A Ciência Por Trás das Imagens Ópticas de Gás

Detectores

Uma câmera de imagens ópticas de gás pode ser considerada uma versão altamente especializada de uma câmera de infravermelho ou termográfica. Temos uma lente, um detector, alguns elementos eletrônicos para processar o sinal do detector e um visor ou tela para o usuário ver a imagem produzida pela câmera. Os detectores usados para câmeras OGI são detectores quânticos e requerem a refrigeração a temperaturas criogênicas (em torno de 70K ou -203 °C). Câmeras de onda média que detectam gases como o metano geralmente operam em uma faixa de 3 a 5 μm e usam um detector de antimoneto de índio (InSb). Câmeras de onda longa que detectam gases como hexafluoreto de enxofre tendem a operar em uma faixa de 8 a 12 μm e usam um fotodetector infravermelho baseado em poços quânticos (QWIP).

Quando os materiais usados pelos detectores quânticos estão em temperatura ambiente, eles têm elétrons em diferentes níveis de energia. Alguns elétrons têm energia térmica suficiente para estar na banda de condução, o que significa que os elétrons ali se movem e o material pode conduzir uma corrente elétrica. Porém, a maioria dos elétrons são encontrados na banda de valência, onde não carregam corrente porque não se movem livremente.

Quando o material é refrigerado a uma temperatura baixa o suficiente, o que varia com o material escolhido, a energia térmica dos elétrons pode ser tão baixa que nenhum deles atinge a banda de condução. Portanto, o material não pode carregar corrente. Quando esses materiais são expostos a fótons incidentes, e os fótons têm energia suficiente, a energia estimula os elétrons na banda de valência, fazendo com que eles se movam para a banda de condução. Agora, o material (detector) pode carregar uma fotocorrente, que é proporcional à intensidade da radiação incidente.

Há um limite bastante exato de energia de fótons incidentes que permite a um elétron saltar de uma banda de valência para a banda de condução. Essa energia é relacionada a um certo comprimento de onda: o comprimento de onda de corte. Como a energia do fóton é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda, as energias são mais altas nas bandas de onda curta/média que na longa. Portanto, como regra, as temperaturas operacionais para detectores de onda longa são menores que para detectores de onda curta/média. Para um detector de onda média de InSb, é necessário que a temperatura seja menor que 173 K (-100 °C), embora ele possa ser operado em temperatura muito mais baixa. Porém, um detector de onda longa QWIP tipicamente precisa operar em aproximadamente 70 K (-203 °C) ou menos. O comprimento de onda e energia do fóton incidente deve ser suficiente para ultrapassar a energia do intervalo da banda, ΔE.

Método de Refrigeração

Os detectores na maioria das câmeras de OGI são refrigerados usando Refrigeradores Stirling. O processo Stirling remove o calor de um dedo frio (Figura 1) e o dissipa para o lado quente. A eficiência desse tipo de refrigerador é relativamente baixa, mas boa o suficiente para refrigerar um detector de câmera de IV.

Figura 1. Refrigerador Stirling integrado funcionando com gás hélio que pode refrigerar o detector a -196 ºC, às vezes até menos

Normalização da Imagem

Outra complexidade é o fato de que cada detector individual na matriz de plano focal (FAP) tem um leve diferencial de ganho e compensação zero. Para criar uma imagem termográfica útil, os diferentes ganhos e compensações devem ser corrigidos para um valor normalizado. Esse processo de calibração multietapa é realizado pelo software da câmera. A etapa final no processo é a Correção de Não Uniformidade (NUC). Em câmeras de medição, essa calibração é realizada automaticamente pela câmera. Na câmera de OGI, a calibração é um processo manual. Isso porque a câmera não tem um obturador interno para apresentar uma fonte de temperatura uniforme ao detector.

O resultado final é uma imagem termográfica que retrata com precisão as temperaturas relativas por todo o objeto ou cena alvo. A não compensação é feita por emissividade ou radiação dos outros objetos que é refletida do objeto alvo de volta para a câmera (temperatura aparente refletida). A imagem é uma imagem verdadeira da intensidade da radiação, seja qual for a fonte de radiação térmica.

Adaptação Espectral

A câmera de OGI usa um método de filtragem espectral exclusivo que permite detectar um composto de gás. O filtro é montado na frente do detector e refrigerado com ele para prevenir qualquer troca de radiação entre o filtro e o detector. O filtro restringe os comprimentos de onda de radiação que têm passagem permitida pelo detector em uma banda bastante estreita chamada de faixa de passagem. Essa técnica é chamada de adaptação espectral.

Figura 2. Projeto interno de um núcleo de imagens ópticas de gás

Espectros de Absorção Infravermelha de Gás

Para a maioria dos compostos de gás, as características de absorção infravermelha são dependentes do comprimento de onda. Nas Figuras 3A e 3B, o pico de absorção para o propano e o metano são demonstrados pela queda acentuada nas linhas de transmitância nos gráficos. As regiões amarelas representam um filtro espectral de amostra usado em uma câmera de OGI, projetado para corresponder à faixa de comprimento de onda onde a maior parte da energia infravermelha de fundo seria absorvida pelo gás de interesse em particular.

