ลองจินตนาการดูว่า คุณสามารถ "เห็น" การรั่วไหลของก๊าซที่ไม่มีสีและไม่มีกลิ่น ที่อาจทําให้เกิดอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัยเทคโนโลยีการถ่ายภาพก๊าซทางแสง (OGI) ทําให้สิ่งนี้เป็นไปได้ โดยการจินตนาการถึงการปล่อยก๊าซที่มองไม่เห็นห่างไกลจากนิยายวิทยาศาสตร์ การแก้ไขทางวิศวกรรมที่ทันสมัยนี้ ที่พึ่งพากับหลักการทางวิทยาศาสตร์ที่เข้มงวด กําลังกลายเป็นเครื่องมือที่จําเป็นสําหรับความปลอดภัยในอุตสาหกรรมและการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม
คล้อง OGI เป็นรูปแบบที่เชี่ยวชาญสูงของกล้องอินฟราเรดหรือกล้องถ่ายภาพความร้อน ส่วนประกอบพื้นฐานของพวกเขาประกอบด้วยเลนส์, เครื่องตรวจจับ, อิเล็กทรอนิกส์การประมวลสัญญาณและเครื่องดูภาพหรือจอสําหรับการแสดงภาพสิ่งที่ทําให้มันแตกต่างจากกล้องอินฟราเรดแบบปกติ คือการใช้ตัวตรวจจับควอนตัม ที่มีความรู้สึกต่อความยาวคลื่นการดูดซึมก๊าซรวมไปถึงเทคโนโลยีกรองแสงพิเศษ ที่ทําให้พวกเขาสามารถ "จับ" การรั่วไหลของก๊าซ.
กล้อง OGI ใช้ตัวตรวจควอนตัมที่ต้องทํางานในอุณหภูมิที่ต่ํามาก โดยทั่วไปประมาณ 70 Kelvin (-203 °C)อิเล็กตรอนในวัสดุตรวจจับมีพลังงานเพียงพอที่จะกระโดดไปยังวงการนําเมื่อเย็นลงถึงอุณหภูมิแบบหุ่นเย็น อิเล็กตรอนจะสูญเสียความเคลื่อนไหวนี้ ทําให้วัสดุไม่นําเมื่อโฟตอนที่มีพลังงานเฉพาะชนกับตัวตรวจจับ, พวกมันกระตุ้นอิเล็กตรอนจากวงคลื่นวาเลนซ์ไปยังวงคลื่นนํา, สร้างกระแสไฟฟ้าที่สัดส่วนกับความเข้มข้นของรังสีที่เกิดขึ้น
ขึ้นอยู่กับก๊าซเป้าหมาย กล้อง OGI โดยทั่วไปใช้เครื่องตรวจควอนตัมสองชนิด:
พลังงานของโฟตอนต้องเกินพลังงานแบนด์เกปของวัสดุตรวจจับ (ΔE) เพื่อกระตุ้นการเปลี่ยนอิเล็กตรอน เนื่องจากพลังงานของโฟตอนมีความสัมพันธ์กลับกันกับความยาวคลื่นเครื่องตรวจจับอินฟราเรดคลื่นสั้น/กลางต้องการพลังงานสูงกว่า เครื่องตรวจจับคลื่นยาว.
