Technique de mesure de température proche infrarouge pour l’eau qui entoure une sphère magnétique faible Induction chauffage

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ERRATUM NOTICE

Summary

Nous présentons une technique utilisant des longueurs d’onde de 1150 et 1412 nm pour mesurer la température d’eau qui entourent une sphère magnétique petite chauffée à induction.

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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).

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Abstract

Nous présentons une technique pour mesurer la température de l’eau et non-trouble milieu aqueux qui entourent une sphère magnétique petite chauffée à induction. Cette technique utilise des longueurs d’onde de 1150 et 1412 nm, au cours de laquelle le coefficient d’absorption d’eau dépend de la température. L’eau ou un gel aqueux non-trouble contenant une sphère magnétique de 2,0 mm ou 0,5-mm de diamètre est irradié avec 1150 nm ou 1412 épiscopie nm, comme sélectionnés à l’aide d’un filtre passe-bande étroit ; en outre, images bidimensionnelles d’absorbance, qui sont les projections transversales du coefficient d’absorption, sont acquis grâce à une caméra infrarouge proche. Lorsque les distributions en trois dimensions de la température peuvent être considérées comme symétrie sphérique, ils sont estimées en appliquant inverse Qu'abel transforme les profils d’absorption. Les températures ont été observés à changer constamment selon le temps et la puissance de chauffage par induction.

Introduction

Une technique pour mesurer la température près d’une source de chaleur petite au sein d’un milieu est nécessaire dans de nombreux domaines de recherche scientifique et des applications. Par exemple, dans la recherche sur l’hyperthermie magnétique, qui est une méthode de thérapie de cancer à l’aide de l’induction électromagnétique des particules magnétiques, ou petits morceaux magnétiques, il est essentiel de prévoir avec précision les distributions de température générées par la magnétique particules de1,2. Cependant, bien que micro-ondes3,4, ultrasons5,6,7,8, opto-acoustique9, Raman10et résonance magnétique11 ,12-techniques de mesure de température de base ont été étudiés et mis au point, une telle distribution de température interne ne peut pas être mesurée avec précision à l’heure actuelle. Jusqu’ici, seul-position des températures ou à des températures à quelques postes ont été mesurées par l’intermédiaire de capteurs de température, ce qui, dans le cas de chauffage par induction, sont amagnétiques fibre optique température capteurs13,14. Par ailleurs, les températures de surface des médias ont été mesurées d’à distance via des pyromètres infrarouge pour estimer la température intérieure14. Toutefois, lorsqu’un milieu contenant une source de chaleur petite est une couche d’eau ou un milieu aqueux non-trouble, nous avons démontré qu’une technique d’absorption infrarouge proche (NIR) est utile pour mesurer les températures15,16, 17,18,19. Cet article présente le protocole détaillé de cette technique et les résultats représentatifs.

La technique d’absorption de NIR repose sur le principe de l’effet de température sur les bandes d’absorption de l’eau dans la région NIR. Comme le montre la Figure 1 a, le ν1 + ν2 ν3 bande d’absorption de l’eau est observée dans le 1100 nm à 1250 nm longueur d’onde (λ) et les déplacements de courtes longueurs d’onde comme la température augmente le19. Ici, ν1 + ν2 + ν3 veut dire que cette bande correspond à la combinaison des trois modes de vibration O-H fondamentaux : étirement symétrique (ν1), flexion (ν 2) et antisymétrique s’étendant de20,(ν3)21. Ce changement dans le spectre indique que la longueur d’onde plus sensibles à la température de la bande est λ ≈ 1150 nm. Autres bandes d’absorption d’eau également des comportements similaires en ce qui concerne la température15,16,17,18,20,21. Le ν1 + ν3 bandes d’eau observés au sein de la gamme λ = 1350−1500 nm et sa dépendance de la température sont indiquées dans la Figure 1 b. Dans le ν1 + ν3 bandes d’eau, 1412 nm est la longueur d’onde plus sensibles à la température. Ainsi, il est possible d’obtenir des images bidimensionnelles (2D) température en utilisant une caméra NIR pour capturer des images 2D absorbance à λ = 1150 ou 1412 nm. Comme le coefficient d’absorption d’eau à λ = 1150 nm est plus petit que qu’à λ = 1412 nm, la longueur d’onde ancien convient pour une épaisseur de 10 mm environ les milieux aqueux, tandis que ce dernier convient pour environ 1 mm d’épaisseur petits. Récemment, à l’aide de λ = 1150 nm, nous avons obtenu les distributions de température dans une couche d’épaisseur de 10 mm eau contenant une bille en acier de 1 mm de diamètre à induction chauffage19. En outre, les distributions de température dans une couche d’épaisseur de 0,5 mm l’eau ont été mesurées en utilisant λ = 1412 nm15,17.

