Nieuwe optische technologie detecteert gevaarlijke gaslekken efficiënt

Stel je voor dat je kleurloze, geurloze gaslekken kunt "zien" die milieurisico's en veiligheidsrisico's kunnen opleveren. Optische gasbeeldvorming (OGI)-technologie maakt dit mogelijk door anders onzichtbare gasemissies te visualiseren. Verre van sciencefiction, is deze geavanceerde technische oplossing gebaseerd op rigoureuze wetenschappelijke principes en wordt een onmisbaar hulpmiddel voor industriële veiligheid en milieubescherming.

In wezen zijn OGI-camera's zeer gespecialiseerde versies van infrarood- of thermische beeldvormingscamera's. Hun basiscomponenten omvatten lenzen, detectoren, signaalverwerkingselektronica en zoekers of schermen voor beeldweergave. Wat hen onderscheidt van conventionele infraroodcamera's is hun gebruik van kwantumdetectoren die gevoelig zijn voor specifieke gasabsorptiegolflengten, in combinatie met unieke optische filtertechnologie waarmee ze gaslekken kunnen "vastleggen".

OGI-camera's gebruiken kwantumdetectoren die bij extreem lage temperaturen moeten werken - typisch rond de 70 Kelvin (-203°C). Deze vereiste vloeit voort uit fundamentele fysica: bij kamertemperatuur bezitten elektronen in het detectormateriaal voldoende energie om naar de geleidingsband te springen, waardoor het materiaal geleidend wordt. Wanneer ze worden afgekoeld tot cryogene temperaturen, verliezen de elektronen deze mobiliteit, waardoor het materiaal niet-geleidend wordt. In deze toestand, wanneer fotonen met specifieke energie de detector raken, wekken ze elektronen op van de valentieband naar de geleidingsband, waardoor een fotostroom wordt gegenereerd die evenredig is met de invallende stralingsintensiteit.

Afhankelijk van het doelgas gebruiken OGI-camera's doorgaans twee soorten kwantumdetectoren:

• Mid-wave infrarood (MWIR) camera's: Gebruikt voor het detecteren van methaan en vergelijkbare gassen, werkend in het bereik van 3-5 micrometer met indiumantimonide (InSb) detectoren die koeling onder 173K (-100°C) vereisen.
• Long-wave infrarood (LWIR) camera's: Ontworpen voor gassen zoals zwavelhexafluoride, werkend in het bereik van 8-12 micrometer met behulp van quantum well infrarood fotodetectoren (QWIP's) die nog lagere temperaturen vereisen (70K/-203°C of lager).

De fotonenergie moet de bandgap-energie (ΔE) van het detectormateriaal overschrijden om elektronenovergangen te activeren. Aangezien fotonenergie omgekeerd evenredig is met de golflengte, vereisen korte/mid-wave infrarooddetectoren een hogere energie dan long-wave detectoren - wat verklaart waarom de laatste lagere bedrijfstemperaturen nodig hebben.

Om de noodzakelijke cryogene omgeving te handhaven, gebruiken de meeste OGI-camera's Stirling-koelers. Deze apparaten gebruiken de Stirling-cyclus om warmte van het koude uiteinde (detector) naar het warme uiteinde te transporteren voor dissipatie. Hoewel niet erg efficiënt, voldoen Stirling-koelers adequaat aan de koelvereisten van infraroodcameradetectoren.

Aangezien elke detector in de focal plane array (FPA) kleine variaties in versterking en offset vertoont, vereisen beelden kalibratie en uniformiteitscorrectie. Dit kalibratieproces in meerdere stappen, dat automatisch wordt uitgevoerd door camerasoftware, zorgt voor een hoogwaardige thermische beeldvormingsuitvoer.

De sleutel tot de gasspecifieke detectie van OGI-camera's ligt in hun spectrale filterbenadering. Een smalbandfilter dat voor de detector is geïnstalleerd (en samen met deze wordt gekoeld om stralingsuitwisseling te voorkomen) laat alleen straling met een specifieke golflengte door, waardoor een extreem smalle transmissieband ontstaat - een techniek die spectrale aanpassing wordt genoemd.

