.0-mm-diameter van de stalen bol in water en λ = 1412 nm voor een stalen bol van 0,5-mm-diameter in maltose siroop, respectievelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. 

Figure 5
Figuur 5 : Absorptie beelden en temperatuurprofielen voor een 2.0-mm-diameter van de stalen bol in water. (a) ΔA(x, z) beelden op λ = 1150 nm en t = 0.4, 0.8 en 1.2 s na het begin van inductieverhitting. (b) percelen ΔA(r-ʹ) en hun multi-Gaussiaans past (solide curven). (c) ΔT(r) profielen verkregen door het uitvoeren van IATs op ΔA(rʹ). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6 : Absorptie beelden en temperatuurprofielen voor een stalen bol van 0,5-mm-diameter in maltose siroop. (a) ΔA(x, z) beelden op λ = 1412 nm en t = 0.4, 0.8 en 1.2 s na het begin van inductieverhitting voor de verwarming macht niveaus van 10%, 30% en 50%. (b) percelen ΔA(r-ʹ) en hun multi-Gaussiaans past (solide curven) voor 50%. (c) ΔT(r) profielen verkregen door het uitvoeren van IATs op ΔA(r-ʹ) voor 50%. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. 

Supplemental Figure 1
Vullen van 1: Overzicht van beeldverwerking. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Supplemental Figure 2
Vullen van 2: -Opdrachtscriptbestand voor extinctie afbeelding bouw (macro voor ImageJ). Klik hier om dit bestand te downloaden.

Supplemental Figure 3
Aanvulling 3: -Opdrachtscriptbestand voor lijn profiel extractie (macro voor ImageJ). Klik hier om dit bestand te downloaden.

Supplemental Figure 4
Aanvulling 4: MATLAB code voor multi-Gaussiaans montage en inverse transformatie van Abel. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De techniek in deze paper gepresenteerd is een roman een met behulp van de temperatuursafhankelijkheid van NIR Absorptie van water en presenteert geen aanzienlijke problemen bij het opzetten van de nodige apparatuur en uitvoering. Het invallende licht kan gemakkelijk worden geproduceerd met behulp van een halogeenlamp en een NBPF. Nochtans, lasers niet worden gebruikt, omdat samenhangende interferentie patronen op de beelden verschijnen zou. Gemeenschappelijke optische lenzen en glas cellen voor zichtbaar licht gebruik kunnen worden gebruikt, zoals ze een voldoende hoeveelheid licht aan λ overbrengen = 1150 nm en 1412 nm. Bovendien kunnen InGaAs camera's nu worden gekocht tegen een relatief goedkope prijs.

De NBPFs op λ = 1150 nm en 1412 nm zijn beschikbaar door semi-maat, maar ze zijn niet overdreven duur. Als er een kant en klare NBPF op een verschillende golflengte, die moet binnen het golflengtebereik van de temperatuur-afhankelijke (Figuur 1), kan het in plaats daarvan worden gebruikt hoewel de temperatuur gevoeligheid, of αf, zou kunnen verlagen. Bijvoorbeeld, de αf -waarde bij λ = 1175 nm is de helft van dat λ = 1150 nm. Bovendien, de bandbreedte of de scherpte van de NBPF beïnvloedt αf; Aangezien de bandbreedte stijgt, vermindert αf 15. Dus, wanneer de nauwkeurige schatting van ΔT(r) vereist is, het spectrum van de doorlaatbaarheid van de NBPF moet worden gemeten met een spectrofotometer.

Zoals vermeld in stap 1.4 van het protocol, omdat de brekingsindex van het water met de temperatuur, licht varieert, stralen door het veld van de temperatuur rond een bol worden afgebogen, waardoor veranderingen in de ΔA(x, z) beelden. Dit probleem werd onderzocht in onze eerdere werk19. Volgens de resultaten via deze studie, zolang de maximale temperatuur in de buurt van het gebied redelijk klein is (< 10 K, ongeveer), de bijdrage van de lichte uitwijking tot de verandering van ΔA(x, z) te verwaarlozen kan worden of voldoende kleiner dan die van de absorptie van het licht, omdat het licht onsamenhangend is en een bepaalde doorbuiging hoek wordt geaccepteerd door de stop van de diafragma van de lens telecentrische; Dit betekent dat de bolle stralen het diafragma passeren en de focus op hetzelfde punt in het beeldvlak als de belangrijkste ray30. Echter, gezien dit, het diafragma stoppen moet worden zorgvuldig aangepast zodanig dat de hoek van de aanvaarding van de telecentrische lens iets groter dan de voorspelde doorbuiging hoek is. Trial-and-error aanpassingen kunnen nodig zijn voor het eerste experiment.