Un avantage à la température de base NIR technique d’imagerie, c’est qu’il est simple à installer et à mettre en œuvre car c’est une technique de mesure de transmission-absorption et a besoin d’aucun fluorophore, phosphore ou autre sonde thermique. En outre, sa résolution de la température est inférieure à 0,2 K15,17,19. Une telle résolution bonne température sont impossibles par d’autres techniques de transmission basées sur l’interférométrie, qui ont souvent été utilisées dans la chaleur et transfert de masse études22,23,24. Nous notons, toutefois, que la température de base NIR technique d’imagerie ne convient pas en cas de changement de température locale considérable, parce que la déviation de la lumière provoquée par le gradient de température important devient dominante19. Cette question est renvoyée dans le présent document en ce qui concerne l’utilisation pratique.

Cet article décrit le montage expérimental et la procédure pour la technique d’imagerie basée sur NIR température pour une petite sphère magnétique chauffée par induction ; en outre, il présente les résultats de deux images représentant absorbance 2D. Une image est celle d’une sphère en acier de 2,0 mm de diamètre dans une couche d’épaisseur de 10,0 mm eau capturée à λ = 1150 nm. La seconde image est d’une sphère en acier 0,5 mm de diamètre dans une couche de sirop de maltose 2.0-mm d’épaisseur qui est capturée à λ = 1412 nm. Cet article présente également la méthode de calcul et les résultats de la distribution de radiale en trois dimensions (3D) de la température en appliquant l’inverse de transformation d’Abel (IAT) pour les images 2D absorbance. Le SIA est valide pour une distribution de température 3D est supposée pour être sphériquement symétrique comme dans le cas d’une sphère chauffée (Figure 2)19. Pour le calcul de l’IAT, une fonction gaussienne multi méthode est employée ici, parce que l’IATs de fonctions gaussiennes peuvent être obtenus analytiquement25,26,27,28,29 et s’adaptent bien à la baisse monotone des données ; Il s’agit d’expériences avec conduction thermique d’une source de chaleur unique.

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Protocol

1. expérimental et procédures

Préparer un rail pour optique de monter un échantillon et optique d’imagerie de NIR comme suit.