Figura 3A. Características de absorção infravermelha para o propano

Figura 3B. Características de absorção infravermelha para o metano

A maioria dos hidrocarbonetos absorve energia próxima de 3,3 μm, então o filtro de amostra na Figura 3 pode ser usado para detectar uma grande variedade de gases. Fatores de resposta (RF) para mais de 400 compostos adicionais estão disponíveis no seguinte website: http://rfcalc.providencephotonics.com.

O etileno tem duas bandas fortes de absorção, mas um sensor de onda longa irá detectar esse gás com maior sensibilidade que um sensor de onda média baseado na curva de transmitância mostrada abaixo.

Figura 4. Características de absorção infravermelha para o etileno

A seleção de um filtro que restringe a operação da câmera somente em comprimento de onda onde o gás tem um pico de absorção bastante alto (ou vale de transmissão) irá aprimorar a visibilidade do gás. Ele irá efetivamente ‘bloquear’ mais da radiação emitida pelos objetos atrás da pluma no fundo.

Por Que Alguns Gases Absorvem Radiação Infravermelha?

Do ponto de vista mecânico, as moléculas em um gás poderiam ser comparadas a pesos (as bolas na Figura 5 abaixo), conectados por molas. Dependendo do número de átomos, seus respectivos tamanho e massa e a constante elástica das molas, as moléculas podem se mover em dadas direções, vibrar por um eixo, girar, torcer, esticar, balançar, sacudir, etc.

As moléculas dos gases mais simples são átomos únicos, como o hélio (He), neon (Ne) ou criptônio (Kr). Eles não têm como vibrar ou girar, então podem somente se mover por translação em uma direção de cada vez.

Figura 5. Átomo único

A próxima categoria mais complexa de moléculas é homonuclear, constituída de dois átomos como o hidrogênio (H2), nitrogênio (N2) e oxigênio (O2). Eles têm a habilidade de ziguezaguear pelos eixos, além do movimento translacional.

Figura 6. Dois átomos

Na sequência estão as moléculas diatômicas complexas como as do dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), hexafluoreto de enxofre (SF6) ou o estireno (C6H5CH=CH2) (esses são só alguns exemplos).

Figura 7. Dióxido de carbono - 3 átomos por molécula

Figura 8. Metano - 5 átomos por molécula

Essa suposição também é válida para moléculas multiatômicas.

Figura 9. Hexafluoreto de enxofre - 6 a 7 átomos por molécula

Figura 10. Estireno - 16 átomos por molécula

Seus crescentes graus de liberdade mecânica permitem múltiplas transições rotacionais e vibracionais. Já que são construídos de múltiplos átomos, eles podem absorver e emitir calor mais eficientemente que as moléculas simples. Dependendo da frequência das transições, alguns deles estão em faixas energéticas localizadas na região infravermelha onde a câmera de infravermelho é sensível.

Tabela 1. Frequência e faixas de comprimento de onda dos movimentos moleculares

Para que uma molécula absorva um fóton (de energia infravermelha) através de uma transição de um estado para outro, a molécula deve ter um momento dipolar capaz de oscilar brevemente na mesma frequência que o fóton incidente. Essa interação mecânica quântica permite à energia do campo eletromagnético do fóton ser “transferida” para a molécula ou ser absorvida por ela.

As câmeras de OGI tiram vantagem da natureza absorvente de certas moléculas para visualizá-las em seus ambientes nativos. As câmeras FPAs e sistemas ópticos são afinados especificamente para faixas espectrais bastante estreitas, na ordem de centenas de nanômetros e, assim, são ultrasseletivas. Só os gases absorventes na região infravermelha delimitada pelo filtro de passagem de banda estreita podem ser detectados (Figuras 3, 4).

Visualização de Streaming de Gás

Se a câmera é direcionada para a cena sem vazamento de gás, os objetos no campo de visão emitirão e refletirão radiação infravermelha através da lente e do filtro da câmera. O filtro só permitirá determinados comprimentos de onda de radiação através do detector e é disso que a câmera irá gerar uma imagem descompensada da intensidade da radiação. Se houver nuvem de gás entre os objetos e a câmera e esse gás absorver radiação na faixa de passagem da banda do filtro, a quantidade de radiação que passa pela nuvem até o detector será reduzida (Figura 11).

Figura 11. Efeito de uma nuvem de gás

Para poder ver a nuvem em relação ao fundo, deve haver um contraste radiante entre a nuvem e o fundo. Ou seja, a quantidade de radiação que deixa a nuvem não deve ser a mesma quantidade de radiação entrando nela (Figura 12). Se a seta azul na Figura 12 for do mesmo tamanho que a seta vermelha, a nuvem será invisível.

Figura 12. Contraste radiante da nuvem

Na realidade, a quantidade de radiação refletida das moléculas na nuvem é bastante pequena e pode ser ignorada. Assim, a chave para tornar a nuvem visível é uma diferença na temperatura aparente entre a nuvem e o fundo (Figura 13).

Figura 13. Diferença na temperatura aparente

Conceitos-Chaves para Tornar as Nuvens de Gás Visíveis

• O gás deve absorver a radiação infravermelha na faixa de ondas que a câmera vê
• A nuvem de gás deve ter contraste radiante com o fundo
• A temperatura aparente da nuvem deve ser diferente daquela do fundo
• O movimento torna a nuvem mais fácil de ver

• Garantir que o equipamento de OGI esteja calibrado para medir a temperatura irá oferecer um valor crítico na capacidade de avaliar o Delta T (temperatura aparente entre o gás e o fundo).