Wat is Optical Gas Imaging (OGI) of gasvisualisatie?

Gasvisualisatie of Optical Gas Imaging (OGI) is de wetenschap om gassen in beeld te brengen. Er zijn verschillende technieken om een gas zichtbaar te maken, maar in dit artikel behandelen we gasvisualisatie door middel van thermische camera’s.

Waarom kunnen we bepaalde gassen visualiseren in IR?

Warmtebeeldcamera’s meten warmte-energie. Door de rotatie en vibratie van molecules kunnen bepaalde gassen elektromagnetische energie absorberen. De energie die geabsorbeerd (opgenomen) kan worden, kan ook geëmitteerd (uitgestraald) worden.

Gassen die uit 1 atoom bestaan (bijvoorbeeld, Helium – He -, Neon – Ne – of Krypton – Kr -) en gassen die uit 2 atomen bestaan (Waterstofgas – H -, zuurstof – O -, stikstof – N -) creëren niet deze vibraties. Meer complexere gassen zoals CH4 (methaan) of CO2 (koolstofdioxide), SF6 ( Sulfur Hexafluoride) zijn slechts enkele van de voorbeelden die elektromagnetische energie kunnen absorberen.

Met een gasdetectiecamera wil je dus onderscheid maken in de energie die geabsorbeerd/geëmitteerd wordt door het gas zelf, en de hoeveelheid energie die afkomstig is uit de omgeving.

 

Wat is er nodig om het gas te kunnen visualiseren?

Een gasdetectiecamera wordt gebouwd met een sensor of spectrale filter die uiterst gevoelig is aan de spectrale band waarin het gas het IR licht absorbeert.

schematische voorstelling absorptie van gas
Figuur 1: schematische voorstelling absorptie van gas

Om een gas te kunnen visualiseren moet er dus een verschil zijn in de geëmitteerde hoeveelheid energie van het gas en zijn omgeving of achtergrond. In de praktijk is de hoeveelheid energie die gereflecteerd wordt door het gas verwaarloosbaar.
Met andere woorden, des te groter het verschil in straling tussen het gas en zijn omgeving des te beter is het gas waar te nemen met de gasdetectiecamera.

Kan elke warmtebeeldcamera gassen zien?

Om een gas te kunnen visualiseren met een warmtebeeldcamera, is het belangrijk dat het gas het licht absorbeert in de spectrale band waarin de camera gebouwd is. De meeste draagbare ongekoelde warmtebeeldcamera’s meten in een bereik van 7.5-14µm.
Het is noodzakelijk dat de warmtebeeldcamera een stralingsverschil kan waarnemen tussen enerzijds het gas en de omgeving. De meeste gassen zijn niet zichtbaar met een standaard thermische camera. Waterdamp, de gasfase van water, is door het menselijk ook niet zichtbaar in de lucht. We zien als mens het condenseren van het gas in de lucht wanneer de waterdamp in aanraking komt met een luchttemperatuur die onder het dauwpunt ligt. Aangezien dat water opaak (niet transparant) is voor een warmtebeeldcamera, kunnen we deze waterdamp beter waarnemen met een thermische camera dan met ons blote oog.
Als een gas een hoge transparantie heeft van licht in het spectrale bereik van de camera, zal de thermische camera het gas niet kunnen waarnemen. Deze transparantiecurves alsook de spectrale banden van warmtebeeldcamera’s zijn online te raadplegen. Thermal Focus kan u hierbij helpen.

NH3 gaslek met FLIR GF306 vast gesteld
Figuur 2: NH3 gaslek met FLIR GF306 vast gesteld

Gekoelde versus ongekoelde gasdetectie camera’s

FLIR GFx320 - VOC gasdetectiecamera

Figuur 3: FLIR GFx320 – VOC gasdetectiecamera

FLIR GF77 - ongekoelde gasdetectiecamera

Figuur 4: FLIR GF77 – ongekoelde gasdetectiecamera

Gasdetectiecamera’s behoren tot de meest gevoelige warmtebeeldcamera’s op de markt. Om in bepaalde golflengtes bij lage temperaturen te kunnen meten, is het noodzakelijk om een sensor te gebruiken die gevoelig is in dat spectrale bereik.
Er kan een onderscheid gemaakt worden in gekoelde gasdetectie camera’s en ongekoelde gasdetectiecamera’s. Wanneer er over gekoelde gasdetectie camera’s gesproken wordt, verwijzen we naar een IR camera met een sensor die werkt op cryogene temperaturen. De sensoren worden gekoeld tot ongeveer 70K of -203°C. De meest gebruikte sensoren voor het bereik van 3-5µm zijn de InSb (antimonide) detectoren. En voor de golflengte 8-12µm de QWIP (quantum well infrared photodetector). Om deze sensoren te koelen wordt er meestal gebruikt gemaakt van een micro stirling cooler.

