詳細(xì)解讀制冷型與非制冷型光學(xué)氣體成像熱像儀

胤旭機(jī)電 >> 詳細(xì)解讀制冷型與非制冷型光學(xué)氣體成像熱像儀 : FLIR光學(xué)氣體成像(OGI)熱像儀一直用來可視化各種氣體泄漏。這些OGI熱像儀的開發(fā)是為了“看到”各種氣體，包括碳?xì)浠衔铩⒍趸?、六氟化硫、制冷劑、一氧化碳、氨等。FLIR OGI熱像儀被應(yīng)用于各行各業(yè)，包括減少排放、提高生產(chǎn)效率和確保安全的工作環(huán)境。與其他檢測技術(shù)相比，OGI熱像儀的一大優(yōu)勢是該技術(shù)能夠在不中

　　FLIR光學(xué)氣體成像(OGI)熱像儀一直用來可視化各種氣體泄漏。這些OGI熱像儀的開發(fā)是為了“看到”各種氣體，包括碳?xì)浠衔?、二氧化碳、六氟化硫、制冷劑、一氧化碳、氨等。FLIR OGI熱像儀被應(yīng)用于各行各業(yè)，包括減少排放、提高生產(chǎn)效率和確保安全的工作環(huán)境。與其他檢測技術(shù)相比，OGI熱像儀的一大優(yōu)勢是該技術(shù)能夠在不中斷工業(yè)過程的情況下**定位氣體泄漏部件。

　　從歷史上看，OGI熱像儀一直采用制冷型紅外探測器，與非制冷型紅外探測器相比具有多個(gè)優(yōu)勢，但成本往往更高。非制冷型紅外探測器技術(shù)的進(jìn)步使得像FLIR OGI熱像儀這樣的制造商，能夠?yàn)橄嚓P(guān)行業(yè)設(shè)計(jì)和開發(fā)成本較低的OGI解決方案。盡管成本較低，但與使用制冷型探測器的熱像儀相比，使用非制冷型紅外探測器的熱像儀存在一定局限性。

　　光學(xué)氣體成像背后的科學(xué)

　　在我們討論OGI熱像儀中制冷或非制冷探測器的問題之前，我們可以先解釋這項(xiàng)技術(shù)背后的理論。光學(xué)氣體成像可以比作通過普通的攝像機(jī)進(jìn)行觀察，但操作員看到的是一股類似煙霧的氣體噴出。如果沒有OGI熱像儀，這將是肉眼完全看不見的。為了能看到這種氣體飄動(dòng)，OGI熱像儀使用了一種獨(dú)特的光譜(依賴于波長)過濾方法，使它能夠檢測到特定的氣體化合物。在制冷型探測器中，濾波器將允許通過探測器的輻射波長限制在一個(gè)非常窄的波段，稱為帶通，這種技術(shù)被稱為光譜自適應(yīng)。

　　光譜自適應(yīng)

　　OGI熱像儀利用某些分子的吸收特性，將它們在原生環(huán)境中可視化。熱像儀焦平面陣列(FPAs)和光學(xué)系統(tǒng)專門調(diào)整到非常窄的光譜范圍，通常在數(shù)百納米左右，因此具有超選擇性。只能檢測到由窄帶通濾波器分隔的紅外區(qū)域中的被氣體吸收的紅外波段。大多數(shù)化合物的紅外吸收特性取決于波長。氫、氧和氮等惰性氣體無法直接成像。

　　黃色區(qū)域顯示了一個(gè)光譜濾波器，設(shè)計(jì)用于對應(yīng)大部分背景紅外能量將被甲烷吸收的波長范圍。(圖中橫坐標(biāo)代表波長，縱坐標(biāo)代表甲烷氣體的透射率)

　　如果將OGI熱像儀對準(zhǔn)沒有氣體泄漏的場景，視野中的物體將通過熱像儀的鏡頭和濾光片透射和反射紅外輻射。如果物體和熱像儀之間存在氣體云，并且該氣體吸收濾波器帶通范圍內(nèi)的輻射，那么通過氣體云到達(dá)探測器的輻射量將減少或增加。具體情況要看氣體云與背景的關(guān)系，云與背景之間必須有一個(gè)輻射的對比。