  1. Préparation de l’échantillon.
    Remarque : Lorsque vous utilisez de l’eau ou liquide aqueux, faire étape 1.1.1. Lorsque vous utilisez un gel aqueux à haute viscosité, faire étape 1.1.2.
    1. Bille en acier dans l’eau.
      1. Fixer une bille en acier de 2,0 mm de diamètre à l’extrémité d’une chaîne en plastique mince à l’aide d’une petite quantité de colle.
      2. Accrocher la bille en acier au centre de la cellule de verre rectangulaire avec une longueur de trajet optique de 10,0 mm, une largeur de 10 mm et une hauteur de 45 mm (Figure 3).
      3. Versez l’eau filtrée dans la cellule avec précaution pour ne pas produire des bulles d’air.
        NOTE : Une bille en acier peut également être fixée à l’extrémité d’une tige en plastique mince avec une petite quantité de colle19.
    2. Bille en acier en gel aqueux.
      1. Faire chauffer un gel aqueux pour réduire sa viscosité telle qu’elle est suffisamment faible pour être coulé en douceur.
      2. À l’aide d’une seringue, verser le gel aqueux dans une cellule de verre rectangulaire avec une longueur de trajet optique de 2,0 mm, une largeur de 10 mm et une hauteur de 45 mm à moitié plein et laisser refroidir.
      3. Placer une bille en acier de 0,5 mm de diamètre au centre de la surface du gel.
      4. Remplir la cellule contenant le gel aqueux.
        Remarque : Plus grandes sphères (> ~ 1 mm de diamètre) ne devrait pas servir avec un gel car ils passeront par les forces gravitationnelles et magnétiques au cours du chauffage par induction.
    3. La valeur de la cellule dans un support en plastique et de le monter sur le rail optique (Figure 3).
  2. Préparation du RNI système d’imagerie.
    1. Préparer une lampe halogène avec un guide de lumière de fibre et fixer l’extrémité de la fibre-guide de lumière avec un support sur le rail optique.
    2. Placez un filtre passe-bande étroit (NBPF) avec un pic de transmission à λ = 1150 nm ou λ = 1412 nm entre le guide de lumière de fibre et de la cellule (Figure 3).
    3. Intercaler un autre filtre passe-bande (BPF), dont gamme de longueur d’onde de transmission est plus large que celle de la NBPF, entre la lampe halogène et le NBPF.
      Remarque : Le BPF est nécessaire pour éviter des dommages thermiques à le NBPF parce qu’il reçoit la lumière directement.
    4. Interposer un iris diaphragm(s) dans le chemin de lumière entre le titulaire de la NBPF et de cellules pour réduire la lumière parasite (Figure 3).
    5. Mettre en place une caméra NIR pour détecter la lumière transmise par l’intermédiaire de la cellule (Figure 3). Connectez la caméra à travers un câble de transfert de données d’une carte graphique installée dans un ordinateur personnel (PC) avec acquisition d’images.
    6. Définir un objectif télécentrique entre la cellule et la caméra (Figure 3).
      Remarque : Une lentille de caméra commune peut également être utilisée. Toutefois, un objectif télécentrique est préférable en ce qui concerne la détection sélective de la lumière parallèle du rayon principal pour le SIA et la réduction de l’influence de la diffraction.
      Remarque : Les NBPF et les BPF ne doivent pas être placé entre la cellule et la caméra parce que, ce faisant, la température de l’eau augmenterait par absorption directe de la lumière de haute intensité de la lampe halogène.
    7. Allumez la caméra NIR et lancer le logiciel d’acquisition image.
    8. Allumer la lampe halogène et régler sa puissance de sortie d’observation de l’image affichée sur l’écran (Figure 4).
    9. Ajuster l’axe, la position et la mise au point de l’objectif télécentrique pour obtenir une belle image de la bille en acier.
      Remarque : Si le réglage n’est pas terminé, intensité irrégulière apparaîtra, conduisant aux absorbances incorrects.
  3. Préparation du système de chauffage par induction.
    1. Préparer une induction chauffage système composé d’un générateur à haute fréquence (puissance de sortie maximale : 5,6 kW ; fréquence : 780 kHz), serpentin refroidi par eau et refroidisseur d’eau.
      NOTE : Une système pour le brasage de chauffage par induction, soudage et brasage des petites pièces métalliques sont approprié à cette fin ; Voir Table des matières.
    2. Si possible, fixez la bobine sur une scène mobile XYZ pour modifier sa position.
    3. Placer la bobine près de la cellule telle que la distance entre le centre de la bobine et la bille en acier est d’environ 15 mm (Figure 3). S’assurer qu’il n’y a aucune autre pièce de métal près de la bobine.
      Remarque : La distance doit être ajustée selon la puissance et la taille de la sphère de chauffage par induction.
    4. Faire circuler l’eau pour le refroidissement.
  4. Acquisition d’images et de chauffage par induction.
    1. Cliquez sur « Démarrer » sur le logiciel d’acquisition image pour stocker les images dans l’ordre.
    2. Cliquez sur « Démarrer » sur la logiciel de contrôle pour commencer le chauffage par induction de chauffage par induction.
    3. Après plusieurs secondes (selon les conditions et le but), cliquez sur « stop » sur le logiciel d’acquisition image.
    4. Cliquez sur « stop » sur la logiciel de commande de chauffage par induction.
    5. Enregistrer les images stockées dans le temps comme une séquence TIFF (ou autre format non-compressé) sur le logiciel d’acquisition image.
      Remarque : Si la température est suffisamment élevée, l’effet de léger fléchissement apparaîtra sur l' image7. L’induction puissance de chauffage doit être diminué convenablement bien des expériences telles que l’augmentation de la température près de la sphère est inférieure à environ 10 K, ce qui peut être confirmée dans les étapes suivantes du protocole pour l’estimation de la température.

