Nueva tecnología óptica detecta fugas de gases peligrosos eficientemente

Imagine poder "ver" fugas de gases incoloros e inodoros que podrían representar riesgos ambientales y peligros para la seguridad. La tecnología de imagen óptica de gases (OGI) hace esto posible al visualizar emisiones de gases que de otro modo serían invisibles. Lejos de la ciencia ficción, esta solución de ingeniería avanzada basada en rigurosos principios científicos se está convirtiendo en una herramienta indispensable para la seguridad industrial y la protección ambiental.

En esencia, las cámaras OGI representan versiones altamente especializadas de cámaras de imágenes infrarrojas o térmicas. Sus componentes básicos incluyen lentes, detectores, electrónica de procesamiento de señales y visores o pantallas para la visualización de imágenes. Lo que las diferencia de las cámaras infrarrojas convencionales es su uso de detectores cuánticos sensibles a longitudes de onda específicas de absorción de gas, combinados con una tecnología única de filtrado óptico que les permite "capturar" fugas de gas.

Las cámaras OGI emplean detectores cuánticos que deben operar a temperaturas extremadamente bajas, típicamente alrededor de 70 Kelvin (-203°C). Este requisito se deriva de la física fundamental: a temperatura ambiente, los electrones en el material del detector poseen suficiente energía para saltar a la banda de conducción, lo que hace que el material sea conductor. Cuando se enfrían a temperaturas criogénicas, los electrones pierden esta movilidad, lo que hace que el material no sea conductor. En este estado, cuando los fotones de energía específica golpean el detector, excitan los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, generando una fotocorriente proporcional a la intensidad de la radiación incidente.

Dependiendo del gas objetivo, las cámaras OGI suelen utilizar dos tipos de detectores cuánticos:

• Cámaras infrarrojas de onda media (MWIR): Se utilizan para detectar metano y gases similares, operando en el rango de 3-5 micrómetros con detectores de antimoniuro de indio (InSb) que requieren enfriamiento por debajo de 173K (-100°C).
• Cámaras infrarrojas de onda larga (LWIR): Diseñadas para gases como el hexafluoruro de azufre, que operan en el rango de 8-12 micrómetros utilizando fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico (QWIP) que requieren temperaturas aún más bajas (70K/-203°C o menos).

La energía del fotón debe exceder la energía de la banda prohibida (ΔE) del material del detector para activar las transiciones de electrones. Dado que la energía del fotón se correlaciona inversamente con la longitud de onda, los detectores infrarrojos de onda corta/media requieren mayor energía que los detectores de onda larga, lo que explica por qué estos últimos necesitan temperaturas de funcionamiento más bajas.

Para mantener el entorno criogénico necesario, la mayoría de las cámaras OGI utilizan enfriadores Stirling. Estos dispositivos emplean el ciclo Stirling para transferir calor del extremo frío (detector) al extremo caliente para su disipación. Si bien no son muy eficientes, los enfriadores Stirling cumplen adecuadamente los requisitos de enfriamiento del detector de la cámara infrarroja.

Dado que cada detector en la matriz del plano focal (FPA) exhibe ligeras variaciones en la ganancia y el desplazamiento, las imágenes requieren calibración y corrección de uniformidad. Este proceso de calibración de varios pasos, realizado automáticamente por el software de la cámara, garantiza una salida de imágenes térmicas de alta calidad.

La clave de la detección específica de gas de las cámaras OGI reside en su enfoque de filtrado espectral. Un filtro de banda estrecha instalado frente al detector (y enfriado junto con él para evitar el intercambio radiativo) permite el paso de radiación de longitud de onda específica, creando una banda de transmisión extremadamente estrecha, una técnica llamada adaptación espectral.

La mayoría de los compuestos gaseosos exhiben absorción infrarroja dependiente de la longitud de onda. Por ejemplo, el propano y el metano muestran picos de absorción distintos en longitudes de onda específicas. Los filtros de las cámaras OGI se alinean con estos picos de absorción para maximizar la detección de la energía infrarroja absorbida por los gases objetivo.

Por ejemplo, la mayoría de los hidrocarburos absorben energía cerca de 3,3 micrómetros, por lo que un filtro centrado en esta longitud de onda puede detectar múltiples gases. Algunos compuestos como el etileno presentan múltiples bandas de absorción fuertes, y los sensores de onda larga a menudo resultan más sensibles que las alternativas de onda media para la detección.

Al seleccionar filtros que solo permiten el funcionamiento de la cámara dentro de las longitudes de onda donde los gases objetivo exhiben fuertes picos de absorción (o valles de transmisión), la tecnología mejora la visibilidad del gas. El gas efectivamente "bloquea" más radiación de fondo en estas regiones espectrales.

Desde una perspectiva mecánica, las moléculas de gas se asemejan a esferas conectadas por resortes. Según el recuento atómico, el tamaño, la masa y la elasticidad del "resorte", las moléculas pueden trasladarse, vibrar a lo largo de los ejes, rotar, torcerse, estirarse o tambalearse en direcciones específicas.

Las moléculas monoatómicas simples como el helio exhiben solo movimiento traslacional. Las moléculas diatómicas homonucleares (por ejemplo, hidrógeno, nitrógeno) agregan movimiento rotacional. Las moléculas poliatómicas complejas (por ejemplo, dióxido de carbono, metano) poseen una mayor libertad mecánica, lo que permite múltiples transiciones rotacionales y vibracionales que absorben y emiten calor de manera eficiente. Algunas de estas transiciones caen dentro del espectro infrarrojo detectable por las cámaras OGI.

Para que se produzca la absorción molecular de fotones, la molécula debe poseer un momento dipolar capaz de oscilar brevemente a la frecuencia del fotón incidente. Esta interacción mecánica cuántica permite la transferencia de la energía electromagnética del fotón a la molécula.

Las cámaras OGI aprovechan las características de absorción infrarroja de ciertas moléculas para visualizarlas en entornos naturales. La FPA y el sistema óptico de la cámara están especialmente sintonizados para operar dentro de bandas espectrales extremadamente estrechas (cientos de nanómetros), lo que proporciona una selectividad excepcional. Solo los gases que absorben dentro de la región infrarroja definida por el filtro se vuelven detectables.

Al tomar imágenes de una escena sin fugas, los objetos de fondo emiten y reflejan la radiación infrarroja a través de la lente y el filtro de la cámara. El filtro transmite solo longitudes de onda específicas al detector, produciendo una imagen de intensidad de radiación no compensada. Si existe una nube de gas entre la cámara y el fondo, y absorbe la radiación dentro de la banda de paso del filtro, llega menos radiación al detector a través de la nube.

Para la visibilidad de la nube, debe existir un contraste radiativo suficiente entre la nube y el fondo. Esencialmente, la radiación que sale de la nube debe diferir de la que entra. Dado que la reflexión de la radiación molecular de las nubes es insignificante, el factor crítico se convierte en la diferencia de temperatura aparente entre la nube y el fondo.

• El gas objetivo debe absorber la radiación infrarroja en la banda operativa de la cámara
• La nube de gas debe exhibir contraste radiativo con el fondo
• La temperatura aparente de la nube debe diferir del fondo
• El movimiento mejora la visibilidad de la nube
• La capacidad de medición de temperatura correctamente calibrada ayuda a la evaluación de Delta T (diferencia de temperatura aparente)

Al hacer visibles las fugas de gas invisibles, la tecnología de imagen óptica de gases contribuye significativamente a la seguridad industrial y la protección ambiental, lo que ayuda a prevenir accidentes, reducir las emisiones y crear entornos más limpios y seguros.