Il confronto tra termocamere OGI raffreddate e non raffreddate

I vantaggi di ciascuna tecnologia per le singole applicazioni in un'ampia gamma di settori

Di Craig O'Neill e Ron Lucier

Per oltre un decennio, FLIR Systems ha prodotto termocamere per la visualizzazione di fughe di gas di varia natura. Le termocamere OGI (Optical Gas Imaging) sono state sviluppate per "vedere" una varietà di gas, tra cui idrocarburi, diossido di carbonio, esafluoruro di zolfo, refrigeranti, monossido di carbonio, ammoniaca e altri gas. Sono strumenti utilizzati per numerose applicazioni in diversi settori industriali, tra cui la riduzione delle emissioni, l'aumento dell'efficienza produttiva e la sicurezza dell'ambiente di lavoro. Un grande vantaggio offerto dalle termocamere OGI rispetto ad altre tecnologie di ispezione è la velocità con cui localizzano i componenti difettosi senza fermare i processi industriali.

Storicamente, le termocamere sono state progettate con sensori IR raffreddati che offrono diversi vantaggi rispetto ai sensori non raffreddati, ma spesso a fronte di un costo più elevato. I progressi nella tecnologia dei sensori non raffreddati hanno permesso ai produttori di termocamere OGI come FLIR di progettare e sviluppare soluzioni OGI a prezzi inferiori. Anche se di costo inferiore, le termocamere con sensori non raffreddati presentano alcune limitazioni rispetto alle versioni raffreddate.

La scienza alla base della rilevazione ottica di gas

Prima di esaminare le differenze tra i sensori raffreddati e non raffreddati nelle termocamere OGI, è utile comprendere la teoria alla base di questa tecnologia. L'immagine ottica di un gas catturata da una termocamera OGI può essere assimilabile a quella di una normale videocamera; l'operatore infatti vede il pennacchio di gas come uno sbuffo di fumo. Senza una termocamera OGI, la fuoriuscita di gas sarebbe completamente invisibile ad occhio nudo. Per rendere visibile il pennacchio di gas, le termocamere OGI sfruttano un esclusivo metodo di filtraggio spettrale (basato sulla lunghezza d'onda) che consente di rilevare uno specifico composto gassoso. Nei sensori raffreddati, il filtro passa banda ammette il passaggio di radiazione in un range di lunghezze d'onda molto ristretto, chiamato banda passante. Questa tecnica viene riferita come adattamento spettrale (vedi figura 1).

Figura 1

Le termocamere OGI sfruttano la natura assorbente di alcune molecole per visualizzarle nei loro ambienti nativi. I focal plane array (FPA) e i sistemi ottici della termocamera sono specificamente regolati su bande spettrali molto ristrette, spesso nell'ordine di poche centinaia di nanometri, e sono quindi ultra-selettivi. Possono essere rilevati solo i gas assorbenti nella regione dell'infrarosso delimitata da un filtro passa banda stretto. Le caratteristiche di assorbimento dell'infrarosso della maggior parte dei composti dipendono dalla lunghezza d'onda. I gas nobili come l'idrogeno, l'ossigeno e l'azoto non sono direttamente rilevabili dal sensore.

La regione gialla in figura 2 rappresenta un filtro spettrale progettato per corrispondere alla gamma di lunghezze d'onda in cui la maggior parte dell'energia infrarossa di fondo viene assorbita dal metano.

Figura 2

Se la termocamera riprende una scena in assenza di una fuga di gas, gli oggetti nel campo visivo emettono e riflettono la radiazione infrarossa che giunge all'ottica e al filtro della termocamera. Se tra gli oggetti e la termocamera si frappone una nube di gas che assorbe la radiazione nel range del filtro passa banda, la quantità di radiazione che attraversa la nube e arriva al sensore viene ridotta. Per vedere la nube in relazione allo sfondo, deve esserci un contrasto radiante tra nube e sfondo.

In sintesi, le condizioni necessarie per rendere visibili le nubi di gas sono: 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; e la temperatura apparente della nube deve differire da quella dello sfondo. Inoltre, il movimento della nube ne facilita la visualizzazione.

