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Design and characterization of non-invasive thermal sensors for Laser Induced Fluorescence Thermometry (LIFT)
Rivera Guzmán, Leslie A.
Rivera Guzmán, Leslie A.
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Abstract
Laser Induced Fluorescence Thermometry (LIFT) is a technique based on imaging to measure the temperature of a substance. The substance is doped with small concentrations of a natural fluorescent dye. LIFT takes advantage of the fluorescence properties of a substance in response to excitation from a laser source. It is selective to a specific wavelength range of emission, it reacts quickly and the temperature can be measured for highly dynamic systems. The objective of the present work is to apply LIFT to measure the thermal history of micron size in-flight droplets and for microscale nucleate boiling processes using water as the main working fluid. For these purposes two LIFT sensors have been developed. Pyrene, which is one of the most widely studied sensitive organic dyes, was one of the sensors evaluated. To perform the experiments in water it was necessary to add surfactants to enhance Pyrene’s solubility in water. A protocol, which considers several parameters, was designed and evaluated to prepare the solutions for the fluorescence studies. The second set of water based temperature sensors were Rhodamine B and the mixture Rhodamine B/Rhodamine 110. Rhodamine B and Rhodamine 110, are very soluble in water and therefore did not required additives. Even though the addition of surfactants was not required for solubilization, they were used to enhance their fluorescence intensities. Rhodamine 110 was used as a non-temperature sensitive reference dye. A mixture of dyes was used because, in principle, the variation in exciting light intensity due to refraction of the light passing through the thermal field was avoided. In general, the fluorescent dyes studied showed fluorescence emission intensities in the range of 1.0 x 10⁷ to 1.5 x 10⁷, which depend directly upon temperature. The requirements to develop a robust sensor for LIFT were fulfilled. The water-based sensors studied were selective to a specific wavelength range, sensitive to temperature from ambient to near boiling point range, reversible to temperature changes, and reproducible within the experimental error.
La Termometría de Fluorescencia Inducida por Láser (por sus siglas en inglés, LIFT) es la técnica basada en medir la temperatura de una sustancia a través de imágenes. La sustancia es dopada a bajas concentraciones con un tinte fluorescente. LIFT tiene la ventaja de obtener las propiedades fluorescentes de una sustancia en respuesta de la excitación de un láser. Esta es selectiva a un largo de onda de emisión en específico, reacciona rápido y la temperatura se puede medir para sistemas altamente dinámicos. El objetivo de este trabajo es aplicar la técnica de LIFT para medir la historia termal de micro gotas y estudiar el proceso de micro nucleación usando el agua como el fluido principal. Dos sensores se desarrollaron para esos propósitos. Pireno, uno de los tintes orgánicos más estudiados, fue evaluado como un sensor termal no invasivo. Para realizar estos experimentos en agua fue necesario añadir surfactantes para aumentar su solubilizaciόn, ya que este es insoluble en agua. Un protocolo, en el cuál se consideran varios parámetros, fue diseñado y evaluado para la preparación de soluciones para los estudios de fluorescencia. El segundo grupo de sensores evaluados fueron la Rodamina B y la mezcla de Rodamina B/Rodamina 110 como sensores de temperatura en base de agua. La Rodamina B y la Rodamina 110 son bien solubles en agua y por lo tanto no requieren de aditivos. Aunque el añadir surfactantes no es necesario para su solubilizaciόn en agua, estos se utilizaron para aumentar las intensidades de su fluorescencia. Rodamina 110 fue utilizada como referencia ya que no es sensitiva a cambios en temperatura. La técnica de utilizar las mezclas de ambas Rodaminas fue propuesta, porque en principio, disminuye la variación de la intensidad de irradiación debida a la refracción de la luz pasando a través de un campo termal. En general, los tintes fluorescentes estudiados demostraron tener intensidades de emisión de fluorescencia de un rango aproximadamente de 1.0 x 10⁷ a 1.5 x 10⁷, que dependen directamente de la temperatura aplicada. Los requisitos para desarrollar un sensor robusto para LIFT fueron cumplidos. Los sensores basados en agua que fueron estudiados demostraron ser selectivos a un largo de onda en específico, sensitivos a cambios de temperatura en el rango de temperatura ambiente a la temperatura de ebullición del agua, y además fueron reproducibles dentro del error experimental.
La Termometría de Fluorescencia Inducida por Láser (por sus siglas en inglés, LIFT) es la técnica basada en medir la temperatura de una sustancia a través de imágenes. La sustancia es dopada a bajas concentraciones con un tinte fluorescente. LIFT tiene la ventaja de obtener las propiedades fluorescentes de una sustancia en respuesta de la excitación de un láser. Esta es selectiva a un largo de onda de emisión en específico, reacciona rápido y la temperatura se puede medir para sistemas altamente dinámicos. El objetivo de este trabajo es aplicar la técnica de LIFT para medir la historia termal de micro gotas y estudiar el proceso de micro nucleación usando el agua como el fluido principal. Dos sensores se desarrollaron para esos propósitos. Pireno, uno de los tintes orgánicos más estudiados, fue evaluado como un sensor termal no invasivo. Para realizar estos experimentos en agua fue necesario añadir surfactantes para aumentar su solubilizaciόn, ya que este es insoluble en agua. Un protocolo, en el cuál se consideran varios parámetros, fue diseñado y evaluado para la preparación de soluciones para los estudios de fluorescencia. El segundo grupo de sensores evaluados fueron la Rodamina B y la mezcla de Rodamina B/Rodamina 110 como sensores de temperatura en base de agua. La Rodamina B y la Rodamina 110 son bien solubles en agua y por lo tanto no requieren de aditivos. Aunque el añadir surfactantes no es necesario para su solubilizaciόn en agua, estos se utilizaron para aumentar las intensidades de su fluorescencia. Rodamina 110 fue utilizada como referencia ya que no es sensitiva a cambios en temperatura. La técnica de utilizar las mezclas de ambas Rodaminas fue propuesta, porque en principio, disminuye la variación de la intensidad de irradiación debida a la refracción de la luz pasando a través de un campo termal. En general, los tintes fluorescentes estudiados demostraron tener intensidades de emisión de fluorescencia de un rango aproximadamente de 1.0 x 10⁷ a 1.5 x 10⁷, que dependen directamente de la temperatura aplicada. Los requisitos para desarrollar un sensor robusto para LIFT fueron cumplidos. Los sensores basados en agua que fueron estudiados demostraron ser selectivos a un largo de onda en específico, sensitivos a cambios de temperatura en el rango de temperatura ambiente a la temperatura de ebullición del agua, y además fueron reproducibles dentro del error experimental.
Description
Date
2005