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              進博會專題
              測試測量

              詳細解讀制冷型與非制冷型光學氣體成像熱像儀

                2022年08月03日  

                十多年來,FLIR光學氣體成像(OGI)熱像儀一直用來可視化各種氣體泄漏。這些OGI熱像儀的開發是為了“看到”各種氣體,包括碳氫化合物、二氧化碳、六氟化硫、制冷劑、一氧化碳、氨等。FLIR OGI熱像儀被應用于各行各業,包括減少排放、提高生產效率和確保安全的工作環境。與其他檢測技術相比,OGI熱像儀的一大優勢是該技術能夠在不中斷工業過程的情況下精準定位氣體泄漏部件。

                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優勢,但成本往往更高。非制冷型紅外探測器技術的進步使得像FLIR OGI熱像儀這樣的制造商,能夠為相關行業設計和開發成本較低的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。

              光學氣體成像背后的科學

                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技術背后的理論。光學氣體成像可以比作通過普通的攝像機進行觀察,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,OGI熱像儀使用了一種獨特的光譜(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非常窄的波段,稱為帶通,這種技術被稱為光譜自適應。

              光譜自適應

                OGI熱像儀利用某些分子的吸收特性,將它們在原生環境中可視化。熱像儀焦平面陣列(FPAs)和光學系統專門調整到非常窄的光譜范圍,通常在數百納米左右,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域中的被氣體吸收的紅外波段。大多數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。

              黃色區域顯示了一個光譜濾波器,設計用于對應大部分背景紅外能量將被甲烷吸收的波長范圍。(圖中橫坐標代表波長,縱坐標代表甲烷氣體的透射率)

                如果將OGI熱像儀對準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的輻射,那么通過氣體云到達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系,云與背景之間必須有一個輻射的對比。

                總而言之,讓氣體可見的關鍵是: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,運動使氣體云更容易可視化。

              熟悉光學氣體成像相關的波長

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

              幾乎所有碳氫化合物氣體都在FLIR GF320的過濾區域(黃色部分)吸收能量,但在長波或指紋區域(藍色部分)有不同的吸收特征

                雖然許多氣體在中波和長波區域都有吸收特性,但也有氣體僅在一個紅外波段發射和吸收。有些氣體在中波而非長波光譜中發射和吸收(如一氧化碳/CO)和吸收,另一些僅在長波光譜中發射和吸收(如六氟化硫/SF6)。這些氣體不屬于指紋或功能區,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。檢測功能區碳氫化合物氣體(如甲烷)的中波熱像儀通常在3-5μm(微米)范圍內工作,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水平是必要的。制冷機運動部件的機械公差非常小,隨著時間的推移會磨損,氦氣也會慢慢通過氣體密封。最終,在運行1萬至1.3萬小時后,需要對冷卻器進行重建。

                帶有制冷探測器的熱像儀有一個與探測器連接的濾波器。這種設計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,進而會使光學氣體成像儀更有效地可視化某些氣體,甚至使OGI熱像儀符合美國環保局的OOOOa或其他要求等監管標準。

                非制冷OGI熱像儀使用微測輻射熱計探測器,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范圍內具有響應性。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是一個指標,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準是噪聲等效濃度長度(NECL),該標準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完全開放的探測器,使用獨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氣體可視化的熱像儀示例。有些熱像儀內部設置更有針對性的過濾器。這些濾波器可能與鏡頭有關,在探測器和鏡頭之間,以多種方式設計。

                使用非制冷過濾,由于限制到達熱像儀探測器的輻射,您會失去熱靈敏度。這將導致產生更高的NETD熱靈敏度值,但可以提供與氣體成像相關的更好圖像。隨著光譜濾波器寬度變窄以聚焦于特定氣體時,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。這會產生與氣體成像相關的更高質量的圖像,但會降低熱像儀用于溫度測量(輻射測量)的熱靈敏度。當你使用冷濾鏡時,比如制冷型OGI熱像儀,這種現象就可以避免,因為反射的輻射量非常小。

              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,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,而不僅僅基于價格。

                制冷型的優勢:雖然它們的價格可能更高,但制冷型OGI熱像儀有相當大的優勢。如上所述,這些單元屬于烴類氣體的功能區域,這意味著只需要一個熱像儀就可以看到各種各樣的氣體。在某些情況下,指紋區域需要多個熱像儀才能達到相同的結果。中波熱像儀的另一個獨特優點是不受水蒸氣的干擾。如上圖所示,水蒸氣在長波或指紋區域有很強的吸收,這可能會導致使用長波熱像儀時圖像的不確定性。

                靈敏度和圖像質量:在選擇OGI熱像儀時,提高靈敏度和圖像質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,而且在試圖滿足監管標準時也可能是相當大的因素。

              FLIR GF320甲烷和VOC檢測用紅外熱像儀

                非制冷的優勢:隨著非制冷型OGI熱像儀在市場上的推出,這項新技術具有優勢。首先,非制冷型OGI熱像儀的制造成本大大降低,從而導致市場價格降低。由于設計簡單,無需冷卻器,因此維護成本也較低,這可能使其更適合連續、24/7全天候運行的應用。

                無論你是想省錢、滿足監管標準、提高工人安全,還是僅僅想成為一名好的環境管理員,如今你的選擇比以往任何時候都多,當然有時也可能會讓人困惑。選擇OGI熱像儀的決定有很多因素,而不僅僅是價格。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。

              (來源:菲力爾)

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