理解冷却与非冷却光学气体成像

每种技术在整个行业特定应用中的优势

克雷格·奥尼尔和罗恩·路西著r

十多年来，FLIR系统公司一直在生产红外(IR)摄像机，以可视化各种类型的气体泄漏。开发这些光学气体成像(OGI)相机是为了“观察”各种气体，包括碳氢化合物、二氧化碳、六氟化硫、制冷剂、一氧化碳、氨等。这些成像仪被用于各种行业的许多应用，包括减少排放、提高生产效率和确保安全的工作环境。与其他检测技术相比，OGI摄像机的一个巨大优势是，该技术可以在不中断工业过程的情况下快速定位泄漏部件。

从历史上看，OGI相机都是用冷却的红外探测器设计的，这比非冷却的探测器有几个优点，但它们的成本往往更高。非冷却探测器技术的进步使得像FLIR这样的OGI相机制造商能够为这些行业设计和开发低成本的OGI解决方案。虽然成本较低，但与带冷却探测器的相机相比，带非冷却探测器的相机有一些限制。

光学气体成像背后的科学

在我们解决OGI相机中冷却或非冷却探测器的问题之前，我们可以解释这项技术背后的理论。光学气体成像可以比作通过一个普通的视频摄像机观看，但操作人员看到的是一团气体羽状物，类似于烟雾吹出。如果没有OGI相机，这将是肉眼完全看不见的。为了让你看到这些气体羽流，OGI相机使用了一种独特的光谱(波长相关)滤波方法，使它能够探测到特定的气体化合物。在一个冷却的探测器中，滤波器将允许通过探测器的辐射波长限制在一个非常窄的波段，称为带通。这种技术称为光谱适应(参见图1)。

图1

OGI相机利用某些分子的吸收特性，在它们的原生环境中可视化它们。相机焦平面阵列(FPAs)和光学系统专门调谐到非常狭窄的光谱范围，通常在数百纳米量级，因此具有超选择性。只有在用窄带通滤波器划分的红外区域内的吸收气体才能被探测到。大多数化合物的红外吸收特性与波长有关。稀有气体如氢、氧和氮不能直接成像。

图2中的黄色区域显示了一个光谱滤波器，其设计对应于甲烷吸收大部分背景红外能量的波长范围。

图2

如果相机对准的是一个没有气体泄漏的场景，视野中的物体将通过相机的镜头和滤镜发射和反射红外辐射。如果物体和相机之间存在气体云，而气体云在滤波器的带通范围内吸收了辐射，那么通过气体云到达探测器的辐射量就会减少。要看到云与背景的关系，云和背景之间必须有辐射对比。

综上所述，使云可见的关键是:气体必须在相机看到的波段吸收红外辐射;气体云必须与背景有辐射对比;云的表观温度必须与背景不同。此外，移动使云更容易可视化。

了解与光学气体成像有关的波长

为了解决理解“冷却vs非冷却”光学气体成像相机的挑战，您需要了解与光学气体成像相关的波长和这些相机中使用的探测器。OGI相机的两种主要波长通常被称为中波和长波，中波波长为3 ~ 5微米(μm)，长波波长为7 ~ 12 μm。在气体成像领域，这些区域也分别被称为“功能区”和“指纹区”。在功能区，一个相机可以看到更多的单一种类的气体，而许多单独的气体在指纹区有特定的吸收特性。例如，几乎所有的碳氢化合物气体都在GF320的过滤区(黄色区域)吸收能量，但在长波区或指纹区(蓝色区域)有不同的吸收特性(见图3)。

图3

虽然许多气体在中波和长波区域都有吸收特性，但也有一些气体只在一个红外波段发射。有些气体在中波而不是长波光谱中发射(例如一氧化碳/CO)，而另一些气体仅在长波光谱中发射(例如六氟化硫/SF6)。这些气体不会落在指纹区或功能区，通常指的是碳氢化合物气体。下图是CO和SF6气体的红外光谱图。

图4

图5

冷却vs非冷却探测器

冷却OGI相机使用的量子探测器需要冷却到低温(约77 K或-321°F)，可以是中波或长波探测器。中波摄像机用于探测功能区内的烃类气体，如甲烷，通常工作在3-5 μm范围内，使用铟锑化物(InSb)探测器。用于探测SF6等气体的冷却长波相机工作在8-12 μm范围内，可以使用量子阱红外光电探测器(QWIP)。

冷却OGI相机有一个成像传感器，集成了一个低温冷却器，可以将传感器温度降低到低温。传感器温度的降低对于将噪声降低到低于被成像场景信号的水平是必要的。低温制冷机的运动部件制作得非常接近机械公差，随着时间的推移会磨损，氦气也会慢慢通过气体密封。最终，在1万至1.3万小时的运行后，需要对低温冷却器进行重建。

