Nuova tecnologia ottica rileva efficacemente perdite di gas pericolosi

Immagina di poter "vedere" perdite di gas incolore e inodore che potrebbero comportare rischi ambientali e pericoli per la sicurezza. La tecnologia di imaging ottico dei gas (OGI) rende possibile tutto ciò visualizzando le emissioni di gas altrimenti invisibili. Ben lontana dalla fantascienza, questa soluzione ingegneristica avanzata basata su rigorosi principi scientifici sta diventando uno strumento indispensabile per la sicurezza industriale e la protezione ambientale.

Fondamentalmente, le telecamere OGI rappresentano versioni altamente specializzate di telecamere a infrarossi o a imaging termico. I loro componenti di base includono lenti, rilevatori, elettronica di elaborazione del segnale e mirini o schermi per la visualizzazione delle immagini. Ciò che le distingue dalle telecamere a infrarossi convenzionali è l'uso di rilevatori quantistici sensibili a specifiche lunghezze d'onda di assorbimento dei gas, combinati con un'esclusiva tecnologia di filtraggio ottico che consente loro di "catturare" le perdite di gas.

Le telecamere OGI impiegano rilevatori quantistici che devono operare a temperature estremamente basse, in genere intorno ai 70 Kelvin (-203°C). Questo requisito deriva dalla fisica fondamentale: a temperatura ambiente, gli elettroni nel materiale del rilevatore possiedono energia sufficiente per saltare nella banda di conduzione, rendendo il materiale conduttivo. Quando vengono raffreddati a temperature criogeniche, gli elettroni perdono questa mobilità, rendendo il materiale non conduttivo. In questo stato, 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 tipicamente due tipi di rilevatori quantistici:

• Telecamere a infrarossi a onde medie (MWIR): Utilizzate per rilevare metano e gas simili, operando nella gamma di 3-5 micrometri con rilevatori di antimoniuro di indio (InSb) che richiedono il raffreddamento al di sotto di 173K (-100°C).
• Telecamere a infrarossi a onde lunghe (LWIR): Progettate per gas come l'esafluoruro di zolfo, operanti nella gamma di 8-12 micrometri utilizzando fotodiodi a infrarossi a pozzo quantistico (QWIP) che richiedono temperature ancora più basse (70K/-203°C o inferiori).

L'energia dei fotoni deve superare l'energia della banda proibita (ΔE) del materiale del rilevatore per innescare le transizioni elettroniche. Poiché l'energia dei fotoni è inversamente correlata alla lunghezza d'onda, i rilevatori a infrarossi a onde corte/medie richiedono un'energia maggiore rispetto ai rilevatori a onde lunghe, il che spiega perché questi ultimi necessitano di temperature operative inferiori.

Per mantenere l'ambiente criogenico necessario, la maggior parte delle telecamere OGI utilizza i refrigeratori Stirling. Questi dispositivi impiegano il ciclo Stirling per trasferire il calore dall'estremità fredda (rilevatore) all'estremità calda per la dissipazione. Sebbene non siano altamente efficienti, i refrigeratori Stirling soddisfano adeguatamente i requisiti di raffreddamento dei rilevatori delle telecamere a infrarossi.

Poiché ogni rilevatore nell'array del piano focale (FPA) presenta leggere variazioni di guadagno e offset, le immagini richiedono calibrazione e correzione dell'uniformità. Questo processo di calibrazione in più fasi, eseguito automaticamente dal software della telecamera, garantisce un'uscita di imaging termico di alta qualità.

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

La maggior parte dei composti gassosi mostra un assorbimento a infrarossi dipendente dalla lunghezza d'onda. Ad esempio, propano e metano mostrano picchi di assorbimento distinti a specifiche lunghezze d'onda. I filtri delle telecamere 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 a 3,3 micrometri, quindi un filtro centrato su questa lunghezza d'onda può rilevare più gas. Alcuni composti come l'etilene presentano più bande di assorbimento forti, con i sensori a onde lunghe che spesso si dimostrano più sensibili rispetto alle alternative a onde medie per il rilevamento.

Selezionando filtri che consentono il funzionamento della telecamera solo all'interno delle lunghezze d'onda in cui i gas bersaglio mostrano forti picchi di assorbimento (o valli di trasmissione), la tecnologia migliora la visibilità dei gas. Il gas effettivamente "blocca" più radiazioni di fondo in queste regioni spettrali.

Le telecamere OGI sfruttano le caratteristiche di assorbimento a infrarossi di alcune molecole per visualizzarle in ambienti naturali. L'FPA e il sistema ottico della telecamera sono appositamente sintonizzati per operare all'interno di bande spettrali estremamente strette (centinaia di nanometri), fornendo un'eccezionale selettività. Solo i gas che assorbono all'interno della regione infrarossa definita dal filtro diventano rilevabili.

Quando si riprende una scena priva di perdite, gli oggetti di sfondo emettono e riflettono la radiazione infrarossa attraverso l'obiettivo e il filtro della telecamera. Il filtro trasmette solo specifiche lunghezze d'onda al rilevatore, producendo un'immagine di intensità di radiazione non compensata. Se una nube di gas esiste tra la telecamera e lo sfondo, e assorbe la radiazione all'interno della banda passante del filtro, meno radiazione raggiunge il rilevatore attraverso la nube.

Per la visibilità della nube, deve esistere un contrasto radiativo sufficiente tra la nube e lo sfondo. Essenzialmente, la radiazione che esce dalla nube deve differire da quella che vi entra. Poiché la riflessione della radiazione molecolare dalle nubi è trascurabile, il fattore critico diventa l'apparente differenza di temperatura tra la nube e lo sfondo.

• Il gas bersaglio deve assorbire la radiazione infrarossa nella banda operativa della telecamera
• La nube di gas deve mostrare un contrasto radiativo con lo sfondo
• La temperatura apparente della nube deve differire dallo sfondo
• Il movimento migliora la visibilità della nube
• Una capacità di misurazione della temperatura correttamente calibrata aiuta la valutazione del Delta T (differenza di temperatura apparente)

Rendendo visibili le perdite di gas invisibili, la tecnologia di imaging ottico dei gas contribuisce in modo significativo alla sicurezza industriale e alla protezione ambientale, contribuendo a prevenire incidenti, ridurre le emissioni e creare ambienti più puliti e sicuri.