Neue optische Technologie detektiert effizient gefährliche Gaslecks

Stellen Sie sich vor, Sie könnten farblose, geruchslose Gaslecks "sehen", die Umwelt- und Sicherheitsrisiken darstellen könnten. Die optische Gasbildgebung (OGI)-Technologie macht dies möglich, indem sie ansonsten unsichtbare Gasemissionen visualisiert. Weit entfernt von Science-Fiction wird diese fortschrittliche technische Lösung, die auf strengen wissenschaftlichen Prinzipien basiert, zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die industrielle Sicherheit und den Umweltschutz.

Im Kern stellen OGI-Kameras hochspezialisierte Versionen von Infrarot- oder Wärmebildkameras dar. Ihre grundlegenden Komponenten umfassen Linsen, Detektoren, Signalverarbeitungselektronik und Sucher oder Bildschirme zur Bildanzeige. Was sie von herkömmlichen Infrarotkameras unterscheidet, ist ihre Verwendung von Quantendetektoren, die für bestimmte Gasabsorptionswellenlängen empfindlich sind, kombiniert mit einer einzigartigen optischen Filtertechnologie, die es ihnen ermöglicht, Gaslecks "einzufangen".

OGI-Kameras verwenden Quantendetektoren, die bei extrem niedrigen Temperaturen betrieben werden müssen – typischerweise um 70 Kelvin (-203 °C). Diese Anforderung ergibt sich aus der fundamentalen Physik: Bei Raumtemperatur besitzen Elektronen im Detektormaterial genügend Energie, um in das Leitungsband zu springen, wodurch das Material leitfähig wird. Wenn sie auf kryogene Temperaturen abgekühlt werden, verlieren die Elektronen diese Mobilität, wodurch das Material nichtleitend wird. In diesem Zustand regen Photonen bestimmter Energie, die auf den Detektor treffen, Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband an und erzeugen einen Photostrom, der proportional zur einfallenden Strahlungsintensität ist.

Abhängig vom Zielgas verwenden OGI-Kameras typischerweise zwei Arten von Quantendetektoren:

• Mittelwellen-Infrarot (MWIR)-Kameras: Werden zur Erkennung von Methan und ähnlichen Gasen verwendet und arbeiten im Bereich von 3-5 Mikrometern mit Indiumantimonid (InSb)-Detektoren, die eine Kühlung unter 173 K (-100 °C) erfordern.
• Langwellen-Infrarot (LWIR)-Kameras: Entwickelt für Gase wie Schwefelhexafluorid, die im Bereich von 8-12 Mikrometern arbeiten und Quanten-Well-Infrarot-Photodetektoren (QWIPs) verwenden, die noch niedrigere Temperaturen (70 K/-203 °C oder darunter) erfordern.

Die Photonenenergie muss die Bandlückenenergie (ΔE) des Detektormaterials überschreiten, um Elektronenübergänge auszulösen. Da die Photonenenergie umgekehrt mit der Wellenlänge korreliert, benötigen Kurz-/Mittelwellen-Infrarotdetektoren eine höhere Energie als Langwellendetektoren – was erklärt, warum letztere niedrigere Betriebstemperaturen benötigen.

Um die notwendige kryogene Umgebung aufrechtzuerhalten, verwenden die meisten OGI-Kameras Stirling-Kühler. Diese Geräte verwenden den Stirling-Kreislauf, um Wärme vom kalten Ende (Detektor) zum heißen Ende zur Ableitung zu übertragen. Obwohl sie nicht sehr effizient sind, erfüllen Stirling-Kühler die Kühlungsanforderungen von Infrarotkamera-Detektoren ausreichend.

Da jeder Detektor im Brennebene-Array (FPA) geringfügige Variationen in Verstärkung und Offset aufweist, erfordern Bilder eine Kalibrierung und Gleichmäßigkeitskorrektur. Dieser mehrstufige Kalibrierungsprozess, der automatisch von der Kamerasoftware durchgeführt wird, gewährleistet eine hochwertige Wärmebildausgabe.

Der Schlüssel zur gasspezifischen Erkennung von OGI-Kameras liegt in ihrem spektralen Filteransatz. Ein Schmalbandfilter, der vor dem Detektor installiert ist (und zusammen mit ihm gekühlt wird, um einen Strahlungsaustausch zu verhindern), lässt nur Strahlung bestimmter Wellenlängen durch und erzeugt ein extrem schmales Transmissionsband – eine Technik, die als spektrale Anpassung bezeichnet wird.