FLIR micro stirling cooler

Figuur 5: FLIR micro stirling cooler

Ongekoelde gasdetectie camera’s werken met een detector die niet bewust gekoeld moet worden. Deze type camera’s worden ook enkel in LWIR gebruikt om gassen te visualiseren.
De keuze tussen een gekoelde en ongekoelde warmtebeeldcamera wordt bepaald door 2 factoren:
1) De belangrijkste factor is de golflengte waarin de camera opereert. Deze golflengte moet overeenkomen met de spectrale band waarin het gas elektromagnetische energie kan absorberen
2) De prijs / kwaliteitsverhouding

Ongekoelde sensoren zijn doorgaans goedkoper te produceren, maar hebben het nadeel dat ze veel minder IR licht kunnen omzetten naar een beeld, waardoor de gevoeligheid drastisch lager ligt dan bij de gekoelde warmtebeeldcamera’s. Doordat ze opereren in LWIR (8-12µm), kunnen de gassen die zichtbaar zijn in het MWIR (3-5µm) gedeelte van het IR spectrum al helemaal niet meer waargenomen worden. De gevoeligheid van de gekoelde en ongekoelde warmtebeeldcamera’s is nauwelijks te vergelijken. De gekoelde warmtebeeldcamera’s leveren hier een superieure beeldkwaliteit en gevoeligheid ten opzichte van de ongekoelde camera’s, omdat ze door het cryogeen koelen minder last hebben van elektronische ruis.

Spectraal filteren om gassen te kunnen visualiseren.

Een sensor wordt gebouwd om goed door de lucht te kunnen kijken met een beperkte invloed van aanwezige gassen in de lucht zoals CO2, H2O, CH4 en O3. Deze gassen verminderen de transmissie van het IR licht door de lucht. Dit is de reden waarom warmtebeeldcamera’s voornamelijk worden gebouwd in MWIR (3-5µm) en LWIR(8-12µm) en er een weinig interesse is in de zone tussen 5-8µm bijvoorbeeld.

Vereenvoudigde voorstelling gasdetectiecamera's in het IR spectrum

Figuur 6: vereenvoudigde voorstelling gasdetectiecamera’s in het IR spectrum

Hoewel een sensor in een breder IR spectrum gevoelig is, wordt er gebruik gemaakt van een spectrale filter. De GFx320 is een gasdetectiecamera die over een InSb detector (3-5µm) beschikt, maar over een filter beschikt die de spectrale band van 3.2-3.4µm doorlaat. In deze spectrale band zijn wel 400 verschillende gassen zichtbaar. Daarom noemen we de GFx320 ook wel de VOC camera. VOC staat voor volatile organic compounds, of in het Nederlands: Vluchtige organische stoffen of VOS.
Gassen die dus het IR licht kunnen absorberen in het spectrum waarbij de gasdetectiecamera dit deel van het spectrum in beeld brengt, worden dus zichtbaar.

Spectrale band van Ethyleen vergeleken met het bereik van FLIR GF306

Figuur 7: Spectrale band van Ethyleen vergeleken met het bereik van FLIR GF306

Spectrale band propaan vergeleken met bereik FLIR GFx320 en GF620

Figuur 8: Spectrale band propaan vergeleken met bereik FLIR GFx320 en GF620

Een beknopt overzicht van zichtbare gassen in IR

Knipsel-1-Wat is Optical Gas Imaging (OGI) of gasvisualisatie?

Knipsel-2-Wat is Optical Gas Imaging (OGI) of gasvisualisatie?

Hoe ziet er een gaslek uit?

Om een gas te kunnen visualiseren wordt er gebruik gemaakt van een geavanceerde frame substraction filter. In de thermische camera’s kan je dit terug vinden als een HSM-modus (high sensivity mode). De filter is erop gericht om beelden met elkaar te gaan vergelijken over een tijdspanne. Er is interesse in een stralingsverschil die door camera kan waargenomen worden. De delta straling van iedere pixel wordt in een vloeiende manier weergegeven. Omdat het gas in beweging is, ontstaat er een delta straling door de concentratieverschillen van het gas.
Dit levert beelden op zoals onderstaand:

Figuur 9: CO2 lekkage gedetecteerd met FLIR GF343  Figuur 9: CO2 lekkage gedetecteerd met FLIR GF343

Figuur 9: CO2 lekkage gedetecteerd met FLIR GF343

Figuur 10: SF6 lekkages gedetecteerd met GF306   Figuur 10: SF6 lekkages gedetecteerd met GF306

Figuur 10: SF6 lekkages gedetecteerd met GF306

Figuur 11: NH3 Lekkage gedetecteerd met FLIR GF306

Figuur 11: NH3 Lekkage gedetecteerd met FLIR GF306

Figuur 12: CO lek gedetecteerd met GF346

Figuur 12: CO lek gedetecteerd met GF346

CH4-lekkage-gedetecteerd-met-FLIR-GFx320-Wat is Optical Gas Imaging (OGI) of gasvisualisatie?

Figuur 13: CH4 lekkage gedetecteerd op biogasinstallatie met FLIR GFx320

Andere interessante artikels

Wat zijn de verschillen tussen gekoelde en ongekoelde warmtebeeldcamera’s

De standaard warmtebeeldcamera’s kent iedereen. Maar wist u dat er ook gekoelde modellen in ons assortiment zitten? Die bieden een aantal interessante voordelen.

FLIR warmtebeeldcamera

Wat is een warmtebeeldcamera?

Een warmtebeeldcamera is een camera die een deel van het infrarode licht van het elektromagnetisch spectrum (EMS) omzet in een beeld of video.