เพื่อบํารุงรักษาสภาพแวดล้อมที่จําเป็นของความเย็น, กล้อง OGI ส่วนใหญ่ใช้เครื่องเย็น Stirling.อุปกรณ์เหล่านี้ใช้วงจร Stirling เพื่อโอนความร้อนจากปลายเย็น (ตัวตรวจจับ) ไปยังปลายร้อนเพื่อการ dissipationขณะที่ไม่มีประสิทธิภาพสูง เครื่องเย็นสเตอร์ลิง ตอบสนองความต้องการในการเย็นของกล้องตรวจจับอินฟราเรดได้อย่างเหมาะสม
เนื่องจากตัวตรวจจับแต่ละตัวในเครือระนาบแกร่ง (FPA) แสดงความแตกต่างเล็ก ๆ น้อย ๆ ในการเพิ่มและการสับสน, ภาพต้องการการปรับขนาดและการแก้ไขความเหมือนกันทําโดยอัตโนมัติโดยโปรแกรมกล้อง, รับประกันผลิตภาพความร้อนที่มีคุณภาพสูง
ที่สําคัญในการตรวจจับก๊าซเฉพาะของกล้อง OGI อยู่ที่วิธีการกรองสายสีเครื่องกรองวงจรแคบที่ติดตั้งอยู่ด้านหน้าตัวตรวจจับ (และเย็นอยู่เคียงข้างมันเพื่อป้องกันการแลกเปลี่ยนรังสี) ยอมให้รังสีความยาวคลื่นเฉพาะเฉพาะเท่านั้นผ่าน, สร้างเทคนิคแดนส่งที่แคบมาก เรียกว่าการปรับสเป็คตรัล
สารประกอบก๊าซส่วนใหญ่แสดงการดูดซึมอินฟราเรดที่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ตัวอย่างเช่น โปรแปนและเมธานแสดงจุดสูงการดูดซึมที่แตกต่างกันในความยาวคลื่นเฉพาะเจาะจงเครื่องกรองกล้อง OGI สอดคล้องกับจุดสูงในการดูดซึมเหล่านี้ เพื่อให้การตรวจจับพลังงานอินฟราเรดที่ซึมซึมโดยก๊าซเป้าหมายสูงสุด.
ตัวอย่างเช่น ไฮโดรคาร์บอนส่วนใหญ่จะดูดซึมพลังงาน ใกล้ 3.3 ไมโครเมตร ดังนั้น เครื่องกรองที่มีศูนย์กลางในความยาวคลื่นนี้ สามารถตรวจจับก๊าซหลายชนิดได้สารประกอบบางประเภท เช่น เอธีเลน มีช่วงการดูดซึมที่แข็งแรงหลายอัน, โดยเซ็นเซอร์คลื่นยาวมักจะมีความรู้สึกมากกว่าตัวแทนคลื่นกลางในการตรวจจับ
โดยการเลือกกรองที่อนุญาตให้กล้องทํางานภายในความยาวคลื่นเท่านั้นที่ก๊าซเป้าหมายแสดงจุดสูงในการดูดซึม (หรือหุบเขาการถ่ายทอด) ที่แข็งแกร่ง เทคโนโลยีเพิ่มความเห็นของก๊าซก๊าซ "ปิด" แผ่นรังสีในภูมิภาคนี้.
จากมุมมองของกลไก โมเลกุลก๊าซคล้ายกับกลมที่เชื่อมต่อกันด้วยสปริงหมุน, ยืด, หรือสั่นสั่นในทิศทางเฉพาะเจาะจง
โมเลกุล monatomic ง่าย ๆ เช่นฮีเลียมแสดงให้เห็นเพียงการเคลื่อนไหวการแปลง โมเลกุล diatomic homonuclear (เช่นไฮโดรเจน, ไนโตรเจน) เพิ่มการเคลื่อนไหวการหมุน โมเลกุล polyatomic ที่ซับซ้อน (เช่นคาร์บอนไดออกไซด์, เมธาน) มีอิสระทางกลที่ใหญ่กว่า ทําให้มีการเปลี่ยนหมุนและสั่นหลายครั้งที่ดูดซึมและปล่อยความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพบางส่วนของการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ตกอยู่ในช่วงสเป็คตรอินฟราเรด ที่สามารถตรวจจับได้โดยกล้อง OGI.
| ประเภทการเปลี่ยน | ความถี่ | ระยะสเปคตรัล |
|---|---|---|
| การหมุนของโมเลกุลหนัก | 109ถึง 1011Hz | ไมโครเวฟ (> 3 มม.) |
| การหมุนของโมเลกุลเบา/การสั่นของโมเลกุลหนัก | 1011ถึง 1013Hz | อินฟราเรดไกล (30μm-3mm) |
| การสั่นสะเทือนของโมเลกุลแสง | 1013ถึง 1014Hz | อินฟราเรด (3μm-30μm) |
| การเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์ | 1014ถึง 1016Hz | อัลตราไวโอเล็ต เห็นได้ |
เพื่อให้เกิดการดูดซึมโฟตอนโมเลกุล โมเลกุลต้องมีวินาทีไดโพล ที่สามารถสั่นสะเทือนในระยะสั้น ๆ ในความถี่ของโฟตอนที่เกิดขึ้นการปฏิสัมพันธ์กลศาสตร์ควอนตัมนี้ ทําให้การถ่ายทอด พลังงานไฟฟ้าแม่เหล็กของโฟตัน ไปยังโมเลกุล.
