Detectores
Um aparelho de captação de imagem ótica de gás pode ser considerado uma versão muito especializada de uma câmara termográfica ou de infravermelhos. É constituída por uma lente, um detetor, um sistema eletrónico para processar o sinal do detetor e um visor para o utilizador visualizar a imagem produzida pela câmara. Os detectores utilizados nas câmaras OGI são detectores quânticos que requerem arrefecimento a temperaturas criogénicas (cerca de 70 K ou -203 °C). As câmaras de ondas médias que detectam gases como o metano funcionam normalmente na gama de 3-5 μm e utilizam um detetor de antimoneto de índio (InSb). As câmaras de ondas longas que detectam gases como o hexafluoreto de enxofre funcionam normalmente na gama de 8 a 12 μm e utilizam um fotodetector de infravermelhos de poços quânticos (QWIP).
Quando os materiais utilizados nos detectores quânticos estão à temperatura ambiente, têm electrões com diferentes níveis de energia. Alguns electrões têm energia térmica suficiente para estarem na banda de condução, o que significa que são livres de se movimentarem e que o material pode conduzir corrente eléctrica. No entanto, a maioria dos electrões está na banda de valência e não conduz corrente porque não se pode mover livremente.
Quando o material é arrefecido a uma temperatura suficientemente baixa, que varia em função do material escolhido, a energia térmica dos electrões pode ser tão baixa que nenhum deles atinge a banda de condução. Consequentemente, o material não pode transportar corrente. Quando estes materiais são expostos a fotões incidentes e os fotões têm energia suficiente, a energia estimula os electrões na banda de valência e faz com que passem para a banda de condução. O material (o detetor) pode então transportar fotocorrente que é proporcional à intensidade da radiação incidente.
Existe um limiar de energia muito preciso dos fotões incidentes que permite que um eletrão passe da banda de valência para a banda de condução. Esta energia está relacionada com um determinado comprimento de onda: o limite do comprimento de onda. Como a energia do fotão é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda, as energias da banda de onda curta ou de onda média são superiores às da onda longa. Assim, regra geral, as temperaturas de funcionamento dos detectores de onda longa são inferiores às dos detectores de onda curta e de onda média. Para um detetor de InSb de onda média, a temperatura necessária deve ser inferior a 173 K (-100 °C), embora possa funcionar a uma temperatura muito inferior. Em contrapartida, um detetor QWIP de onda longa requer normalmente uma temperatura de cerca de 70 K (-203 °C) ou inferior. O comprimento de onda e a energia dos fotões incidentes devem ser suficientes para ultrapassar o intervalo de energia, ΔE.
Método de arrefecimento
Os detectores da maioria das câmaras OGI são arrefecidos por refrigeradores Stirling. O processo Stirling remove o calor do dedo frio (Figura 1) e dissipa-o no lado quente. A eficiência deste tipo de arrefecedor é relativamente baixa, mas é suficientemente boa para arrefecer um detetor de câmara de infravermelhos.
Figura 1) O refrigerador Stirling integrado, que funciona com gás hélio, pode arrefecer o detetor até -196 °C ou, por vezes, até menos.
Normalização de imagens
Outro aspeto complexo é o facto de cada detetor individual na matriz de plano focal (FPA) ter um ganho e um desvio de zero ligeiramente diferentes. Para criar um termograma útil, os diferentes ganhos e desvios devem ser corrigidos para um valor normalizado. Este processo de calibração em várias etapas é efectuado pelo software da câmara. O passo final do processo é a correção da não uniformidade (NUC). Nas câmaras de medição, esta calibração é efectuada automaticamente pela própria câmara. Na câmara OGI, a calibração é um processo manual. Isto deve-se ao facto de a câmara não possuir um obturador interno que apresente uma fonte de temperatura uniforme ao detetor.
O resultado final é um termograma que representa com precisão as temperaturas relativas no objeto alvo ou na cena. Não é feita qualquer compensação pela emissividade ou radiação de outros objectos que é reflectida do objeto alvo para a câmara (temperatura aparente reflectida). A imagem é uma imagem real da intensidade da radiação, independentemente da origem da radiação térmica.
Correspondência espetral
A câmara OGI utiliza um método de filtro espetral que lhe permite detetar compostos gasosos. O filtro é instalado em frente do detetor e é arrefecido juntamente com o detetor para evitar a troca de radiação entre o filtro e o detetor. O filtro restringe os comprimentos de onda da radiação que pode passar através do detetor a uma banda muito estreita, designada por banda passante. Esta técnica é conhecida como correspondência espetral.
Figura 2. conceção interna do núcleo de uma câmara ótica de captação de imagem de gás
Espectro de absorção de gases no infravermelho
Para a maioria dos compostos gasosos, as características de absorção no infravermelho dependem do comprimento de onda. Nas figuras 3A e 3B, o pico de absorção do propano e do metano manifesta-se na diminuição acentuada das linhas de transmitância nos gráficos. As regiões amarelas representam um filtro espetral de amostra utilizado numa câmara OGI, que foi concebido para corresponder à gama de comprimentos de onda em que a maior parte da energia infravermelha de fundo seria absorvida pelo gás em causa.
Figura 3A. Características de absorção no infravermelho do propano
Figura 3B. Características de absorção no infravermelho do metano
A maioria dos hidrocarbonetos absorve energia na gama próxima de 3,3 μm, pelo que o filtro de amostras da Figura 3 pode ser utilizado para detetar uma grande variedade de gases.
O etileno tem duas bandas de absorção fortes, mas um sensor de onda longa detecta este gás com mais sensibilidade do que um sensor de onda média, com base na curva de transmitância apresentada abaixo.
