Nova tecnologia óptica detecta efetivamente vazamentos de gases perigosos

Imagine ser capaz de "ver" vazamentos de gás incolores e inodoros que podem representar riscos ambientais e perigos para a segurança. A tecnologia de imagem óptica de gás (OGI) torna isso possível, visualizando emissões de gás que, de outra forma, seriam invisíveis. Longe de ser ficção científica, esta solução de engenharia avançada, baseada em princípios científicos rigorosos, está se tornando uma ferramenta indispensável para a segurança industrial e a proteção ambiental.

Em sua essência, as câmeras OGI representam versões altamente especializadas de câmeras de imagem infravermelha ou térmica. Seus componentes básicos incluem lentes, detectores, eletrônicos de processamento de sinal e visores ou telas para exibição de imagens. O que as diferencia das câmeras infravermelhas convencionais é o uso de detectores quânticos sensíveis a comprimentos de onda específicos de absorção de gás, combinados com uma tecnologia exclusiva de filtragem óptica que lhes permite "capturar" vazamentos de gás.

As câmeras OGI empregam detectores quânticos que devem operar em temperaturas extremamente baixas - normalmente em torno de 70 Kelvin (-203°C). Este requisito decorre da física fundamental: à temperatura ambiente, os elétrons no material do detector possuem energia suficiente para saltar para a banda de condução, tornando o material condutor. Quando resfriados a temperaturas criogênicas, os elétrons perdem essa mobilidade, tornando o material não condutor. Nesse estado, quando fótons de energia específica atingem o detector, eles excitam os elétrons da banda de valência para a banda de condução, gerando uma fotocorrente proporcional à intensidade da radiação incidente.

Dependendo do gás alvo, as câmeras OGI normalmente usam dois tipos de detectores quânticos:

• Câmeras infravermelhas de onda média (MWIR): Usadas para detectar metano e gases semelhantes, operando na faixa de 3 a 5 micrômetros com detectores de antimoneto de índio (InSb) que exigem resfriamento abaixo de 173K (-100°C).
• Câmeras infravermelhas de onda longa (LWIR): Projetadas para gases como hexafluoreto de enxofre, operando na faixa de 8 a 12 micrômetros usando fotodetectores infravermelhos de poço quântico (QWIPs) que exigem temperaturas ainda mais baixas (70K/-203°C ou abaixo).

A energia do fóton deve exceder a energia da banda proibida (ΔE) do material do detector para acionar as transições eletrônicas. Como a energia do fóton se correlaciona inversamente com o comprimento de onda, os detectores infravermelhos de onda curta/média exigem maior energia do que os detectores de onda longa - explicando por que estes últimos precisam de temperaturas de operação mais baixas.

Para manter o ambiente criogênico necessário, a maioria das câmeras OGI utiliza resfriadores Stirling. Esses dispositivos empregam o ciclo Stirling para transferir calor da extremidade fria (detector) para a extremidade quente para dissipação. Embora não sejam altamente eficientes, os resfriadores Stirling atendem adequadamente aos requisitos de resfriamento do detector da câmera infravermelha.

Como cada detector na matriz do plano focal (FPA) exibe pequenas variações no ganho e no deslocamento, as imagens exigem calibração e correção de uniformidade. Este processo de calibração em várias etapas, realizado automaticamente pelo software da câmera, garante uma saída de imagem térmica de alta qualidade.

A chave para a detecção específica de gás das câmeras OGI reside em sua abordagem de filtragem espectral. Um filtro de banda estreita instalado na frente do detector (e resfriado junto com ele para evitar a troca radiativa) permite apenas a passagem de radiação de comprimento de onda específico, criando uma banda de transmissão extremamente estreita - uma técnica chamada adaptação espectral.

A maioria dos compostos gasosos exibe absorção infravermelha dependente do comprimento de onda. Por exemplo, propano e metano mostram picos de absorção distintos em comprimentos de onda específicos. Os filtros das câmeras OGI se alinham com esses picos de absorção para maximizar a detecção de energia infravermelha absorvida pelos gases alvo.

Por exemplo, a maioria dos hidrocarbonetos absorve energia perto de 3,3 micrômetros, portanto, um filtro centrado nesse comprimento de onda pode detectar vários gases. Alguns compostos como o etileno apresentam múltiplas bandas de absorção fortes, com sensores de onda longa frequentemente provando ser mais sensíveis do que as alternativas de onda média para detecção.

Ao selecionar filtros que permitem a operação da câmera apenas em comprimentos de onda onde os gases alvo exibem picos de absorção fortes (ou vales de transmissão), a tecnologia aprimora a visibilidade do gás. O gás efetivamente "bloqueia" mais radiação de fundo nessas regiões espectrais.

De uma perspectiva mecânica, as moléculas de gás se assemelham a esferas conectadas por molas. Com base na contagem atômica, tamanho, massa e elasticidade da "mola", as moléculas podem se traduzir, vibrar ao longo dos eixos, girar, torcer, esticar ou oscilar em direções específicas.

Moléculas monatômicas simples como o hélio exibem apenas movimento translacional. Moléculas diatômicas homonucleares (por exemplo, hidrogênio, nitrogênio) adicionam movimento rotacional. Moléculas poliatômicas complexas (por exemplo, dióxido de carbono, metano) possuem maior liberdade mecânica, permitindo múltiplas transições rotacionais e vibracionais que absorvem e emitem calor de forma eficiente. Algumas dessas transições estão dentro do espectro infravermelho detectável por câmeras OGI.

Para que a absorção molecular de fótons ocorra, a molécula deve possuir um momento de dipolo capaz de oscilar brevemente na frequência do fóton incidente. Essa interação quântico-mecânica permite a transferência da energia eletromagnética do fóton para a molécula.

As câmeras OGI aproveitam as características de absorção infravermelha de certas moléculas para visualizá-las em ambientes naturais. A FPA e o sistema óptico da câmera são especialmente ajustados para operar em bandas espectrais extremamente estreitas (centenas de nanômetros), proporcionando seletividade excepcional. Apenas os gases que absorvem dentro da região infravermelha definida pelo filtro se tornam detectáveis.

Ao obter imagens de uma cena sem vazamentos, os objetos de fundo emitem e refletem radiação infravermelha através da lente e do filtro da câmera. O filtro transmite apenas comprimentos de onda específicos para o detector, produzindo uma imagem de intensidade de radiação não compensada. Se uma nuvem de gás existir entre a câmera e o fundo - e absorver radiação dentro da faixa de passagem do filtro - menos radiação atinge o detector através da nuvem.

Para a visibilidade da nuvem, deve existir contraste radiativo suficiente entre a nuvem e o fundo. Essencialmente, a radiação que sai da nuvem deve ser diferente da que entra nela. Como a reflexão da radiação molecular das nuvens é insignificante, o fator crítico se torna a diferença de temperatura aparente entre a nuvem e o fundo.

• O gás alvo deve absorver radiação infravermelha na banda operacional da câmera
• A nuvem de gás deve exibir contraste radiativo com o fundo
• A temperatura aparente da nuvem deve ser diferente do fundo
• O movimento aumenta a visibilidade da nuvem
• A capacidade de medição de temperatura devidamente calibrada auxilia na avaliação do Delta T (diferença de temperatura aparente)

Ao tornar os vazamentos de gás invisíveis visíveis, a tecnologia de imagem óptica de gás contribui significativamente para a segurança industrial e a proteção ambiental - ajudando a prevenir acidentes, reduzir emissões e criar ambientes mais limpos e seguros.