La scienza alla base del rilevamento ottico di gas

Sensori

Una termocamera per la rilevazione ottica di gas può essere considerata una versione altamente specializzata di una telecamera a infrarossi o di una termocamera. È dotata di un’ottica, un sensore, dell'elettronica per elaborare il segnale proveniente dal sensore, e un oculare o uno schermo per consentire all'utente di vedere l'immagine prodotta dalla termocamera. I sensori utilizzati per le termocamere OGI sono sensori quantici, che richiedono il raffreddamento a temperature criogeniche (circa 70K o -203 °C). Le termocamere a onde medie che rilevano gas come il metano, funzionano comunemente nella banda spettrale 3-5 μm e utilizzano un sensore ad antimoniuro di indio (InSb). Le termocamere a onde lunghe che rilevano gas come l'esafluoruro di zolfo, tendono a funzionare nella banda spettrale 8-12 μm e utilizzano un fotorilevatore di infrarosso Quantum Well (QWIP).

Quando i materiali utilizzati per i sensori quantici sono a temperatura ambiente, i loro elettroni sono a diversi livelli di energia. Alcuni elettroni hanno sufficiente energia termica per rimanere nella banda di conduzione, ossia sono liberi di muoversi e il materiale può condurre una corrente elettrica. Tuttavia, la maggior parte degli elettroni si trova nella banda di valenza, dove non trasportano corrente perché non possono muoversi liberamente.

Quando il materiale viene raffreddato a una temperatura sufficientemente bassa, che varia a seconda del materiale scelto, l'energia termica degli elettroni può essere così bassa che nessun elettrone può raggiungere la banda di conduzione. Pertanto, il materiale non può trasportare corrente. Quando questi materiali sono esposti a fotoni incidenti, e i fotoni hanno energia sufficiente, l'energia stimola gli elettroni nella banda di valenza, che salteranno nella banda di conduzione. A questo punto il materiale (il sensore) può trasportare una fotocorrente proporzionale all'intensità della radiazione incidente.

C'è una soglia di energia molto precisa dei fotoni incidenti che permetterà a un elettrone di saltare dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Questa energia è correlata a una data lunghezza d'onda: la lunghezza d'onda di cut-off. Poiché l'energia del fotone è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda, le energie sono più elevate nella banda a onde corte/medie che nella banda a onde lunghe. Pertanto, come regola, le temperature d'esercizio dei sensori a onde lunghe sono inferiori a quelle dei sensori a onde corte/medie. Per un sensore a onde medie InSb, la temperatura necessaria deve essere inferiore a 173 K (-100 °C), anche se può essere utilizzato a una temperatura molto più bassa. Un sensore QWIP a onde lunghe, invece, deve funzionare a circa 70 K (-203 °C) o temperatura inferiore. La lunghezza d'onda e l'energia dei fotoni incidenti devono essere sufficienti a superare l'energia di gap di banda, ΔE.

Metodo di raffreddamento

I sensori nella maggior parte delle termocamere OGI sono raffreddati con il processo Stirling. Il processo Stirling rimuove il calore dal dito freddo (Figura 1) e lo dissipa sul lato caldo. L'efficienza di questo tipo di raffreddamento è relativamente bassa, ma sufficiente per raffreddare un sensore a infrarosso.

Figura 1. Raffreddatore Stirling integrato, con gas elio, in grado di raffreddare il sensore a -196 ºC o, talvolta, a temperatura inferiore

Normalizzazione dell'immagine

Un'altra complessità è il fatto che ogni singolo sensore nel focal plane array (FPA) ha un guadagno e offset zero che differiscono leggermente. Per creare un'immagine termografica utile, i diversi guadagni e offset devono essere corretti su un valore normalizzato. Questo processo di calibrazione a più fasi viene eseguito dal software della termocamera. La fase finale del processo è la correzione di non uniformità (NUC - Non-Uniformity Correction). Nelle termocamere per le misurazioni, questa calibrazione viene eseguita automaticamente dalla termocamera. Nella termocamera OGI, la calibrazione è un processo manuale. Questo perché la termocamera non dispone di un otturatore interno atto a presentare una sorgente di temperatura uniforme al sensore.

Il risultato finale è un'immagine termografica che rappresenta con precisione le temperature relative sull'oggetto o sulla scena. Non viene eseguita alcuna compensazione per l'emissività o la radiazione di altri oggetti che viene riflessa dall'oggetto target nella termocamera (temperatura apparente riflessa). L'immagine è l'immagine reale ed effettiva dell'intensità di radiazione, indipendentemente dalla sorgente della radiazione termica.

Adattamento spettrale

La termocamera OGI utilizza un esclusivo metodo a filtro spettrale che le consente di rilevare un composto gassoso. Il filtro è montato davanti al sensore e raffreddato insieme ad esso per evitare qualsiasi scambio di radiazione tra il filtro e il sensore. Il filtro limita le lunghezze d'onda della radiazione che può passare al sensore a una banda molto stretta, chiamata passaggio di banda. Questa tecnica è chiamata adattamento spettrale.

Figura 2. Interno di un sensore per il rilevamento ottico di gas

Spettri di assorbimento infrarosso del gas

Per la maggior parte dei composti gassosi, le caratteristiche di assorbimento dell'infrarosso dipendono dalla lunghezza d'onda. Nelle Figure 3A e 3B, il picco di assorbimento per propano e metano è indicata dalla forte caduta delle linee di trasmittanza sui grafici. Le regioni gialle rappresentano un filtro spettrale campione utilizzato in una termocamera OGI, progettato per corrispondere alla gamma di lunghezze d'onda in cui la maggior parte dell'energia infrarossa di fondo verrebbe assorbita dal particolare gas di interesse.