Figura 4: Características de absorção no infravermelho do etileno
A seleção de um filtro que limite a câmara a funcionar apenas num comprimento de onda em que o gás tem um pico de absorção muito elevado (ou ponto de transmissão mínimo) melhorará a visibilidade do gás. O gás irá efetivamente "bloquear" uma maior quantidade de absorção de objectos no fundo por detrás da coluna.
Porque é que alguns gases absorvem a radiação infravermelha?
De um ponto de vista mecânico, as moléculas de um gás podem ser comparadas a dois pesos (as bolas na Figura 5) unidos por molas. Dependendo do número de átomos, do seu tamanho e massa correspondentes e da constante elástica das molas, as moléculas podem mover-se numa dada direção, vibrar ao longo do eixo, rodar, dobrar, esticar, balançar, subir e descer, etc.
As moléculas de gás mais simples são átomos simples, como o hélio (He), o néon (Ne) ou o crípton (Kr). Estas moléculas não podem vibrar ou rodar e apenas se podem mover num movimento de translação numa direção de cada vez.
Figura 5: Um único átomo
A categoria seguinte de moléculas mais complexa é a homonuclear, composta por dois átomos, como o hidrogénio (H2), o azoto (N2) e o oxigénio (O2). Estas moléculas têm a capacidade de rodar em torno dos seus eixos, bem como de efetuar movimentos de translação.
Figura 6. dois átomos
Existem ainda moléculas diatómicas complexas, como o dióxido de carbono (CO2), o metano (CH4), o hexafluoreto de enxofre (SF6) ou o estireno (C6H5CH=CH2) (estes são apenas alguns exemplos).
Figura 7: Dióxido de carbono: 3 átomos por molécula
Figura 8: Metano: 5 átomos por molécula
Esta hipótese só é válida para moléculas multi-atómicas.
Figura 9: Hexafluoreto de enxofre: 6 ou 7 átomos por molécula
Figura 10. Estireno: 16 átomos por molécula
O aumento do grau de liberdade mecânica destas moléculas permite-lhes efetuar múltiplas transições rotacionais e vibracionais. Como são compostas por vários átomos, podem absorver e emitir calor mais eficazmente do que as moléculas individuais. Dependendo da frequência das transições, algumas encontram-se em gamas de energia que estão na região dos infravermelhos, onde a câmara de infravermelhos é sensível.
| TIPO DE TRANSIÇÃO | FREQUÊNCIA | INTERVALO ESPECTRAL |
|---|---|---|
| Rotação de moléculas pesadas | 109 a1011 Hz | Micro-ondas, acima de 3 mm |
| Rotação de moléculas leves e vibração de moléculas pesadas | 1011 a1013 Hz | Infravermelhos distantes, entre 30 μm e 3 mm |
| Vibração de moléculas pesadas Rotação e vibração da estrutura | 1013 a1014 Hz | Infravermelhos, entre 3 μm e 30 mm |
| Transições electrónicas | 1014 a1016 Hz | UV: visível |
Tabela 1. Gamas de frequência e de comprimento de onda dos movimentos moleculares
Para que uma molécula possa absorver um fotão (de energia infravermelha) passando de um estado para outro, é necessário que a molécula tenha um momento de dipolo capaz de oscilar brevemente na mesma frequência que o fotão incidente. Esta interação mecânica quântica permite que o campo de energia electromagnética do fotão seja "transferido" para a molécula ou absorvido por ela.
As câmaras OGI tiram partido da natureza absorvente de certas moléculas para as visualizar nos seus ambientes nativos. As matrizes de plano focal (FPA) e a ótica das câmaras estão especificamente sintonizadas para gamas espectrais muito estreitas, da ordem das centenas de nanómetros, sendo por isso ultra-selectivas. Apenas os gases absorventes na região do infravermelho que é delimitada por um filtro de banda estreita podem ser detectados (Figuras 3 e 4).
Visualização do fluxo de gás
Se a câmara for orientada para um local onde não existe qualquer fuga de gás, os objectos no campo de visão emitem e reflectem radiação infravermelha através da lente e do filtro da câmara. O filtro apenas permite a passagem de determinados comprimentos de onda da radiação através do detetor e a câmara gera uma imagem não compensada da intensidade da radiação. Se houver uma nuvem de gás entre os objectos e a câmara, e se o gás absorver a radiação na gama de passagem de banda do filtro, a quantidade de radiação que passa através da nuvem para o detetor será reduzida (Figura 11).
Figura 11. Efeito de uma nuvem de gás
Para 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 sai da nuvem não deve ser igual à quantidade de radiação que entra na nuvem (Figura 12). Se a seta azul da Figura 12 tiver o mesmo tamanho que a seta vermelha, a nuvem será invisível.
Figura 12. Contraste radiante da nuvem
Na realidade, a quantidade de radiação reflectida pelas moléculas da nuvem é muito pequena e pode ser ignorada. Por conseguinte, a chave para que a nuvem seja visível é a diferença de temperatura aparente entre a nuvem e o fundo (Figura 13).
Figura 13. Diferença de temperatura aparente
Conceitos-chave para tornar visíveis as nuvens de gás
- O gás deve absorver a radiação infravermelha na banda de ondas observada pela câmara.
- A nuvem de gás deve ter um contraste radiante com o fundo.
- A temperatura aparente da nuvem deve ser diferente da do fundo.
- O movimento torna a nuvem mais fácil de ver.
A calibração do equipamento OGI para medir a temperatura é crucial para poder avaliar o Delta T (temperatura aparente entre o gás e o fundo).
Ligações relacionadas
