La visualisation des gaz ou l'imagerie optique des gaz (OGI) est la science de la visualisation des gaz. Il existe plusieurs techniques pour visualiser un gaz, mais dans cet article, nous aborderons la visualisation des gaz à l'aide de caméras thermiques.
Les caméras thermiques mesurent l'énergie thermique. En raison de la rotation et de la vibration des molécules, certains gaz peuvent absorber l'énergie électromagnétique. L'énergie qui peut être absorbée (enregistrée) peut également être émise (rayonnée).
Les gaz constitués d'un seul atome (par exemple l'hélium - He -, le néon - Ne - ou le krypton - Kr -) et les gaz constitués de deux atomes (par exemple l'hydrogène - H -, l'oxygène - O - ou l'azote - N -) ne créent pas ces vibrations. Les gaz plus complexes tels que le méthane (CH4), le dioxyde de carbone (CO2) ou l'hexafluorure de soufre (SF6) sont autant d'exemples qui peuvent absorber l'énergie électromagnétique.
Ainsi, avec une caméra de détection de gaz, vous voulez faire la différence entre l'énergie absorbée/émise par le gaz lui-même et la quantité d'énergie provenant de l'environnement.
Une caméra de détection de gaz est équipée d'un capteur ou d'un filtre spectral très sensible à la bande spectrale dans laquelle le gaz absorbe la lumière infrarouge.
Ainsi, pour visualiser un gaz, il doit y avoir une différence entre la quantité d'énergie émise par le gaz et son environnement ou arrière-plan. Dans la pratique, la quantité d'énergie réfléchie par le gaz est négligeable. En d'autres termes, plus la différence de rayonnement entre le gaz et son environnement est importante, mieux le gaz peut être observé avec la caméra de détection de gaz.
Pour visualiser un gaz avec une caméra thermique, il est important que le gaz absorbe la lumière dans la bande spectrale dans laquelle la caméra est construite. La plupart des caméras thermiques portables non refroidies mesurent dans une gamme de 7,5 à 14 µm.
La caméra thermique doit pouvoir détecter une différence de rayonnement entre le gaz et l'environnement. La plupart des gaz ne sont pas visibles avec une caméra thermique standard.
La vapeur d'eau, la phase gazeuse de l'eau, n'est pas visible dans l'air par l'œil humain. En tant qu'êtres humains, nous voyons la condensation du gaz dans l'air lorsque la vapeur d'eau entre en contact avec une température de l'air inférieure au point de rosée. Comme cette eau est opaque (non transparente) pour une caméra thermique, nous pouvons mieux observer cette vapeur d'eau avec une caméra thermique qu'à l'œil nu.
Si un gaz est très transparent à la lumière dans la gamme spectrale de la caméra, la caméra thermique ne sera pas en mesure de le détecter. Ces courbes de transparence ainsi que les bandes spectrales des caméras thermiques sont accessibles en ligne. Thermal Focus peut vous aider à cet égard.
Les caméras de détection de gaz sont parmi les caméras thermiques les plus sensibles du marché. Pour mesurer certaines longueurs d'onde à basse température, il est nécessaire d'utiliser un capteur sensible dans cette gamme spectrale.
Une distinction peut être faite entre Caméras de détection de gaz réfrigérées et caméras de détection de gaz non réfrigérées. Lorsqu'on parle de caméras de détection de gaz refroidies, on fait référence à une caméra infrarouge dont le capteur fonctionne à des températures cryogéniques. Les capteurs sont refroidis à environ 70K ou -203°C. Les capteurs les plus couramment utilisés pour la gamme 3-5µm sont les détecteurs InSb (antimoniure) et pour la longueur d'onde 8-12µm le QWIP (photodétecteur infrarouge à puits quantique). Pour refroidir ces capteurs, on utilise généralement un micro-refroidisseur stirling.
Les caméras de détection de gaz non refroidies fonctionnent avec un détecteur qui ne nécessite pas de refroidissement délibéré. Ce type de caméra est également utilisé uniquement dans l'infrarouge lointain pour visualiser les gaz.
Le choix entre une caméra thermique refroidie et non refroidie est déterminé par deux facteurs :
Les capteurs non refroidis sont généralement moins chers à produire, mais ils présentent l'inconvénient de pouvoir convertir beaucoup moins de lumière infrarouge en image, ce qui réduit considérablement la sensibilité par rapport aux caméras thermiques refroidies. Comme ils fonctionnent dans le LWIR (8-12µm), les gaz visibles dans la partie MWIR (3-5µm) du spectre infrarouge ne peuvent déjà pas être détectés du tout. La sensibilité des caméras thermiques refroidies et non refroidies est difficilement comparable. Dans ce cas, les caméras thermiques refroidies offrent une qualité d'image et une sensibilité supérieures à celles des caméras non refroidies, car elles souffrent moins du bruit électronique dû au refroidissement cryogénique.
Un capteur est construit pour bien voir à travers l'air avec une influence limitée des gaz présents dans l'air tels que le CO2, H2O, CH4 et O3. Ces gaz réduisent la transmission de la lumière infrarouge dans l'air. C'est pourquoi les caméras thermiques sont principalement construites dans les zones MWIR (3-5µm) et LWIR (8-12µm) et que la zone comprise entre 5 et 8µm, par exemple, ne suscite que peu d'intérêt.
Bien qu'un capteur soit sensible dans un spectre infrarouge plus large, un filtre spectral est utilisé. La FLIR Gx320 est une caméra de détection de gaz dotée d'un détecteur InSb (3-5µm), mais d'un filtre qui traverse la bande spectrale de 3,2-3,4µm. Pas moins de 400 gaz différents sont visibles dans cette bande spectrale. C'est pourquoi la FLIR Gx320 est également appelée caméra VOC. COV signifie composés organiques volatils.
Les gaz qui peuvent ainsi absorber la lumière infrarouge dans le spectre où la caméra de détection de gaz enregistre cette partie du spectre deviennent visibles.
Pour visualiser un gaz, on utilise un filtre de soustraction de trame avancé. Dans les caméras thermiques, il s'agit d'un mode haute sensibilité (HSM). Le filtre a pour but de commencer à comparer les images entre elles sur une certaine période de temps. L'intérêt réside dans une différence de rayonnement qui peut être détectée par la caméra. Le rayonnement delta de chaque pixel est affiché de manière régulière. Le gaz étant en mouvement, un rayonnement delta est créé en raison des différences de concentration du gaz.
Cela produit des images comme celles ci-dessous :