2. Estimation de la température et de traitement d’image

Remarque : Les images séquentielles enregistrées sont représentés comme jeje(x, z), où i représente le numéro de trame séquentielle. Les coordonnées x, y, z, ret r' sont définis comme sont indiqués dans la Figure 2; z est positif dans le sens contraire de gravité. Les grandes lignes les étapes suivantes du protocole sont également illustrée dans le supplément 1.

  1. Construction d’image absorbance.
    1. Ouvert jeje(x, z) avec le logiciel de traitement d’image.
    2. Réduire le bruit dans jeje(x, z) en mettant en œuvre 3 × 3 pixels en moyenne.
    3. Créer une image moyenne de j’aij’ai(x, z) sur i = 1 à 5 (ou plus) avant du chauffer et le définir comme image de référence, Ir(x, z).
      Remarque : Cette moyenne réduit le bruit pour obtenir une image plus fiable qu’une image de trame unique.
    4. Construire les images séquentielles de la différence d’absorbance, ΔAi(x, z), par l’intermédiaire de l’équation suivante :
      Equation 1(1)
      Remarque : ΔAi(x, z) est la variation de l’absorbance, uni(x, z), de l’absorbance de référence, unr(x, z), avant chauffage et est calculée comme suit15,16,17,18,19:
      Equation 2(2)
      j’ai0 est l’intensité de la lumière incidente à la cellule.
    5. Coloriser les ΔAj’ai images à l’aide d’une carte de la couleur appropriée tels que bleu ou rouge.
      NOTE : Le fichier de script de commande pour l’exécution des étapes 2.1.2 par 2.1.5 pour ImageJ est présenté dans le complément 2.
  2. Estimation de la température.
    1. Choisissez la période de temps pendant laquelle ΔAi(x, z) est circulairement symétrique par rapport au centre de la sphère en observant visuellement les images.
      Remarque : La symétrie circulaire est brisée principalement par convection libre. Un jugement analytique basée sur les images de convection libre se produise est introduit dans le précédent de travail19; Toutefois, en pratique, l’arrêt visuelle est efficace.
    2. Extraire les données ΔAje(intitulér, θ) le long de lignes radiales 360 (Δθ = 1) sur les images ΔAi(x, z).
    3. Exclure les ΔAje(intitulér, θ) données au sein de la sphère et dans ses environs (Δrʹ≈ 0. 2 mm). Note : Les données sont anormalement très petits ou grands dans les environs en raison principalement de la circulation légère de la sphère.
    4. Δ moyenneunj’ai(intitulér, θ) sur θ pour déterminer le profil de la ligne, Δuni(rintitulé).
      Remarque : Le fichier de script de commande pour l’exécution des étapes 2.2.2 par 2.2.4 pour ImageJ est présenté en complément 3.
    5. Rapprocher les données ΔAje(intitulér) par la fonction multi-gaussien suivante :
      Equation 3(3)
      j est le facteur de pondération, σj est le paramètre de dispersion, et R est la valeur maximale de rintitulé où ΔAj’ai(R) = 0 peut être supposé.
    6. Calculer la différence de coefficient d’absorption, Δµj’ai(r), en remplaçant le N, jet σj obtenues dans l’IAT suivants d’EQ. (3) :
      Equation 4(4)
      où erf est la fonction d’erreur.
    7. Convertir Δµj’ai(r) à la température par l’intermédiaire de l’équation suivante :
      Equation 5(5)
      avec les coefficients de température d’eau, αf, qui sont 4,0 × 10-3 K-1 mm-1 pour λ = 1150 nm19 et 4,1 × 10-3 K-1 mm-1 pour λ = 1412 nm17.
      Remarque : Le fichier de script de commande pour l’exécution des étapes 2.2.5 par 2.2.7 est présenté dans le supplément 4, où les Levenberg-Marquardt algorithme des moindres carrés non linéaires17,19 est employé pour l’étape 2.2.5.