Die meisten gasförmigen Verbindungen weisen wellenlängenabhängige Infrarotabsorption auf. Beispielsweise zeigen Propan und Methan ausgeprägte Absorptionsspitzen bei bestimmten Wellenlängen. OGI-Kamerafilter stimmen mit diesen Absorptionsspitzen überein, um die Detektion von Infrarotenergie, die von Zielgasen absorbiert wird, zu maximieren.

Beispielsweise absorbieren die meisten Kohlenwasserstoffe Energie in der Nähe von 3,3 Mikrometern, sodass ein Filter, der auf dieser Wellenlänge zentriert ist, mehrere Gase erkennen kann. Einige Verbindungen wie Ethylen weisen mehrere starke Absorptionsbänder auf, wobei sich Langwellensensoren oft als empfindlicher als Mittelwellenalternativen für die Detektion erweisen.

Durch die Auswahl von Filtern, die den Kamerabetrieb nur innerhalb von Wellenlängen zulassen, bei denen Zielgase starke Absorptionsspitzen (oder Transmissions-Täler) aufweisen, verbessert die Technologie die Gassichtbarkeit. Das Gas "blockiert" in diesen spektralen Bereichen effektiv mehr Hintergrundstrahlung.

Aus mechanischer Sicht ähneln Gasmoleküle Kugeln, die durch Federn verbunden sind. Basierend auf der Atomzahl, der Größe, der Masse und der "Feder"-Elastizität können sich Moleküle in bestimmten Richtungen verschieben, entlang Achsen schwingen, rotieren, sich verdrehen, dehnen oder wackeln.

Einfache einatomige Moleküle wie Helium weisen nur Translationsbewegung auf. Homonukleare zweiatomige Moleküle (z. B. Wasserstoff, Stickstoff) fügen Rotationsbewegung hinzu. Komplexe mehratomige Moleküle (z. B. Kohlendioxid, Methan) besitzen eine größere mechanische Freiheit, die mehrere Rotations- und Schwingungsübergänge ermöglicht, die Wärme effizient absorbieren und emittieren. Einige dieser Übergänge fallen in das Infrarotspektrum, das von OGI-Kameras detektiert werden kann.

Damit eine molekulare Photonenabsorption stattfinden kann, muss das Molekül ein Dipolmoment besitzen, das in der Lage ist, mit der Frequenz des einfallenden Photons kurzzeitig zu oszillieren. Diese quantenmechanische Wechselwirkung ermöglicht die Übertragung der elektromagnetischen Energie des Photons auf das Molekül.

OGI-Kameras nutzen die Infrarotabsorptionseigenschaften bestimmter Moleküle, um sie in natürlichen Umgebungen zu visualisieren. Das FPA und das optische System der Kamera sind speziell darauf abgestimmt, innerhalb extrem schmaler Spektralbänder (Hunderte von Nanometern) zu arbeiten, was eine außergewöhnliche Selektivität bietet. Nur Gase, die innerhalb des filterdefinierten Infrarotbereichs absorbieren, werden detektierbar.

Bei der Bildgebung einer leckagefreien Szene emittieren und reflektieren Hintergrundobjekte Infrarotstrahlung durch die Linse und den Filter der Kamera. Der Filter überträgt nur bestimmte Wellenlängen an den Detektor und erzeugt ein unkompensiertes Strahlungsintensitätsbild. Wenn sich eine Gaswolke zwischen Kamera und Hintergrund befindet – und Strahlung innerhalb des Durchlassbereichs des Filters absorbiert – erreicht weniger Strahlung den Detektor durch die Wolke.

Für die Wolkensichtbarkeit muss ein ausreichender Strahlungskontrast zwischen Wolke und Hintergrund bestehen. Im Wesentlichen muss sich die Strahlung, die die Wolke verlässt, von der unterscheiden, die sie betritt. Da die molekulare Strahlungsreflexion von Wolken vernachlässigbar ist, ist der entscheidende Faktor der scheinbare Temperaturunterschied zwischen Wolke und Hintergrund.

• Zielgas muss Infrarotstrahlung im Betriebsbereich der Kamera absorbieren
• Gaswolke muss einen Strahlungskontrast zum Hintergrund aufweisen
• Die scheinbare Temperatur der Wolke muss sich vom Hintergrund unterscheiden
• Bewegung erhöht die Wolkensichtbarkeit
• Eine ordnungsgemäß kalibrierte Temperaturmessfähigkeit unterstützt die Delta-T-Bewertung (scheinbarer Temperaturunterschied)

Durch die Sichtbarmachung unsichtbarer Gaslecks trägt die optische Gasbildgebungstechnologie erheblich zur industriellen Sicherheit und zum Umweltschutz bei – hilft, Unfälle zu vermeiden, Emissionen zu reduzieren und sauberere, sicherere Umgebungen zu schaffen.