Le lunghezze d'onda e la rilevazione ottica di gas

Per comprendere a fondo la differenza tra termocamere per la rilevazione ottica di gas "raffreddate o non raffreddate", è necessario approfondire la relazione tra le lunghezze d'onda implicate nella rilevazione ottica di gas e i sensori usati da queste termocamere. Le termocamere OGI usano principalmente due lunghezze d'onda, le onde medie, o midwave, a 3–5 micrometri (μm), e le onde lunghe, o longwave, a 7–12 μm. Nel campo della rilevazione ottica di gas sono riferite rispettivamente come "zona dei gruppi funzionali" e "zona delle impronte digitali". Nella zona dei gruppi funzionali, una termocamera visualizza più gas di una singola categoria, mentre nella zona delle impronte digitali la maggior parte dei gas ha caratteristiche di assorbimento specifiche. Ad esempio, quasi tutti gli idrocarburi gassosi assorbono energia nella regione filtrata dalla GF320 (evidenziata in giallo) ma hanno diverse caratteristiche di assorbimento nella zona delle impronte digitali, o onde lunghe, (evidenziata in blu) (vedi Figura 3).

Figura 3

Mentre molti gas hanno caratteristiche di assorbimento sia nella banda a onde medie che onde lunghe, esistono anche gas che emettono in una sola banda d'onda IR. Alcuni gas emettono nello spettro delle onde medie e non in quello delle onde lunghe (es. monossido di carbonio/CO) e altri emettono esclusivamente nello spettro delle onde lunghe (esafluoruro di zolfo/SF₆). Questi gas non rientrano né nella zona dell'impronta digitale né nella zona dei gruppi funzionali, spesso riferita agli idrocarburi gassosi. Di seguito sono riportati i grafici degli spettri IR per i gas CO ed SF₆.

Figura 4

Figura 5

Il confronto tra sensori raffreddati e non raffreddati

Le termocamere OGI raffreddate utilizzano sensori quantici midwave (onde medie) o longwave (onde lunghe) che richiedono il raffreddamento a temperature criogeniche (circa 77 K o -321 °F). Le termocamere a onde medie che rilevano gas idrocarburi nella zona dei gruppi funzionali, come il metano, operano comunemente nella banda spettrale 3–5 μm e utilizzano un sensore ad antimoniuro di indio (InSb). Le termocamere a onde lunghe raffreddate che rilevano gas come l'SF₆, operano nella banda spettrale 8–12 μm e utilizzano un fotorilevatore di infrarosso Quantum Well (QWIP).

Una termocamera OGI raffreddata ha un sensore immagine integrato con un cryocooler, che abbassa la temperatura del sensore a temperature criogeniche. Il raffreddamento del sensore è necessario per ridurre il rumore a un livello inferiore a quello del segnale proveniente dalla scena inquadrata. Nei cryocooler sono presenti parti in movimento con tolleranze meccaniche estremamente ridotte, che col tempo sono soggette a usura, ed elio, che lentamente fuoriesce dalle guarnizioni di tenuta. Il cryocooler necessita di un ricondizionamento dopo 10.000 – 13.000 ore di funzionamento.

Le termocamere con sensori raffreddati sono dotate di un filtro integrato nel sensore. Questo design impedisce qualsiasi scambio di radiazione parassita tra il filtro e il sensore, migliorando sensibilità dell'immagine. L'aumento di sensibilità dell'immagine può indurre il sensore immagine a visualizzare alcuni gas in modo più efficace e persino consentire alla termocamera OGI di soddisfare gli standard normativi come l'OOOOOOa dell'EPA o altri requisiti.

Figura 6: Immagini dell'impronta di una mano su una parete riprese con una termocamera raffreddata in successione a distanza di due minuti

Figura 7: Immagini dell'impronta di una mano su una parete riprese con una termocamera non raffreddata in successione a distanza di due minuti

Le termocamere OGI non raffreddate utilizzano un sensore a microbolometro che non richiede componenti aggiuntivi per il raffreddamento. Questi sensori sono spesso realizzati in ossido di vanadio (VOx) o silicio amorfo (a-Si) e sono reattivi nel range 7-14 μm. Sono molto più facili da produrre rispetto alle termocamere raffreddate, ma hanno sensibilità, o Noise Equivalent Temperature Difference (NETD), ridotta, che rende più difficile la visualizzazione di piccole fughe di gas. NETD è una cifra di merito che rappresenta la differenza di temperatura minima che una termocamera è in grado di risolvere. La figura 6 mostra gli effetti della sensibilità dei sensori raffreddati e non raffreddati. Una migliore NETD si traduce in una telecamera OGI raffreddata che rileva il gas almeno cinque volte meglio di quella non raffreddata. Uno standard simile utilizzato per determinare quanto una termocamera OGI può rilevare il gas è il Noise Equivalent Concentration Length (NECL) che determina quanto gas può essere rilevato su una determinata distanza. Ad esempio, il NECL di una termocamera OGI raffreddata FLIR GF320 (sensore 3–5 μm) per il rilevamento del metano è inferiore a 20 ppm*m, mentre il NECL di una soluzione non raffreddata (sensore 7–14 μm) è superiore a 100 ppm*m.