Afbeelding verwerking in stap 2.1 van het protocol en het berekenen van de IAT in stap 2.2 vereist geen geavanceerde wiskundige kennis. Stap 2.1 kan gemakkelijk worden uitgevoerd met gemeenschappelijk beeld processing software die TIFF-bestanden met reeksen behandelen kan. In stap 2.2.2, als de profielen van de lijn op verschillende hoeken kunnen niet automatisch worden verkregen met behulp van opdrachtscripts, een enkellijns profiel handmatig gewonnen op beeld processing software kan in plaats daarvan worden gebruikt, hoewel schommelingen als gevolg van geluiden niet worden verlaagd.

Wanneer u een waterig medium, moet haar watergehalte, molaire fractie, worden bekend of gemeten, met name voor een nauwkeurige schatting van ΔT, omdat αf hangt af van het watergehalte. Met andere woorden, als de coëfficiënten van de absorptie van waterige opgeloste stoffen en gel substraten, afhangen van weinig op temperatuur is de temperatuur gevoeligheid bijna evenredig aan het watergehalte. Als het watergehalte bekend is zeer hoog, als met waterige vloeistoffen, kan praktisch de αf -waarde van water gezien in dit document worden gebruikt. Anders, te vermenigvuldigen met de αf waarde van water door de voorspelde of gemeten vochtgehalte, dat wil zeggen, vermindering van de αf, effectief kan zijn voor een voldoende nauwkeurige schatting.

Gezien de temperatuur detectiegrens (~0.2 K) en de ruimtelijke resolutie (~ 30 µm; dit hangt af van de pixelgrootte van de en vergroting), is het onmogelijk voor de gepresenteerde techniek om te ontdekken een minuut temperatuurstijging veroorzaakt door enkele micro - en nano-magnetische deeltjes verwarmd inductief. Echter, als een groot aantal deeltjes kan worden geaggregeerd, in een capsule opgenomen of in een dunne buis stroomde, de temperatuur zou toenemen over het niveau van detectie. In het onderzoek naar de magnetische hyperthermie, eigenlijk zijn dergelijke samenvoeging of selectieve adsorptie van magnetische nanodeeltjes tot kankercellen en de resulterende temperaturen belangrijk en onderzocht. Vandaar, de gepresenteerde techniek naar verwachting worden gebruikt voor in vitro experimenten met magnetische hyperthermie studies en andere toepassingen met behulp van magnetische deeltjes. Sferische symmetrie in de verdeling van de temperatuur mag niet worden verkregen in deze toepassingen, maar de 2D-afbeeldingen zal volstaan om de onderzoekers te informeren over de temperatuur, het nummer en verdeling van de deeltjes, en de prestaties van de verwarming.

