Waiting
Login processing...

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

Engineering

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

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

Uma técnica que utiliza comprimentos de onda de 1150 e 1412 nm para medir a temperatura da água ao redor de uma esfera magnética pequena aquecida a indução é apresentada.

Abstract

É apresentada uma técnica para medir a temperatura da água e não-turvo meios aquosos em torno de uma esfera magnética pequena aquecida a indução. Esta técnica utiliza comprimentos de onda de 1150 e 1412 nm, na qual o coeficiente de absorção de água é dependente da temperatura. Água ou um não-turvo gel aquoso contendo uma esfera magnética de 2,0 mm ou 0.5-mm de diâmetro é irradiado com 1150 nm ou 1412 luz incidente nm, como selecionado usando um filtro passa-banda estreita; Além disso, imagens de absorvância bidimensional, que são as projeções transversais do coeficiente de absorção, são adquiridas através de uma câmera de infravermelho próximo. Quando a distribuição tridimensional de temperatura pode ser considerada esfericamente simétrica, eles são estimados aplicando o inverso que transforma Abel para os perfis de absorvância. As temperaturas foram observadas para mudar constantemente de acordo com o tempo e a poder de aquecimento por indução.

Introduction

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 de1,2. No entanto, apesar de microondas3,4, ultra-som5,6,7,8, optoacoustic9, Raman10e ressonância magnética11 ,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 sensores13,14. 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 de15,16, 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 de20,(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 temperatura15,16,17,18,20,21. 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 nm15,17.

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 K15,17,19. 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 estudos22,23,24. 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 analiticamente25,26,,27,28,29 e ajuste bem a diminuir monotonicamente dados; Isso inclui experimentos empregando condução térmica de uma fonte de calor única.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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, eur(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, Δumeu(x, z), através da seguinte equação:
      Equation 1(1)
      Nota: ΔAeu(x, z) é a variação no valor da absorvância, umeu(x, z), o valor de absorvância de referência, umr(x, z), antes de aquecimento e é derivada da seguinte forma,15,16,17,18,19:
      Equation 2(2)
      onde eu0 é a intensidade da luz incidente para a célula.
    5. Colori as Δumeu 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 ΔAeu(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 ΔAeu(ʹr, θ) dados ao longo de 360 linhas radiais (Δθ = 1˚) sobre as imagens Δumeu(x, z).
    3. Excluir os Δumeu(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 Δumeu(ʹr, θ) com θ para determinar o perfil de linha, Δumeu(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 ΔAeu(rʹ) pela seguinte função multi-Gaussian:
      Equation 3(3)
      onde j é o factor de ponderação, σj é o parâmetro dispersão e R é o número máximo de ʹ ronde ΔAeu(R) = 0 pode ser assumido.
    6. Calcule a diferença de coeficiente de absorção, Δµeu(r), substituindo o N, umje σj obtidos para as seguintes IAT da EQ. (3):
      Equation 4(4)
      onde erf é a função de erro.
    7. Converta Δµeu(r) a temperatura através da seguinte equação:
      Equation 5(5)
      com os coeficientes de temperatura da água, αf, 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 algoritmo17,19 é empregado para etapa 2.2.5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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.

Figure 1
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.

Figure 2
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.

Figure 3
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.

Figure 4
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. 

Figure 5
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.

Figure 6
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. 

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

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

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

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

A técnica apresentada neste trabalho é um romance usando a dependência da temperatura de absorção de NIR de água e não apresenta nenhuma dificuldade significativa em Configurando o equipamento necessário e implementação. A luz incidente pode ser facilmente produzida usando uma lâmpada de halogéneo e um NBPF. No entanto, os lasers não podem ser usados, porque padrões de interferência coerente que aparecem nas imagens. Lentes ópticas comuns e cubas de vidro para uso de luz visível podem ser usadas, como eles transmitem uma quantidade adequada de luz em λ = 1150 nm e 1412 nm. Além disso, câmeras de InGaAs podem ser compradas agora a um preço relativamente barato.

Os NBPFs em λ = 1150 nm e 1412 nm estão disponíveis por encomenda semi, mas eles não são excessivamente caros. Se houver um ready-made NBPF no comprimento de onda diferente, que deve estar dentro do intervalo de comprimento de onda dependente da temperatura (Figura 1), pode ser usada em vez disso, embora a sensibilidade à temperatura, ou αf, pode diminuir. Por exemplo, o valor αf em λ = 1175 nm é metade do que em λ = 1150 nm. Além disso, a largura de banda ou nitidez da NBPF afeta αf; à medida que aumenta a largura de banda, αf diminui15. Assim, quando a estimativa exata da ΔT(r) é necessária, o espectro de transmitância do NBPF deve ser medido por um espectrofotômetro.