กล้อง OGI ใช้คุณสมบัติการดูดซึมอินฟราเรดของโมเลกุลบางชนิด เพื่อจินตนาการมันในสภาพแวดล้อมธรรมชาติFPA และระบบแสงของกล้องถูกปรับให้ทํางานในช่วงสายสีที่แคบมาก (ร้อยๆ นาโนเมตร)การตรวจจับได้เพียงก๊าซที่ดูดซึมภายในภูมิภาคอินฟราเรดที่กําหนดโดยเครื่องกรอง
เมื่อถ่ายภาพฉากที่ไม่มีการรั่วไหล วัตถุเบื้องหลังปล่อยและสะท้อนรังสีอินฟราเรดผ่านเลนส์และกรองของกล้องสร้างภาพความเข้มข้นของรังสีที่ไม่ได้รับการชดเชยถ้ามีเมฆก๊าซอยู่ระหว่างกล้องและพื้นหลัง และดูดซึมรังสีภายในแดนผ่านของกรอง
สําหรับความเห็นของเมฆ ต้องมีความแตกต่างระดับรังสีที่เพียงพอระหว่างเมฆและพื้นหลัง โดยพื้นฐานแล้ว การรังสีที่ออกจากเมฆต้องแตกต่างจากการรังสีที่เข้าไปในเมฆเนื่องจากการสะท้อนรังสีโมเลกุลจากเมฆ, ปัจจัยสําคัญกลายเป็นความแตกต่างของอุณหภูมิที่เห็นได้ชัดระหว่างเมฆและพื้นหลัง
ด้วยการทําให้การรั่วไหลของก๊าซที่มองไม่เห็นเป็นที่เห็นได้ชัด เทคโนโลยีการถ่ายภาพก๊าซทางแสง ส่งผลสําคัญต่อความปลอดภัยในอุตสาหกรรมและการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมและสร้างความสะอาดสถานที่ปลอดภัยกว่า
ลองจินตนาการดูว่า คุณสามารถ "เห็น" การรั่วไหลของก๊าซที่ไม่มีสีและไม่มีกลิ่น ที่อาจทําให้เกิดอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัยเทคโนโลยีการถ่ายภาพก๊าซทางแสง (OGI) ทําให้สิ่งนี้เป็นไปได้ โดยการจินตนาการถึงการปล่อยก๊าซที่มองไม่เห็นห่างไกลจากนิยายวิทยาศาสตร์ การแก้ไขทางวิศวกรรมที่ทันสมัยนี้ ที่พึ่งพากับหลักการทางวิทยาศาสตร์ที่เข้มงวด กําลังกลายเป็นเครื่องมือที่จําเป็นสําหรับความปลอดภัยในอุตสาหกรรมและการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม
คล้อง OGI เป็นรูปแบบที่เชี่ยวชาญสูงของกล้องอินฟราเรดหรือกล้องถ่ายภาพความร้อน ส่วนประกอบพื้นฐานของพวกเขาประกอบด้วยเลนส์, เครื่องตรวจจับ, อิเล็กทรอนิกส์การประมวลสัญญาณและเครื่องดูภาพหรือจอสําหรับการแสดงภาพสิ่งที่ทําให้มันแตกต่างจากกล้องอินฟราเรดแบบปกติ คือการใช้ตัวตรวจจับควอนตัม ที่มีความรู้สึกต่อความยาวคลื่นการดูดซึมก๊าซรวมไปถึงเทคโนโลยีกรองแสงพิเศษ ที่ทําให้พวกเขาสามารถ "จับ" การรั่วไหลของก๊าซ.