　　總而言之，讓氣體可見的關(guān)鍵是：氣體必須吸收熱像儀看到的波段中的紅外輻射;氣體云必須與背景形成輻射對比;氣體云的表面溫度必須與背景不同。此外，運(yùn)動(dòng)使氣體云更容易可視化。

　　熟悉光學(xué)氣體成像相關(guān)的波長

　　為了解決理解“制冷與非制冷”光學(xué)氣體成像熱像儀的挑戰(zhàn)，您需要了解與光學(xué)氣體成像相關(guān)的波長以及這些熱像儀中使用的探測器。OGI熱像儀的兩個(gè)主要波長通常被稱為中波(3到5微米)和長波(7到12微米)。在氣體成像領(lǐng)域，這些區(qū)域也可以稱為“功能區(qū)”和“指紋區(qū)”。在功能區(qū)，一個(gè)熱像儀可以看到單一類別的更多氣體，而許多單獨(dú)的氣體在指紋區(qū)有特定的吸收特征。

　　幾乎所有碳?xì)浠衔餁怏w都在FLIR GF320的過濾區(qū)域(黃色部分)吸收能量，但在長波或指紋區(qū)域(藍(lán)色部分)有不同的吸收特征

　　雖然許多氣體在中波和長波區(qū)域都有吸收特性，但也有氣體僅在一個(gè)紅外波段發(fā)射和吸收。有些氣體在中波而非長波光譜中發(fā)射和吸收(如一氧化碳/CO)和吸收，另一些僅在長波光譜中發(fā)射和吸收(如六氟化硫/SF6)。這些氣體不屬于指紋或功能區(qū)，通常指烴類氣體。下面是CO和SF6氣體的紅外光譜圖。

　　制冷與非制冷型探測器

　　制冷型OGI熱像儀使用需要冷卻到低溫(約77K或-321°F)的量子探測器，可以是中波或長波探測器。檢測功能區(qū)碳?xì)浠衔餁怏w(如甲烷)的中波熱像儀通常在3-5μm(微米)范圍內(nèi)工作，并使用銻化銦(InSb)探測器。檢測SF6等氣體的制冷型長波熱像儀在8-12μm范圍內(nèi)工作，可以使用量子阱紅外光電探測器(QWIP)。

　　制冷型OGI熱像儀有一個(gè)集成了低溫冷卻器的成像傳感器，其可以將傳感器溫度降低到低溫。傳感器溫度的降低對于將探測器噪聲降低到低于被成像場景的信號(hào)水平是必要的。制冷機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械公差非常小，隨著時(shí)間的推移會(huì)磨損，氦氣也會(huì)慢慢通過氣體密封。最終，在運(yùn)行1萬至1.3萬小時(shí)后，需要對冷卻器進(jìn)行重建。

　　帶有制冷探測器的熱像儀有一個(gè)與探測器連接的濾波器。這種設(shè)計(jì)可以防止濾波器和探測器之間的任何雜散輻射交換，從而提高圖像熱靈敏度，進(jìn)而會(huì)使光學(xué)氣體成像儀更有效地可視化某些氣體，甚至使OGI熱像儀符合美國環(huán)保局的OOOOa或其他要求等監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

　　非制冷OGI熱像儀使用微測輻射熱計(jì)探測器，不需要制冷探測器所需的額外零件。它們通常由氧化釩(VOx)或非晶硅(a-Si)制成，在7-14μm范圍內(nèi)具有響應(yīng)性。它們比制冷型熱像儀更容易制造，但熱靈敏度或噪聲等效溫差(NETD)較差，這使得更難以可視化較小的氣體泄漏。NETD是一個(gè)指標(biāo)，表示熱像儀可以探測的最小溫度差異。上圖顯示了制冷和非制冷探測器靈敏度的差異。