Figura 3: Caratteristiche di assorbimento dell’infrarosso del propano

Figura 3B. Caratteristiche di assorbimento dell’infrarosso del metano

La maggior parte degli idrocarburi assorbe energia intorno a 3,3 μm, per cui il filtro campione nella Figura 3 può essere utilizzato per rilevare un'ampia varietà di gas. I fattori di risposta (RF) per più di 400 composti aggiuntivi sono disponibili nel sito seguente: http://rfcalc.providencephotonics.com.

L'etilene ha due forti bande di assorbimento, ma un sensore a onda lunga rileverà questo gas con una sensibilità maggiore rispetto a un sensore a onda media in base alla curva di trasmittanza mostrata di seguito.

Figura 4. Caratteristiche di  assorbimento dell’infrarosso dell'etilene

Selezionando un filtro che vincola la termocamera a operare solo in una lunghezza d'onda in cui un gas ha un picco di assorbimento molto elevato (o trasmissione minima), si valorizza la visibilità del gas. Il gas "blocca" in modo efficace la maggior parte della radiazione proveniente dagli oggetti che si trovano dietro il pennacchio sullo sfondo.

Perché alcuni gas assorbono la radiazione infrarossa?

Da un punto di vista meccanico, le molecole di un gas possono essere comparate a dei pesi (le sfere nella Figura 5), collegati tra loro tramite molle. A seconda del numero di atomi, delle rispettive dimensioni e masse e della costante elastica delle molle, le molecole possono muoversi in determinate direzioni, vibrare lungo un asse, ruotare, torcersi, allungarsi, oscillare in orizzontale o in verticale, ecc.

Le molecole di gas più semplici sono atomi singoli, come elio (He), neon (Ne) o krypton (Kr). Non hanno modo di vibrare o ruotare, quindi possono muoversi solo traslando in una direzione alla volta.

Figura 5. Singolo atomo

La seconda categoria di molecole più complessa è quella omonucleare, composta da due atomi, ad esempio idrogeno (H2), azoto (N2) e ossigeno (O2). Hanno la capacità di ruotare attorno ai propri assi, oltre al movimento traslatorio.

Figura 6. Due atomi

Esistono poi molecole diatomiche complesse come anidride carbonica (CO2), metano (CH4), esafluoruro di zolfo (SF6) o stirene (C6H5CH=CH2) (questi sono solo alcuni esempi).

Figura 7. Anidride carbonica - 3 atomi per molecola

Figura 8. Metano - 5 atomi per molecola

Questa ipotesi vale anche per le molecole multiatomiche.

Figura 9. Esafluoruro di zolfo - 6-7 atomi per molecola

Figura 10. Stirene - 16 atomi per molecola

I maggiori gradi di libertà meccanica consentono molteplici transizioni rotazionali e vibrazionali. Dal momento che sono costituite da più atomi, possono assorbire ed emettere calore in modo più efficace rispetto alle molecole semplici. A seconda della frequenza delle transizioni, alcune di esse rientrano in intervalli di energia che si trovano nella regione infrarossa in cui la termocamera è sensibile.

Tabella 1. Range di lunghezza d’onda e frequenza dei movimenti molecolari

Affinché una molecola possa assorbire un fotone (di energia infrarossa) attraverso una transizione da uno stato all'altro, deve avere un momento di dipolo in grado di oscillare brevemente alla stessa frequenza del fotone incidente. Questa interazione meccanica quantistica permette all'energia del campo elettromagnetico del fotone di essere "trasferita a" o assorbita dalla molecola.

Le termocamere OGI sfruttano la natura assorbente di alcune molecole per visualizzarle nei loro ambienti nativi. Gli FPA e i sistemi ottici della termocamera sono specificamente regolati su campi spettrali molto ristretti, dell'ordine di centinaia di nanometri, e sono quindi ultra-selettivi. Possono essere rilevati solo i gas assorbenti nella regione dell'infrarosso delimitata da un filtro passante a banda stretta (Figure 3, 4).

Visualizzazione del flusso di gas

Se la termocamera riprende una scena senza fuga di gas, gli oggetti nel campo visivo emettono e riflettono la radiazione infrarossa attraverso l'ottica e il filtro della termocamera. Il filtro ammetterà solo determinate lunghezze d'onda di radiazione attraverso il sensore e da questo la termocamera genererà un'immagine non compensata dell'intensità di radiazione. Se tra gli oggetti e la termocamera si frappone una nube di gas che assorbe la radiazione nel range di passaggio della banda del filtro, la quantità di radiazione che passa attraverso la nube fino al sensore viene ridotta (Figura 11).

Figura 11. Effetto di una nube di gas

Per vedere la nube in relazione allo sfondo, deve esserci un contrasto radiante tra la nube e lo sfondo. In altre parole, la quantità di radiazione che esce dalla nube non deve corrispondere alla quantità di radiazione che entra (Figura 12). Se la freccia blu in Figura 12 ha le stesse dimensioni della freccia rossa, la nube sarà invisibile.

Figura 12. Contrasto radiante della nube

In realtà, la quantità di radiazione riflessa dalle molecole nella nube è molto piccola e può essere ignorata. Quindi la chiave per rendere la nube visibile è una differenza in temperatura apparente tra nube e sfondo (Figura 13).

Figura 13. Differenza in temperatura apparente

Concetti chiave per rendere visibili le nubi di gas

• Il gas deve assorbire la radiazione infrarossa nella banda d'onda visibile alla termocamera
• La nube di gas deve avere un contrasto radiante con lo sfondo
• La temperatura apparente della nube deve essere diversa da quella dello sfondo
• Il movimento rende la nube più facile da vedere

• Una strumentazione OGI calibrata per misurare la temperatura fornirà un valore essenziale per la valutazione del Delta T (temperatura apparente tra il gas e lo sfondo).