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Representative Results

Images de ΔAi(x, z) à λ = 1150 nm pour une bille en acier de 2,0 mm de diamètre dans l’eau et à λ = 1412 nm pour une bille en acier de 0,5 mm de diamètre au sirop de maltose sont présentés dans la Figure 5a et Figure 6un, respectivement. Dans les deux cas, le domaine est situé à 12 mm du bas de la bobine selon son axe central. Figure 5 b etb de la Figure 6montrent la ΔA(intitulér) data et leurs fonctions gaussiennes multi aménagées dans l’équation (3) avec R = 3. 0 mm et R = 1,5 mm, respectivement. Pas plus de deux ou trois fonctions gaussiennes (N = 2 ou 3) sont nécessaires pour obtenir un bon ajustement17,19. Les fonctions équipées ont été alors transformées en profils enT(r) Δ via NQE. (4) et (5) et sont présentés dans la Figure 5c etcde la Figure 6.

Clairement,l’un des images Δ dans les deux cas montrent une augmentation de la température de l’eau et gel entourant la sphère en raison de la conduction thermique. La symétrie circulaire de Δ,A , en ce qui concerne la sphère est observée dans toutes les images. Les parcelles et les courbes enc de la Figure 5indiquent que ΔA(intitulér) augmente avec le temps à une distance plus proche de la sphère ; à rʹ≥ 2,5 mm, n’important changement est observé. En outre, les profils enT(r) Δ obtenus par l’intermédiaire de la table IAT vérifier la présence de la conduction thermique dans le sens radial. Notez que, bien que les profils enT(r) Δ semblables à celles de ΔA(intitulér), les changements dans le gradient derT(r) /d diffèrent de celles des ΔA(intitulér) profils . Dans la Figure 6, les amplitudes de ΔA sont trouvent correspondre à la puissance de chauffe niveaux, c'est-à-dire, les taux de génération de chaleur de la sphère.

Pour la sphère de 0,5 mm de diamètre, les résultats démontrent que la convection libre, qui altère le motif circulaire en ΔA, ne s’observe pas après t = 1,2 s. à l’inverse, pour la sphère 2.0 mm de diamètre dans l’eau, convection libre a été trouvée après t = 1,2 s (non illustré). Cela signifie qu’une transition d’un régime de conduction thermique pur à un régime de convection libre semble exister dans l’eau à environ t = 1,2 s. Cette différence de convection libre a été causée par les différences dans les taux de production de chaleur et de la viscosité. Le taux de production de chaleur de la sphère de 0,5 mm de diamètre a été sensiblement inférieur à celui de la sphère 2.0 mm de diamètre ; en outre, la viscosité de la sirop de maltose (environ 100 PA.s) était considérablement plus élevée que celle de l’eau (environ 0,001 PA.s). Parce que la convection libre est un sujet important dans le transfert de chaleur et de masse de la recherche, la technique d’imagerie proposée, qui offre le temps d’apparition de la convection libre et modèle du panache thermique et donne des informations sur les conditions physiques induisant gratuite convection, contribuera de façon significative à la recherche dans ce domaine.

Figure 1
Figure 1 : Dépendance en température NIR du spectre d’absorption de l’eau. (a, b) Spectres de bandes d’absorption d’eau à des températures de 16,0 ° C (bleu) à 44,0 ° C (rouge) par intervalles de 4,0 ° C dans des gammes de longueur d’onde de 1100 à 1250 nm et 1350-1500 nm, respectivement. Les flèches indiquent le sens de l’augmentation de température. Les EISN présentent l’absorbance des spectres de différence ; les spectres d’absorbance à 16,0 ° C sont les références. La longueur du trajet optique est de 10 mm et 1,0 mm (a) et (b), respectivement. Les lignes verticales en pointillés indiquent les longueurs d’onde sensible à la température de 1150 nm et 1412 nm permet d’obtenir des images NIR. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Système de coordonnées et de la géométrie pour l’imagerie de l’absorbance. Reproduit de Kakuta et coll. 201719 avec l’autorisation de publication AIP. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Montage expérimental. (a) schéma du système optique et d’installation de chauffage par induction. Voir le texte pour plus de détails. Ce chiffre a été modifié par Kakuta et coll. 201719 avec l’autorisation de publication AIP. (b) photographie du montage expérimental. (c) photo montrant une bille en acier de 2,0 mm de diamètre, suspendu par une chaîne et cellule bobine avec une échelle. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Acquiert des images raw. (a, b) Images d’intensité, j’ai(x, z) a adressé, à λ = 1150 nm pour une bille en acier de 2,0 mm de diamètre dans l’eau et λ = 1412 nm pour une sphère en acier 0,5 mm de diamètre en sirop de maltose, respectivement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. 