　　更好的NETD將使制冷型OGI熱像儀檢測氣體的效果至少是非制冷的五倍。用于確定OGI熱像儀檢測氣體效果的類似標(biāo)準(zhǔn)是噪聲等效濃度長度(NECL)，該標(biāo)準(zhǔn)確定在定義的拍攝距離上可以檢測到多少氣體。例如，用于甲烷檢測的FLIR GF320制冷型OGI熱像儀(3-5μm探測器)的NECL小于20 ppm*m，而非制冷型(7-14μm探測器)的NECL大于100 ppm*m。

　　對于非制冷型的OGI熱像儀，另一個(gè)需要考慮的是濾波器。有些熱像儀沒有在長波光譜中過濾，這意味著它們只是一個(gè)完全開放的探測器，使用獨(dú)特的分析來可視化氣體。FLIR的高靈敏度模式(HSM)是利用軟件和分析來增強(qiáng)氣體可視化的熱像儀示例。有些熱像儀內(nèi)部設(shè)置更有針對性的過濾器。這些濾波器可能與鏡頭有關(guān)，在探測器和鏡頭之間，以多種方式設(shè)計(jì)。

　　使用非制冷過濾，由于限制到達(dá)熱像儀探測器的輻射，您會(huì)失去熱靈敏度。這將導(dǎo)致產(chǎn)生更高的NETD熱靈敏度值，但可以提供與氣體成像相關(guān)的更好圖像。隨著光譜濾波器寬度變窄以聚焦于特定氣體時(shí)，來自場景的輻射減少，而探測器的噪聲保持不變，來自濾波器的反射輻射增加。這會(huì)產(chǎn)生與氣體成像相關(guān)的更高質(zhì)量的圖像，但會(huì)降低熱像儀用于溫度測量(輻射測量)的熱靈敏度。當(dāng)你使用冷濾鏡時(shí)，比如制冷型OGI熱像儀，這種現(xiàn)象就可以避免，因?yàn)榉瓷涞妮椛淞糠浅Ｐ　?/p>

　　如何選擇制冷與非制冷型OGI熱像儀

　　氣體顯示：在選擇OGI熱像儀時(shí)，首要考慮因素是確保熱像儀能夠顯示氣體。之后，再做出綜合的考量，而不僅僅基于價(jià)格。

　　制冷型的優(yōu)勢：雖然它們的價(jià)格可能更高，但制冷型OGI熱像儀有相當(dāng)大的優(yōu)勢。如上所述，這些單元屬于烴類氣體的功能區(qū)域，這意味著只需要一個(gè)熱像儀就可以看到各種各樣的氣體。在某些情況下，指紋區(qū)域需要多個(gè)熱像儀才能達(dá)到相同的結(jié)果。中波熱像儀的另一個(gè)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是不受水蒸氣的干擾。如上圖所示，水蒸氣在長波或指紋區(qū)域有很強(qiáng)的吸收，這可能會(huì)導(dǎo)致使用長波熱像儀時(shí)圖像的不確定性。

　　靈敏度和圖像質(zhì)量：在選擇OGI熱像儀時(shí)，提高靈敏度和圖像質(zhì)量也是需要考慮的重要因素。這些不僅影響了對小泄漏的可視化能力，而且在試圖滿足監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)時(shí)也可能是相當(dāng)大的因素。

　　FLIR GF320甲烷和VOC檢測用紅外熱像儀

　　非制冷的優(yōu)勢：隨著非制冷型OGI熱像儀在市場上的推出，這項(xiàng)新技術(shù)具有優(yōu)勢。首先，非制冷型OGI熱像儀的制造成本大大降低，從而導(dǎo)致市場價(jià)格降低。由于設(shè)計(jì)簡單，無需冷卻器，因此維護(hù)成本也較低，這可能使其更適合連續(xù)、24/7全天候運(yùn)行的應(yīng)用。

　　無論你是想省錢、滿足監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)、提高工人安全，還是僅僅想成為一名好的環(huán)境管理員，如今你的選擇比以往任何時(shí)候都多，當(dāng)然有時(shí)也可能會(huì)讓人困惑。選擇OGI熱像儀的決定有很多因素，而不僅僅是價(jià)格。FLIR提供了市場上最廣泛的OGI熱像儀選擇和陣列，可以讓您擁有更多選擇。