กล้อง OGI ใช้ตัวตรวจควอนตัมที่ต้องทํางานในอุณหภูมิที่ต่ํามาก โดยทั่วไปประมาณ 70 Kelvin (-203 °C)อิเล็กตรอนในวัสดุตรวจจับมีพลังงานเพียงพอที่จะกระโดดไปยังวงการนําเมื่อเย็นลงถึงอุณหภูมิแบบหุ่นเย็น อิเล็กตรอนจะสูญเสียความเคลื่อนไหวนี้ ทําให้วัสดุไม่นําเมื่อโฟตอนที่มีพลังงานเฉพาะชนกับตัวตรวจจับ, พวกมันกระตุ้นอิเล็กตรอนจากวงคลื่นวาเลนซ์ไปยังวงคลื่นนํา, สร้างกระแสไฟฟ้าที่สัดส่วนกับความเข้มข้นของรังสีที่เกิดขึ้น
ขึ้นอยู่กับก๊าซเป้าหมาย กล้อง OGI โดยทั่วไปใช้เครื่องตรวจควอนตัมสองชนิด:
พลังงานของโฟตอนต้องเกินพลังงานแบนด์เกปของวัสดุตรวจจับ (ΔE) เพื่อกระตุ้นการเปลี่ยนอิเล็กตรอน เนื่องจากพลังงานของโฟตอนมีความสัมพันธ์กลับกันกับความยาวคลื่นเครื่องตรวจจับอินฟราเรดคลื่นสั้น/กลางต้องการพลังงานสูงกว่า เครื่องตรวจจับคลื่นยาว.
เพื่อบํารุงรักษาสภาพแวดล้อมที่จําเป็นของความเย็น, กล้อง OGI ส่วนใหญ่ใช้เครื่องเย็น Stirling.อุปกรณ์เหล่านี้ใช้วงจร Stirling เพื่อโอนความร้อนจากปลายเย็น (ตัวตรวจจับ) ไปยังปลายร้อนเพื่อการ dissipationขณะที่ไม่มีประสิทธิภาพสูง เครื่องเย็นสเตอร์ลิง ตอบสนองความต้องการในการเย็นของกล้องตรวจจับอินฟราเรดได้อย่างเหมาะสม
เนื่องจากตัวตรวจจับแต่ละตัวในเครือระนาบแกร่ง (FPA) แสดงความแตกต่างเล็ก ๆ น้อย ๆ ในการเพิ่มและการสับสน, ภาพต้องการการปรับขนาดและการแก้ไขความเหมือนกันทําโดยอัตโนมัติโดยโปรแกรมกล้อง, รับประกันผลิตภาพความร้อนที่มีคุณภาพสูง
ที่สําคัญในการตรวจจับก๊าซเฉพาะของกล้อง OGI อยู่ที่วิธีการกรองสายสีเครื่องกรองวงจรแคบที่ติดตั้งอยู่ด้านหน้าตัวตรวจจับ (และเย็นอยู่เคียงข้างมันเพื่อป้องกันการแลกเปลี่ยนรังสี) ยอมให้รังสีความยาวคลื่นเฉพาะเฉพาะเท่านั้นผ่าน, สร้างเทคนิคแดนส่งที่แคบมาก เรียกว่าการปรับสเป็คตรัล
สารประกอบก๊าซส่วนใหญ่แสดงการดูดซึมอินฟราเรดที่ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ตัวอย่างเช่น โปรแปนและเมธานแสดงจุดสูงการดูดซึมที่แตกต่างกันในความยาวคลื่นเฉพาะเจาะจงเครื่องกรองกล้อง OGI สอดคล้องกับจุดสูงในการดูดซึมเหล่านี้ เพื่อให้การตรวจจับพลังงานอินฟราเรดที่ซึมซึมโดยก๊าซเป้าหมายสูงสุด.
ตัวอย่างเช่น ไฮโดรคาร์บอนส่วนใหญ่จะดูดซึมพลังงาน ใกล้ 3.3 ไมโครเมตร ดังนั้น เครื่องกรองที่มีศูนย์กลางในความยาวคลื่นนี้ สามารถตรวจจับก๊าซหลายชนิดได้สารประกอบบางประเภท เช่น เอธีเลน มีช่วงการดูดซึมที่แข็งแรงหลายอัน, โดยเซ็นเซอร์คลื่นยาวมักจะมีความรู้สึกมากกว่าตัวแทนคลื่นกลางในการตรวจจับ
โดยการเลือกกรองที่อนุญาตให้กล้องทํางานภายในความยาวคลื่นเท่านั้นที่ก๊าซเป้าหมายแสดงจุดสูงในการดูดซึม (หรือหุบเขาการถ่ายทอด) ที่แข็งแกร่ง เทคโนโลยีเพิ่มความเห็นของก๊าซก๊าซ "ปิด" แผ่นรังสีในภูมิภาคนี้.
