Новая оптическая технология эффективно обнаруживает утечки опасных газов

Представьте, что вы можете "видеть" бесцветные, без запаха утечки газа, которые могут представлять экологическую опасность и угрозу безопасности.Технология оптического изображения газа (OGI) позволяет визуализировать в ином случае невидимые выбросы газаДалеко от научной фантастики, это передовое инженерное решение, основанное на строгих научных принципах, становится незаменимым инструментом промышленной безопасности и защиты окружающей среды.

В своей основе, камеры OGI представляют собой высокоспециализированные версии инфракрасных или тепловых камер.и видоискатели или экраны для отображения изображенийЧто отличает их от обычных инфракрасных камер, так это их использование квантовых детекторов, чувствительных к определенным длинам волн поглощения газа.в сочетании с уникальной оптической технологией фильтрации, которая позволяет им "захватить" утечки газа.

Камеры OGI используют квантовые детекторы, которые должны работать при чрезвычайно низких температурах, обычно около 70 Кельвина (-203°C).электроны в детекторе материала обладают достаточной энергией, чтобы перепрыгнуть в проводящую полосуПри охлаждении до криогенной температуры электроны теряют эту подвижность, делая материал непроводимым.когда фотоны специфической энергии ударяются о детектор, они возбуждают электроны из валентной полосы в проводящую полосу, генерируя фотопоток, пропорциональный интенсивности падающего излучения.

В зависимости от целевого газа, камеры OGI обычно используют два типа квантовых детекторов:

• Камеры инфракрасного излучения средней волны (MWIR):Используется для обнаружения метана и аналогичных газов, работающих в диапазоне 3-5 микрометров с детекторами антимонида индия (InSb), требующими охлаждения ниже 173 K (-100 °C).
• Камеры длинноволнового инфракрасного излучения (LWIR):Разработан для таких газов, как гексафторид серы, работающих в диапазоне 8-12 микрометров с использованием квантовых инфракрасных фотодетекторов (QWIP), которые требуют еще более низких температур (70K / 203 °C или ниже).

Энергия фотона должна превышать энергию пробела в диапазоне (ΔE) детекторного материала, чтобы вызвать переход электронов.Инфракрасные детекторы короткой/средней волны требуют большей энергии, чем детекторы длинной волны, что объясняет, почему последние требуют более низких температур работы..

Для поддержания необходимой криогенной среды большинство камер OGI используют охладители Стирлинга.Эти устройства используют цикл Стирлинга для передачи тепла от холодного конца (детектор) к горячему концу для рассеиванияНесмотря на невысокую эффективность, охладители Стерлинга адекватно отвечают требованиям охлаждения инфракрасных детекторов камер.

Поскольку каждый детектор в фокальной плоскости массива (FPA) показывает незначительные изменения в приросте и смещении, изображения требуют калибровки и коррекции однородности.выполняется автоматически программным обеспечением камеры, обеспечивает высококачественную тепловую визуализацию.

Ключ к обнаружению газов камерами OGI заключается в их спектральном фильтрации.Узкополосный фильтр, установленный перед детектором (и охлажденный рядом с ним для предотвращения обмена излучением), позволяет проходить только излучению определенной длины волны, создавая чрезвычайно узкую полосу передачи с помощью метода, называемого спектральной адаптацией.

Большинство газообразных соединений проявляют инфракрасную абсорбцию, зависящую от длины волны.Фильтры камер OGI выстраиваются с этими пиками поглощения, чтобы максимизировать обнаружение инфракрасной энергии, поглощенной целевыми газами.

Например, большинство углеводородов поглощают энергию около 3,3 микрометра, поэтому фильтр, сосредоточенный на этой длине волны, может обнаружить несколько газов.Некоторые соединения, такие как этилен, имеют несколько сильных поглощающих полос., причем датчики длинной волны часто оказываются более чувствительными, чем альтернативы средней волны для обнаружения.

Благодаря выбору фильтров, которые позволяют работать камерам только в пределах длин волн, где целевые газы демонстрируют сильные пики поглощения (или долины передачи), технология повышает видимость газа.Газ эффективно "блокирует" больше фонового излучения в этих спектральных областях.

С механической точки зрения, молекулы газа напоминают сферы, соединенные пружинами.скручивание, растягивать или колебаться в определенном направлении.

Простые моноатомные молекулы, такие как гелий, демонстрируют только трансляционное движение. Гомоядерные диатомные молекулы (например, водород, азот) добавляют вращательное движение. Сложные полиатомные молекулы (например,углекислый газ, метана) обладают большей механической свободой, позволяющей многократные вращательные и вибрационные переходы, которые эффективно поглощают и излучают тепло.Некоторые из этих переходов попадают в инфракрасный спектр, обнаруживаемый камерами OGI.

Для того, чтобы молекулярная абсорбция фотонов произошла, молекула должна обладать дипольным моментом, способным кратко колебаться на частоте падающего фотона.Это квантово-механическое взаимодействие позволяет передавать электромагнитную энергию фотона молекуле.

Камеры OGI используют характеристики инфракрасного поглощения некоторых молекул для визуализации их в естественной среде.FPA и оптическая система камеры специально настроены для работы в очень узких спектральных диапазонах (сотни нанометров)Только газы, поглощающие в пределах инфракрасной области, определенной фильтром, становятся обнаруживаемыми.

При изображении безпроницаемой сцены объекты фона излучают и отражают инфракрасное излучение через объектив и фильтр камеры.изображение интенсивности излучения без компенсацииЕсли между камерой и фоном присутствует газовое облако, поглощающее излучение в пропускной полосе фильтра, то излучение без пропускной полосы достигает детектора через облако.

Для видимости облаков между облаком и фоном должен существовать достаточный радиационный контраст.Поскольку отражение молекулярного излучения от облаков незначительно, критическим фактором становится видимое различие температуры между облаком и фоном.

• Целевой газ должен поглощать инфракрасное излучение в диапазоне действия камеры
• Газовое облако должно демонстрировать контраст излучения с фоном
• Температура облака должна отличаться от температуры фона.
• Движение повышает видимость облаков
• Правильно калиброванные средства измерения температуры Delta T (очевидная разница температуры)

С помощью оптической технологии визуализации утечек газа, которая делает невидимыми утечки газа, она вносит значительный вклад в промышленную безопасность и защиту окружающей среды, помогая предотвратить несчастные случаи, уменьшить выбросы,и создать более чистые, более безопасные среды.