De meeste gasvormige verbindingen vertonen golflengte-afhankelijke infraroodabsorptie. Propaan en methaan vertonen bijvoorbeeld duidelijke absorptiepieken bij specifieke golflengten. OGI-camerafilters sluiten aan bij deze absorptiepieken om de detectie van infraroodenergie die door doelgassen wordt geabsorbeerd, te maximaliseren.

De meeste koolwaterstoffen absorberen bijvoorbeeld energie in de buurt van 3,3 micrometer, dus een filter gecentreerd op deze golflengte kan meerdere gassen detecteren. Sommige verbindingen zoals ethyleen hebben meerdere sterke absorptiebanden, waarbij long-wave sensoren vaak gevoeliger blijken te zijn dan mid-wave alternatieven voor detectie.

Door filters te selecteren die alleen camerawerking toelaten binnen golflengten waar doelgassen sterke absorptiepieken (of transmissiedalen) vertonen, verbetert de technologie de gaszichtbaarheid. Het gas "blokkeert" effectief meer achtergrondstraling in deze spectrale gebieden.

Vanuit een mechanisch perspectief lijken gasmoleculen op bollen die met veren zijn verbonden. Op basis van atoomtelling, grootte, massa en "veer"-elasticiteit kunnen moleculen vertalen, trillen langs assen, roteren, draaien, uitrekken of wiebelen in specifieke richtingen.

Eenvoudige monatomische moleculen zoals helium vertonen alleen translationele beweging. Homonucleaire diatomische moleculen (bijv. waterstof, stikstof) voegen rotatiebeweging toe. Complexe polyatomische moleculen (bijv. kooldioxide, methaan) bezitten meer mechanische vrijheid, waardoor meerdere rotationele en vibrationele overgangen mogelijk zijn die efficiënt warmte absorberen en uitzenden. Sommige van deze overgangen vallen binnen het infraroodspectrum dat detecteerbaar is door OGI-camera's.

Om moleculaire fotonabsorptie te laten plaatsvinden, moet het molecuul een dipoolmoment bezitten dat in staat is om kortstondig te oscilleren met de frequentie van het invallende foton. Deze kwantummechanische interactie maakt de overdracht van de elektromagnetische energie van het foton naar het molecuul mogelijk.

OGI-camera's maken gebruik van de infraroodabsorptie-eigenschappen van bepaalde moleculen om ze in natuurlijke omgevingen te visualiseren. De FPA en het optische systeem van de camera zijn speciaal afgestemd om te werken binnen extreem smalle spectrale banden (honderden nanometers), wat een uitzonderlijke selectiviteit biedt. Alleen gassen die absorberen binnen het door het filter gedefinieerde infraroodgebied worden detecteerbaar.

Bij het afbeelden van een lekvrije scène zenden achtergrondobjecten infraroodstraling uit en reflecteren deze door de lens en het filter van de camera. Het filter zendt alleen specifieke golflengten door naar de detector, waardoor een ongecompenseerd stralingsintensiteitsbeeld ontstaat. Als er een gaswolk bestaat tussen camera en achtergrond - en straling absorbeert binnen de doorlaatband van het filter - bereikt er minder straling de detector door de wolk.

Voor wolkzichtbaarheid moet er voldoende stralingscontrast bestaan tussen wolk en achtergrond. In wezen moet straling die de wolk verlaat, verschillen van die welke de wolk binnengaat. Aangezien moleculaire stralingsreflectie van wolken verwaarloosbaar is, wordt het kritieke factor het schijnbare temperatuurverschil tussen wolk en achtergrond.

• Doelgas moet infraroodstraling absorberen in de operationele band van de camera
• Gaswolk moet stralingscontrast vertonen met de achtergrond
• De schijnbare temperatuur van de wolk moet verschillen van de achtergrond
• Beweging verbetert de wolkzichtbaarheid
• Correct gekalibreerde temperatuurmeetmogelijkheid helpt bij de beoordeling van Delta T (schijnbaar temperatuurverschil)

Door onzichtbare gaslekken zichtbaar te maken, draagt optische gasbeeldvormingstechnologie aanzienlijk bij aan industriële veiligheid en milieubescherming - en helpt ongevallen te voorkomen, emissies te verminderen en schonere, veiligere omgevingen te creëren.