จากมุมมองของกลไก โมเลกุลก๊าซคล้ายกับกลมที่เชื่อมต่อกันด้วยสปริงหมุน, ยืด, หรือสั่นสั่นในทิศทางเฉพาะเจาะจง
โมเลกุล monatomic ง่าย ๆ เช่นฮีเลียมแสดงให้เห็นเพียงการเคลื่อนไหวการแปลง โมเลกุล diatomic homonuclear (เช่นไฮโดรเจน, ไนโตรเจน) เพิ่มการเคลื่อนไหวการหมุน โมเลกุล polyatomic ที่ซับซ้อน (เช่นคาร์บอนไดออกไซด์, เมธาน) มีอิสระทางกลที่ใหญ่กว่า ทําให้มีการเปลี่ยนหมุนและสั่นหลายครั้งที่ดูดซึมและปล่อยความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพบางส่วนของการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ตกอยู่ในช่วงสเป็คตรอินฟราเรด ที่สามารถตรวจจับได้โดยกล้อง OGI.
| ประเภทการเปลี่ยน | ความถี่ | ระยะสเปคตรัล |
|---|---|---|
| การหมุนของโมเลกุลหนัก | 109ถึง 1011Hz | ไมโครเวฟ (> 3 มม.) |
| การหมุนของโมเลกุลเบา/การสั่นของโมเลกุลหนัก | 1011ถึง 1013Hz | อินฟราเรดไกล (30μm-3mm) |
| การสั่นสะเทือนของโมเลกุลแสง | 1013ถึง 1014Hz | อินฟราเรด (3μm-30μm) |
| การเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์ | 1014ถึง 1016Hz | อัลตราไวโอเล็ต เห็นได้ |
เพื่อให้เกิดการดูดซึมโฟตอนโมเลกุล โมเลกุลต้องมีวินาทีไดโพล ที่สามารถสั่นสะเทือนในระยะสั้น ๆ ในความถี่ของโฟตอนที่เกิดขึ้นการปฏิสัมพันธ์กลศาสตร์ควอนตัมนี้ ทําให้การถ่ายทอด พลังงานไฟฟ้าแม่เหล็กของโฟตัน ไปยังโมเลกุล.
กล้อง OGI ใช้คุณสมบัติการดูดซึมอินฟราเรดของโมเลกุลบางชนิด เพื่อจินตนาการมันในสภาพแวดล้อมธรรมชาติFPA และระบบแสงของกล้องถูกปรับให้ทํางานในช่วงสายสีที่แคบมาก (ร้อยๆ นาโนเมตร)การตรวจจับได้เพียงก๊าซที่ดูดซึมภายในภูมิภาคอินฟราเรดที่กําหนดโดยเครื่องกรอง
เมื่อถ่ายภาพฉากที่ไม่มีการรั่วไหล วัตถุเบื้องหลังปล่อยและสะท้อนรังสีอินฟราเรดผ่านเลนส์และกรองของกล้องสร้างภาพความเข้มข้นของรังสีที่ไม่ได้รับการชดเชยถ้ามีเมฆก๊าซอยู่ระหว่างกล้องและพื้นหลัง และดูดซึมรังสีภายในแดนผ่านของกรอง
สําหรับความเห็นของเมฆ ต้องมีความแตกต่างระดับรังสีที่เพียงพอระหว่างเมฆและพื้นหลัง โดยพื้นฐานแล้ว การรังสีที่ออกจากเมฆต้องแตกต่างจากการรังสีที่เข้าไปในเมฆเนื่องจากการสะท้อนรังสีโมเลกุลจากเมฆ, ปัจจัยสําคัญกลายเป็นความแตกต่างของอุณหภูมิที่เห็นได้ชัดระหว่างเมฆและพื้นหลัง
ด้วยการทําให้การรั่วไหลของก๊าซที่มองไม่เห็นเป็นที่เห็นได้ชัด เทคโนโลยีการถ่ายภาพก๊าซทางแสง ส่งผลสําคัญต่อความปลอดภัยในอุตสาหกรรมและการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมและสร้างความสะอาดสถานที่ปลอดภัยกว่า