Un altro elemento da considerare per quanto riguarda le termocamere OGI non raffreddate è il filtro. Alcune termocamere non sono filtrate nella banda delle onde lunghe, il che significa che sono costituite solo da un sensore ad ampio spettro che utilizza funzioni di analisi esclusive per visualizzare un gas. La modalità ad alta sensibilità (HSM) brevettata da FLIR è un esempio di termocamera che utilizza software e analisi per migliorare la visualizzazione dei gas. Alcune termocamere integrano filtri maggiormente mirati, integrati nell'ottica, tra la termocamera e l'ottica, o progettati in secondo altri criteri.

Con il filtraggio non raffreddato, si perde in sensibilità termica, a causa della limitata quantità di radiazione che raggiunge il sensore della termocamera. Ciò si traduce in un NETD più elevato, ma potrebbe presentare un'immagine migliore per la rilevazione ottica di gas. Quando la larghezza del filtro spettrale viene ridotta per concentrarsi su gas specifici, la radiazione proveniente dalla scena diminuisce, mentre il rumore del sensore rimane invariato e la radiazione riflessa dal filtro aumenta. Ne risulta un'immagine di qualità molto più elevata pe quanto riguarda la rilevazione ottica di gas, ma con una sensibilità termica della termocamera ridotta per la misurazione di temperatura (radiometria). Quando si dispone di un filtro freddo, come in una termocamera OGI raffreddata, questo fenomeno viene evitato, in quanto ci sono quantità molto piccole di radiazione riflessa.

La scelta tra una telecamera OGI raffreddata o non raffreddata

Il primo fattore da considerare nella scelta della termocamera più indicata per una specifica applicazione OGI, è il tipo di gas da visualizzare. Anche dopo questa prima selezione, la decisione potrebbe non essere facile, e in ogni caso non si dovrebbe basare esclusivamente sul prezzo.

Anche a fronte di un prezzo più elevato, i vantaggi offerti da una termocamera OGI raffreddata sono notevoli. Come accennato in precedenza, queste unità ricadono nella zona dei gruppi funzionali degli idrocarburi gassosi, e una singola termocamera potrebbe essere sufficiente per visualizzare un'ampia varietà di gas. Per ottenere gli stessi risultati servirebbero più termocamere che operano nella zona delle impronte digitali. Un altro vantaggio esclusivo di una termocamera a onde medie è l'immunità all'interferenza causata da vapore acqueo. Come si vede nella Figura 7, il vapore acqueo ha un forte assorbimento nella regione delle impronte digitali o onde lunghe, che potrebbe causare un'immagine incerta quando si utilizza una termocamera.

L'aumento di sensibilità e di qualità dell'immagine sono fattori importanti da considerare nella scelta di una termocamera OGI. Queste caratteristiche non solo hanno un impatto sulla capacità di visualizzare piccole fughe, ma possono anche essere fattori determinanti per la conformità agli standard normativi.

Nella scelta alcune caratteristiche e funzionalità delle termocamere OGI raffreddate possono far spostare l'ago della bilancia. Le uniche termocamere OGI portatili presenti sul mercato certificate per aree pericolose sono versioni con sensore raffreddato. Quantificare la una fuga di gas è possibile esclusivamente con una termocamera OGI nello spettro delle onde medie, come la GF320, e con il software proprietario QL320 di analisi quantitativa della Providence Photonics.

Con l'introduzione sul mercato delle termocamere OGI non raffreddate, questa nuova tecnologia presenta dei vantaggi. Innanzitutto, il costo di produzione di una termocamera non raffreddata è notevolmente più basso, il che si traduce in un prezzo di mercato inferiore. Inoltre, sono meno costose da mantenere grazie alla semplicità di progettazione, che non prevede il raffreddamento, fattore che le rende potenzialmente più adatte per esigenze di funzionamento continuo 24/7.

Che si tratti di risparmiare denaro, di soddisfare gli standard normativi, di aumentare la sicurezza dei lavoratori o semplicemente per il rispetto dell'ambiente, le opzioni sono molteplici e a volte possono disorientare. Molti fattori possono influire sulla scelta di un modello di termocamera OGI oltre al prezzo. FLIR offre la più ampia selezione e la più vasta gamma di termocamere OGI sul mercato e può assistervi nel processo di selezione.