Figure 5
Figure 5 : Images de l’absorbance et profils de température pour une bille en acier de 2,0 mm de diamètre dans l’eau. (a) ΔA(x, z) des images à λ = 1150 nm et t = 0,4 0,8 et 1,2 s après le début du chauffage par induction. (b) les parcelles de ΔA(rintitulé) et leur multi-gaussienne s’adapte (courbes de solides). (c)T(r) de profils Δ obtenus à la suite de IATs sur ΔA(rintitulé). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : Images de l’absorbance et profils de température pour une sphère en acier 0,5 mm de diamètre au sirop de maltose. (a) ΔA(x, z) des images à λ = 1412 nm et t = 0,4 0,8 et 1,2 s après le début du chauffage pour le chauffage par induction de 10 %, 30 % et 50 % des niveaux de puissance. (b) les parcelles de ΔA(rintitulé) et leur multi-gaussienne s’adapte aux (courbes solides) pour 50 %. (c)T(r) de profils Δ obtenus à la suite de IATs sur ΔA(intitulér) pour 50 %. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure. 

Supplemental Figure 1
Supplément 1 : Schéma du traitement de l’image. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Supplemental Figure 2
Supplément 2 : Fichier de script de commande pour la construction d’image absorbance (macro pour ImageJ). S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.

Supplemental Figure 3
Supplément 3 : Fichier de script de commande pour l’extraction du profil ligne (macro pour ImageJ). S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.

Supplemental Figure 4
Supplément 4 : Code de Matlab pour raccord multi-gaussien et inverse la transformation d’Abel. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.

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Discussion

La technique présentée dans le présent document est un roman de l’un à l’aide de la dépendance en température d’absorption NIR de l’eau et ne présente aucune difficulté importante à mettre en place l’équipement nécessaire et la mise en œuvre. La lumière incidente peut être produite facilement à l’aide d’une lampe halogène et un NBPF. Toutefois, les lasers ne peuvent servir, parce que les patrons d’interférence cohérente doit figurer sur les images. Lentilles optiques communs et pour l’utilisation de la lumière visible, les cellules de verre peuvent être utilisés, car ils transmettent une quantité adéquate de lumière à λ = 1150 nm et 1412 nm. En outre, InGaAs caméras peuvent être achetés maintenant à un prix relativement bon marché.

Les NBPFs à λ = 1150 nm et 1412 nm sont disponibles par ordre semi-personnalisé, mais ils ne sont pas excessivement chers. S’il y a un NBPF prêtes à l’emploi à une longueur d’onde différente, qui doit être dans la gamme de longueur d’onde dépend de la température (Figure 1), il peut être utilisé au lieu de cela, bien que la sensibilité à la température, ou αf, pourrait diminuer. Par exemple, la valeur αf à λ = 1175 nm est la moitié de celle à λ = 1150 nm. En outre, la bande passante ou la netteté de le NBPF affecte αf; plus la bande passante augmente, αf diminue de15. Ainsi, lorsque l’estimation précise des ΔT(r) est requise, le spectre de transmission de la NBPF doit être mesuré par un spectrophotomètre.