带有冷却探测器的相机有一个附加在探测器上的过滤器。这种设计防止了滤波器和探测器之间的任何杂散辐射交换，从而允许更好的图像灵敏度。图像灵敏度的提高可以使成像仪更有效地可视化某些气体，甚至可以使OGI相机满足美国环保局的OOOOa或其他要求等监管标准。

图6:用冷却的热成像相机在墙上拍摄的手印图像，两次之后再次拍摄

分钟

图7:用未冷却的热成像相机拍摄的墙上手印图像，以及拍摄后的手印图像

两分钟。

未冷却OGI相机使用微辐射热计探测器，不需要冷却探测器所需的额外部件。它们通常由氧化钒(VOx)或非晶硅(a-Si)制成，在7-14 μm范围内具有响应性。它们比冷却相机更容易制造，但缺乏灵敏度或噪声等效温差(NETD)，这使得更小的气体泄漏更难可视化。NETD是一个优点的数字，它代表相机能分辨的最小温差。图6显示了冷却和非冷却探测器的灵敏度影响。一个更好的NETD将导致冷却OGI摄像机探测气体的能力至少比未冷却的好5倍。用于确定OGI摄像机检测气体的好坏的一个类似标准是噪声等效浓度长度(NECL)，它决定了在确定的路径长度内可以检测到多少气体。例如，用于甲烷探测的FLIR GF320冷却OGI相机(3-5 μm探测器)的NECL小于20 ppm*m，而非冷却溶液(7-14 μm探测器)的NECL大于100 ppm*m。

使用非冷却OGI相机的另一个需要考虑的问题是滤镜。有些相机在长波光谱中没有被过滤，这意味着它们只是一个使用独特分析方法来可视化气体的开放式探测器。FLIR的专利高灵敏度模式(HSM)是利用软件和分析技术增强气体可视化的一个例子。有些相机在相机系统中内置了更有针对性的滤镜。这些可能与镜头相关，相机和镜头之间，或以多种方式设计。

使用非冷却滤镜，你会因为限制到达相机探测器的辐射而失去热灵敏度。这将导致较高的NETD，但可以提供与气体成像有关的更好的图像。随着光谱滤波器宽度的缩小，聚焦于特定的气体，来自场景的辐射减少，而探测器的噪声保持不变，来自滤波器的反射辐射增加。这导致创建一个与气体成像相关的高质量图像，但降低了相机的温度测量(辐射测量)的热敏度。当你有一个冷滤镜时，就像在一个冷却的OGI相机，这种现象是可以避免的，因为有非常少量的反射辐射。

如何选择冷却或非冷却OGI相机

在为OGI需求选择相机时，要考虑的第一个因素是确保相机可以可视化您的气体。在你这样做之后，决定可能并不总是简单的，不应该仅仅基于价格。

虽然它们的价格可能更高，但冷却OGI相机有相当大的优势。如上所述，这些单元属于碳氢化合物气体的功能区域，这意味着只需一台摄像机就可以看到各种各样的气体。在某些情况下，在指纹区域需要多个摄像头才能达到同样的效果。中波相机的另一个独特的优点是没有水蒸气的干扰。如图7所示，水蒸气在长波区或指纹区有很强的吸收，使用相机时可能会造成图像的不确定性。

在选择OGI相机时，提高灵敏度和图像质量是需要考虑的重要因素。这不仅会影响小泄漏的可视化能力，而且在试图达到监管标准时也可能是相当重要的因素。

当选择一个冷却OGI相机是有益的相机时，也有功能上的考虑。市场上唯一通过危险位置认证的手持OGI摄像机是冷却探测器摄像机。如果您需要或希望能够量化您的气体泄漏，这只需要使用中波光谱中的OGI相机(如GF320)和FLIR QL320定量解决方案中的专有软件来完成。

FLIR GF620冷却光学气体成像相机和FLIR GF77非冷却气体探测仪相机

随着非冷却OGI相机在市场上的推出，这种新技术的优势。首先，制造非冷却相机的成本相当低，这导致较低的市场价格。由于设计简单，不需要冷却器，维护成本也更低，这可能使它们更适合连续、24/7运行的应用程序。

无论你是想省钱、达到监管标准、提高工人安全，还是仅仅想成为一个好的环境管理者，你的选择都比以往任何时候都多，有时也会让人困惑。除了价格，还有很多因素可以影响选择OGI相机的决定。FLIR提供了市场上OGI相机最广泛的选择和阵列，可以帮助您的选择过程。

关于Teledyne FLIR

Teledyne FLIR是Teledyne科技公司的一家公司，是国防和工业应用智能传感解决方案的世界领导者，在全球约有4000名员工。该公司成立于1978年，致力于创造先进技术，帮助专业人士做出更好、更快的决策，挽救生命和生计。更多信息，请访问www.teledyneflir.com或关注@flir。