Nuova tecnologia ottica rileva efficacemente perdite di gas pericolosi

Immaginate di poter "vedere" perdite di gas incolori e inodori che potrebbero rappresentare rischi ambientali e per la sicurezza.La tecnologia di imaging ottico dei gas (OGI) lo rende possibile visualizzando le emissioni di gas altrimenti invisibiliLungi dalla fantascienza, questa soluzione ingegneristica avanzata basata su rigorosi principi scientifici sta diventando uno strumento indispensabile per la sicurezza industriale e la protezione dell'ambiente.

Le telecamere OGI sono in sostanza versioni altamente specializzate di telecamere a infrarossi o a immagini termiche.con una lunghezza massima non superiore a 50 mm,Ciò che le distingue dalle telecamere a infrarossi convenzionali è l'uso di rilevatori quantistici sensibili a lunghezze d'onda specifiche di assorbimento del gas,combinato con una tecnologia di filtraggio ottico unica che consente loro di "catturare" le perdite di gas.

Le telecamere OGI utilizzano rilevatori quantistici che devono funzionare a temperature estremamente basse, in genere intorno ai 70 Kelvin (-203°C).gli elettroni nel materiale del rilevatore possiedono energia sufficiente per saltare nella banda di conduzioneQuando vengono raffreddati a temperature criogeniche, gli elettroni perdono questa mobilità, rendendo il materiale non conduttivo.quando i fotoni di energia specifica colpiscono il rilevatore, eccitano gli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione, generando una fotocorrente proporzionale all'intensità della radiazione incidente.

A seconda del gas bersaglio, le telecamere OGI utilizzano in genere due tipi di rilevatori quantistici:

• apparecchiature per il controllo delle emissioni:Utilizzato per rilevare il metano e gas simili, operando nell'intervallo 3-5 micrometri con rilevatori di antimonuro di indio (InSb) che richiedono un raffreddamento al di sotto di 173 K (-100 °C).
• Telecamere a infrarossi a onde lunghe (LWIR):Progettato per gas come l'esafluoruro di zolfo, operante nell'intervallo di 8-12 micrometri utilizzando fotodetettori a infrarossi quantistici (QWIP) che richiedono temperature ancora più basse (70 K/-203 °C o inferiore).

L'energia del fotone deve superare l'energia di banda del materiale del rilevatore (ΔE) per innescare le transizioni elettroniche.I rilevatori a infrarossi a onde corte/medio richiedono un'energia maggiore rispetto ai rilevatori a onde lunghe, il che spiega perché questi ultimi hanno bisogno di temperature di funzionamento più basse..

Per mantenere l'ambiente criogenico necessario, la maggior parte delle telecamere OGI utilizza refrigeratori Stirling.Questi dispositivi utilizzano il ciclo di Stirling per trasferire il calore dalla parte fredda (detettore) alla parte calda per la dissipazioneSebbene non siano molto efficienti, i refrigeratori Stirling soddisfano adeguatamente i requisiti di raffreddamento dei rilevatori delle telecamere a infrarossi.

Poiché ogni rilevatore nella matrice del piano focale (FPA) presenta lievi variazioni di guadagno e di spostamento, le immagini richiedono calibrazione e correzione dell'uniformità.eseguito automaticamente da un software per telecamere, garantisce una produzione di immagini termiche di alta qualità.

La chiave per la rilevazione specifica dei gas delle telecamere OGI risiede nel loro approccio di filtraggio spettrale.Un filtro a banda stretta installato di fronte al rilevatore (e raffreddato accanto ad esso per evitare lo scambio di radiazioni) consente solo il passaggio di radiazioni di lunghezza d'onda specifica, creando una banda di trasmissione estremamente stretta, una tecnica chiamata adattamento spettrale.

La maggior parte dei composti gassosi presentano un assorbimento infrarosso dipendente dalla lunghezza d'onda.I filtri della telecamera OGI si allineano con questi picchi di assorbimento per massimizzare il rilevamento dell'energia infrarossa assorbita dai gas bersaglio.

Ad esempio, la maggior parte degli idrocarburi assorbe energia vicino ai 3,3 micrometri, quindi un filtro centrato su questa lunghezza d'onda può rilevare più gas.Alcuni composti come l'etilene presentano molteplici fasce di assorbimento, con sensori a onde lunghe spesso più sensibili delle alternative a onde medie per il rilevamento.

Selezionando filtri che consentono solo il funzionamento della fotocamera entro lunghezze d'onda in cui i gas bersaglio presentano forti picchi di assorbimento (o valli di trasmissione), la tecnologia migliora la visibilità del gas.Il gas blocca efficacemente più radiazioni di fondo in queste regioni spettrali.

Da un punto di vista meccanico, le molecole di gas assomigliano a sfere collegate da molle.torsione, allungare o oscillare in direzioni specifiche.

Le molecole monoatomiche semplici come l'elio mostrano solo un movimento traslazionale. Le molecole diatomiche omonucleari (ad esempio, idrogeno, azoto) aggiungono un movimento rotazionale. Le molecole poliatomiche complesse (ad esempio,biossido di carbonio, metano) possiedono una maggiore libertà meccanica, consentendo molteplici transizioni rotazionali e vibrazionali che assorbono ed emettono efficacemente calore.Alcune di queste transizioni rientrano nello spettro infrarosso rilevabile dalle telecamere OGI.

Affinché si verifichi l'assorbimento di fotoni molecolari, la molecola deve possedere un momento dipolare in grado di oscillare brevemente alla frequenza del fotone incidente.Questa interazione quantistica permette il trasferimento dell'energia elettromagnetica del fotone alla molecola.

Le telecamere OGI sfruttano le caratteristiche di assorbimento infrarosso di alcune molecole per visualizzarle in ambienti naturali.L'FPA e il sistema ottico della fotocamera sono appositamente configurati per funzionare in fasce spettrali estremamente strette (centinaia di nanometri)Solo i gas che assorbono all'interno della regione infrarossa definita dal filtro diventano rilevabili.

Quando si scatta una scena senza perdite, gli oggetti di sfondo emettono e riflettono radiazioni infrarosse attraverso l'obiettivo e il filtro della fotocamera.produrre un'immagine di intensità di radiazione non compensataSe una nube di gas si trova tra la fotocamera e lo sfondo e assorbe la radiazione all'interno della banda di passaggio del filtro, la radiazione senza banda raggiunge il rilevatore attraverso la nube.

Per la visibilità delle nuvole, deve esistere un contrasto radiativo sufficiente tra nuvola e sfondo.Dato che il riflesso delle radiazioni molecolari dalle nuvole è trascurabile, il fattore critico diventa la differenza di temperatura apparente tra nuvola e sfondo.

• Il gas bersaglio deve assorbire le radiazioni infrarosse nella banda operativa della telecamera
• La nube di gas deve mostrare un contrasto radiativo con lo sfondo
• La temperatura apparente delle nuvole deve essere diversa da quella del fondo
• Il movimento migliora la visibilità delle nuvole
• Valutazione della capacità di misurazione della temperatura adeguatamente calibrata Delta T (differenza di temperatura apparente)

Rendere visibili le perdite di gas invisibili, la tecnologia di imaging ottico dei gas contribuisce in modo significativo alla sicurezza industriale e alla protezione dell'ambiente, contribuendo a prevenire gli incidenti, riducendo le emissioni,e creare più pulita, ambienti più sicuri.