Comme mentionné dans l’étape 1.4 du protocole, étant donné que l’indice de réfraction de l’eau varie avec la température, lumière, rayons passant par le champ de température autour d’une sphère sont déviés, provoquant des changements dans les imagesA(x, z) Δ. Ce problème a été étudié dans notre précédent travail19. Selon les résultats obtenus par l’intermédiaire de cette étude, tant que la température maximale de près de la sphère est modérément faible (< 10 K, environ), la contribution de léger fléchissement du changement de ΔA(x, z) peut être négligeable ou suffisamment inférieur à celui de l’absorption de la lumière, parce que la lumière est incohérente et un certain angle de déflexion est accepté par le diaphragme de l’objectif télécentrique ; Cela signifie que les rayons déviés passent cependant l’ouverture et se concentrent sur le même point dans le plan de l’image que le chef ray30. Toutefois, compte tenu de cela, le diaphragme doit être soigneusement ajustée tel que l’angle de l’acceptation de l’objectif télécentrique est légèrement plus grand que l’angle de déflexion prédite. Essais et d’erreurs des ajustements peuvent être nécessaires pour l’expérience initiale.

Traitement d’images à l’étape 2.1 du protocole et calculer la table IAT dans l’étape 2.2 ne nécessitent aucune connaissance mathématique avancée. Étape 2.1 peut être réalisée facilement avec un logiciel qui peut traiter des fichiers TIFF en séquence de traitement d’image courant. À l’étape 2.2.2, si les profils de ligne à angles multiples ne peuvent être obtenus automatiquement à l’aide de scripts de commandes, un profil unique ligne extrait manuellement sur le logiciel de traitement d’image plutôt utilisable, même si les écarts dus aux bruits ne sont pas réduites.

Lorsque vous utilisez une solution aqueuse, sa teneur en eau, ou la fraction molaire, devrait être connue ou mesurée, surtout pour une estimation précise des ΔT, car αf dépend de la teneur en eau. En d’autres termes, que les coefficients d’absorption des solutés aqueuses et des substrats de gel dépendent peu de la température sur la sensibilité à la température est presque proportionnelle à la teneur en eau. Si la teneur en eau est connue pour être très élevé, comme avec des liquides aqueux, la valeur αf d’eau donné dans cet article peut être utilisée pratiquement. Sinon, en multipliant la valeur αf d’eau de l’eau prévue ou mesurée contenu, c'est-à-dire réduire αf, peut-être être efficace pour une estimation suffisamment exacte.

Compte tenu de la limite de détection de température (~0.2 K) et une résolution spatiale (~ 30 µm ; cela dépend de la taille des pixels et grossissement), il est impossible que la technique présentée détecter une augmentation de la température minute causée par unique micro - et nano-magnétique particules chauffage inductif. Cependant, si un grand nombre de particules peut être agrégé, contenu dans une capsule ou transmise à un mince tube, la température augmenterait le niveau de détection. Dans la recherche sur l’hyperthermie magnétique, en fait, cette agrégation ou adsorption sélective des nanoparticules magnétiques pour les cellules cancéreuses et les températures qui en résulte sont importants et étudiés. Par conséquent, la technique présentée est censée être utilisé pour des expériences in vitro dans les études de l’hyperthermie magnétique et autres applications à l’aide de particules magnétiques. La symétrie sphérique dans la distribution de la température n’a pas peut-être être obtenue dans ces applications, mais les images 2D suffiront pour renseigner les chercheurs sur la performance de chauffage et de distribution des particules, la température et le nombre.

La technique présentée peut servir à évaluer les champs magnétiques utilisés dans diverses applications magnétiques31,32. En général, champs magnétiques produits par des bobines sont très compliquées et ne peut être précisément mesurées ou prédit théoriquement. Cependant, que démontré dans notre précédent travail19, les températures et le taux de génération de chaleur d’une sphère magnétique à différentes positions sous les courants de bobine différents peut être obtenus par notre technique. La distribution spatiale de la vitesse de génération de chaleur doit correspondre au champ magnétique. Enfin, la technique présentée peut être implémentée, non seulement pour l’induction électromagnétique, mais aussi pour l’échographie en se concentrant, les réactions chimiques dans les gouttelettes et d’autres méthodes de chauffage local.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Les auteurs remercient M. Kenta Yamada, M. Ryota Fujioka et M. Mizuki Kyoda pour leur soutien sur les expériences et les analyses de données. Ce travail a été soutenu par JSPS KAKENHI Grant nombre 25630069, la Fondation Suzuki et la Fondation de Promotion de technologie de mesure précis, Japon.

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

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References

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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

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