Conforme mencionado na etapa 1.4 do protocolo, porque o índice de refração da água varia com a temperatura, luz, raios passando através do campo de temperatura em torno de uma esfera são desviados, causando alterações nas imagens ΔA(x, z). Este problema foi investigado em nosso anterior trabalho19. De acordo com os resultados obtidos através deste estudo, enquanto a temperatura máxima perto da esfera é moderadamente pequena (< 10 K, aproximadamente), a contribuição da luz deflexão para a mudança no ΔA(x, z) pode ser insignificante ou suficientemente menor do que o de absorção da luz, porque a luz é incoerente e um determinado ângulo de deflexão aceito junto à paragem de abertura da lente telecêntrico; Isto significa que os raios desviados passam a abertura e foco no mesmo ponto no plano de imagem como o chefe ray30. No entanto, considerando isto, a parada de abertura deve ser cuidadosamente ajustada tal que o ângulo de aceitação da lente telecêntrico é ligeiramente maior do que o ângulo de deflexão prevista. Ajustes de tentativa e erro podem ser necessárias para o experimento inicial.

Processamento de imagens no passo 2.1 do protocolo e cálculo IAT no passo 2.2 não exigem nenhum conhecimento de matemático avançado. Passo 2.1 pode ser realizado facilmente com software que pode tratar arquivos de sequência TIFF de processamento de imagem comum. Na etapa 2.2.2, se os perfis de linha em ângulos múltiplos não podem ser obtidos automaticamente usando scripts de comando, um única linha perfil extraído manualmente no software de processamento de imagem pode em vez disso ser usado, embora variações devido a ruídos não são reduzidas.

Ao usar um meio aquoso, seu teor de água, ou fração molar, deve ser conhecida ou medida, especialmente para uma estimativa exacta de ΔT, porque αf depende do teor de água. Em outras palavras, como os coeficientes de absorção de solutos aquosos e gel de substratos dependem da temperatura no pequeno, a sensibilidade de temperatura é quase proporcional ao conteúdo de água. Se o conteúdo de água é conhecido por ser muito alto, como com líquidos aquosos, o valor αf da água dada neste artigo pode ser usado praticamente. Caso contrário, multiplicando-se o valor αf da água pela água prevista ou medida conteúda, ou seja, reduzindo αf, pode ser eficaz para uma estimativa suficientemente precisa.

Considerando o limite de deteção de temperatura (~0.2 K) e resolução espacial (~ 30 µm; isto depende do tamanho do pixel e ampliação), é impossível para a técnica apresentada detectar um aumento de temperatura minuto causado pelo único micro e nano-magnéticos partículas aquecida indutivamente. No entanto, se um grande número de partículas pode ser agregado, contido numa cápsula ou fluiu em um tubo fino, a temperatura aumentaria sobre o nível de detecção. Na pesquisa sobre Hipertermia magnética, na verdade, tal agregação ou adsorção seletiva de nanopartículas magnéticas para as células cancerosas e as temperaturas resultantes são importantes e investigadas. Daí, a técnica apresentada é esperada para ser usado para experimentos in vitro, em estudos de hipertermia magnética e outras aplicações utilizando partículas magnéticas. Simetria esférica na distribuição da temperatura não pode ser obtida nestas aplicações, mas as imagens 2D serão suficiente para informar os pesquisadores sobre a temperatura, o número e distribuição de partículas e o desempenho de aquecimento.

A técnica apresentada pode ser usada para avaliar campos magnéticos usados em várias aplicações magnéticas31,32. Geralmente, campo magnético produzido pela bobinas são muito complicado e não pode ser medido precisamente ou teoricamente previsto. No entanto, conforme demonstrado no nosso anterior trabalho19, as temperaturas e taxas de geração de calor de uma esfera magnética em posições diferentes sob correntes diferentes da bobina podem ser obtidas por nossa técnica. A distribuição espacial da taxa de geração de calor deve corresponder ao campo magnético. Finalmente, a técnica apresentada pode ser implementada, não apenas por indução eletromagnética, mas também para ultra-som com foco, reações químicas em gotículas e outros métodos de aquecimento local.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Os autores agradecemos Sr. Kenta Yamada, Sr. Ryota Fujioka e Sr. Mizuki Kyoda seu apoio sobre as experiências e análises de dados. Este trabalho foi apoiado pela JSPS KAKENHI Grant número 25630069, a Fundação de Suzuki e a medição exacta tecnologia promoção da Fundação, Japão.

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

Engenharia edição 134 Near-infrared imaging temperatura aquecimento indutivo água absorvência esfera magnética.

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

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