De gepresenteerde techniek kan worden gebruikt om te evalueren van de magnetische velden die worden gebruikt in verschillende magnetische toepassingen31,32. In het algemeen, magnetische velden geproduceerd door spoelen zijn erg ingewikkeld, en kan niet worden precies gemeten of theoretisch voorspelde. Echter, zoals blijkt uit onze eerdere werk19, de temperaturen en de warmte generatie tarieven van een magnetische bol op verschillende posities onder verschillende spoel stromingen kunnen worden verkregen door onze techniek. De ruimtelijke spreiding van de generatie warmteverbruik moet overeenkomen met het magnetisch veld. Tot slot kan de gepresenteerde techniek worden geïmplementeerd, niet alleen voor de elektromagnetische inductie, maar ook voor echografie gericht, chemische reacties in druppels en andere methoden van lokale verwarming.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs bedanken Mr. Kenta Yamada, Mr. Ryota Fujioka en Mr. Mizuki Kyoda voor hun steun op de experimenten en data-analyses. Dit werk werd gesteund door JSPS KAKENHI Grant nummer 25630069, de Suzuki Foundation, en de nauwkeurige meting technologie promotie Foundation, Japan.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Induction heating system CEIA, Italy SPW900/56 780 kHz, 5.6 kW (max).
Coil SA-Japan custom Water-cooled copper tube; two-turn; outer dia. 28 mm.
Water chiller Matsumoto Kikai, Japan MP-401CT
Halogen lamp Hayashi Watch-Works, Japan LA-150UE-A
Narrow bandpass filter for λ = 1150 nm Andover 115FS10-25 Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.
Narrow bandpass filter for λ = 1412 nm Andover semi-custom Full width at half-maximum (FWHM): 10 nm.
Bandpass filter for λ = 850−1300 nm Spectrogon SP-1300
Bandpass filter for λ = 1100−2000 nm Spectrogon SP-2000
NIR camera FLIR Systems Alpha NIR InGaAs
Image acquisition software FLIR Systems IRvista
Image processing software NIH ImageJ ver. 1.51r
Image processing software MathWorks Matlab ver. 2016a
Telecentric lens Edmond Optics 55350-L X1
Steel sphere (0.5 mm dia.) Kobe Steel, Japan Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
Steel sphere (2.0 mm dia.) Kobe Steel, Japan Fe-1.5Cr-1.0C-0.4Mn (wt %)
Maltose syrup as aqueous gel Sonton, Japan Mizuame Food product

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Physics of Thermal Therapy. Moros, E. G. , CRC Press. (2012).
  2. Périgo, E. G., Hemery, G., Sandre, O., Ortega, D., Garaio, E., Plazaola, F., Teran, F. J. Fundamentals and advances in magnetic hyperthermia. Appl Phys Rev. 2, 041302 (2015).
  3. Bardati, F., Marrocco, G., Tognolatti, P. Time-dependent microwave radiometry for the measurement of temperature in medical applications. IEEE Trans Microwave Theo Tech. 52, 1917-1924 (2004).
  4. Levick, A., Land, D., Hand, J. Validation of microwave radiometry for measuring the internal temperature profile of human tissue. Meas Sci Technol. 22, 065801 (2011).
  5. Daniels, M. J., Varghese, T., Madsen, E. L., Zagzebski, J. A. Non-invasive ultrasound-based temperature imaging for monitoring radiofrequency heating-phantom results. Phys Med Biol. 52, 4827 (2007).
  6. Daniels, M. J., Varghese, T. Dynamic frame selection for in vivo ultrasound temperature estimation during radiofrequency ablation. Phys Med Biol. 55, 4735 (2010).
  7. Seo, C. H., Shi, Y., Huang, S. -W., Kim, K., O'Donnell, M. Thermal strain imaging: A review. Interface Focus. 1, 649-664 (2011).
  8. Bayat, M., Ballard, J. R., Ebbini, E. S. Ultrasound thermography: A new temperature reconstruction model and in vivo results. AIP Conf Proc. 1821, 060004 (2017).
  9. Petrova, E., Liopo, A., Nadvoretskiy, V., Ermilov, S. Imaging technique for real-time temperature monitoring during cryotherapy of lesions. J Biomed Opt. 21, 116007 (2016).
  10. Gardner, B., Matousek, P., Stone, N. Temperature spatially offset Raman spectroscopy (T-SORS): Subsurface chemically specific measurement of temperature in turbid media using anti-Stokes spatially offset Raman spectroscopy. Anal Chem. 88, 832-837 (2016).
  11. Yoshioka, Y., Oikawa, H., Ehara, S., Inoue, T., Ogawa, A., Kanbara, Y., Kubokawa, M. Noninvasive measurement of temperature and fractional dissociation of imidazole in human lower leg muscles using 1H-nuclear magnetic resonance spectroscopy. J Appl Physiol. 98, 282-287 (2004).
  12. Galiana, G., Branca, R. T., Jenista, E. R., Warren, W. S. Accurate temperature imaging based on intermolecular coherences in magnetic resonance. Science. 322, 421-424 (2008).
  13. Rapoport, E., Pleshivtseva, Y. Optimal Control of Induction Heating Processes. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2006).
  14. Lucía, O., Maussion, P., Dede, E. J., Burdío, J. M. Induction heating technology and its applications: Past developments, current technology, and future challenges. IEEE Trans Ind Electron. 61, 2509-2520 (2014).
  15. Kakuta, N., Kondo, K., Ozaki, A., Arimoto, H., Yamada, Y. Temperature imaging of sub-millimeter-thick water using a near-infrared camera. Int J Heat Mass Trans. 52, 4221-4228 (2009).
  16. Kakuta, N., Fukuhara, Y., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Temperature imaging of water in a microchannel using thermal sensitivity of near-infrared absorption. Lab Chip. 11, 3479-3486 (2011).
  17. Kakuta, N., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Reconstruction of cross-sectional temperature distributions of water around a thin heating wire by inverse Abel transform of near-infrared absorption images. Int J Heat Mass Trans. 77, 852-859 (2014).
  18. Kakuta, N., Yamashita, H., Kawashima, D., Kondo, K., Arimoto, H., Yamada, Y. Simultaneous imaging of temperature and concentration of ethanol-water mixtures in microchannel using near-infrared dual-wavelength absorption technique. Meas Sci Technol. 27, 115401 (2016).
  19. Kakuta, N., Nishijima, K., Kondo, K., Yamada, Y. Near-infrared measurement of water temperature near a 1-mm-diameter magnetic sphere and its heat generation rate under induction heating. J Appl Phys. 122, 044901 (2017).
  20. Libnau, F. O., Kvalheim, O. M., Christy, A. A., Toft, J. Spectra of water in the near- and mid-infrared region. Vib Spectrosc. 7, 243-254 (1994).
  21. Siesler, H. W., Ozaki, Y., Kawata, S., Heise, H. M. Near-Infared Spectroscopy. , Wiley-VCH. (2002).
  22. Shakher, C., Nirala, A. K. A review on refractive index and temperature profile measurements using laser-based interferometric techniques. Opt Laser Eng. 31, 455-491 (1999).
  23. Assebana, A., Lallemanda, M., Saulniera, J. -B., Fominb, N., Lavinskaja, E., Merzkirchc, W., Vitkinc, D. Digital speckle photography and speckle tomography in heat transfer studies. Opt Laser Technol. 32, 583-592 (2000).
  24. Ambrosini, D., Paoletti, D., Spagnolo, S. G. Study of free-convective onset on a horizontal wire using speckle pattern interferometry. Int J Heat Mass Trans. 46, 4145-4155 (2003).
  25. Bracewell, R. N. The Fourier Transform and Its Applications. , McGraw-Hill. (2000).
  26. Yoder, L. M., Barker, J. R., Lorenz, K. T., Chandler, D. W. Ion imaging the recoil energy distribution following vibrational predissociation of triplet state pyrazine-Ar van der Waals clusters. Chem Phys Lett. 302, 602-608 (1999).
  27. De Colle, F., de Burgo, C., Raga, A. C. Diagnostics of inhomogeneous stellar jets: convolution effects and data reconstruction. Astron Astrophys. 485, 765-772 (2008).
  28. Green, K. M., Borrás, M. C., Woskov, P. P., Flores, G. J., Hadidi, K., Thomas, P. Electronic excitation temperature profiles in an air microwave plasma torch. IEEE Trans Plasma Sci. 29, 399-406 (2001).
  29. Bendinelli, O. Abel integral equation inversion and deconvolution by multi-Gaussian approximation. Astrophys J. 366, 599-604 (1991).
  30. Dorband, B., Muller, H., Gross, H. Vol. 5 Metrology of Optical Components and Systems. Handbook of Optical System. Gross, H. , Wiley-VCH. (2012).
  31. Sheikholeslami, M., Rokni, H. B. Simulation of nanofluid heat transfer in presence of magnetic field: A review. Int J Heat Mass Trans. 115, 1203-1233 (2017).
  32. Häfeli, U., Schütt, W., Teller, J., Zborowski, M. Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers. , Springer Science and Business Media. (2013).

Tags

Engineering imaging kwestie 134 Near-infrared temperatuur inductie verwarming water absorptie magnetische gebied.

Erratum

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

Nabij-infrarood temperatuur meting techniek voor het Water rondom een inductie-verwarmd kleine magnetische bol
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kakuta, N., Nishijima, K., Han, V.… More

Kakuta, N., Nishijima, K., Han, V. C., Arakawa, Y., Kondo, K., Yamada, Y. Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere. J. Vis. Exp. (134), e57407, doi:10.3791/57407 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter