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.
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 (bijvoorbeeld Waterstofgas – H –, zuurstof – O – of stikstof – N –) creëren niet deze vibraties. Meer complexere gassen zoals Methaan (CH4), Koolstofdioxide (CO2) of Sulfur Hexafluoride (SF6) zijn slechts enkele van de voorbeelden die elektromagnetische energie kunnen absorberen.
Met een gasdetectiecamera wil u dus onderscheid maken in de energie die geabsorbeerd/geëmitteerd wordt door het gas zelf en de hoeveelheid energie die afkomstig is uit de omgeving.
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.
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.
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 oog 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.
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 gasdetectiecamera’s en ongekoelde gasdetectiecamera’s. Wanneer er over gekoelde gasdetectiecamera’s gesproken wordt, verwijzen we naar een infraroodcamera 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.
Ongekoelde gasdetectiecamera’s werken met een detector die niet bewust gekoeld moet worden. Dit type camera’s wordt ook enkel in LWIR gebruikt om gassen te visualiseren.
De keuze tussen een gekoelde en ongekoelde warmtebeeldcamera wordt bepaald door 2 factoren:
Ongekoelde sensoren zijn doorgaans goedkoper te produceren, maar hebben het nadeel dat ze veel minder infrarood 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 infrarood 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.
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 infraroodlicht door de lucht. Dit is de reden waarom warmtebeeldcamera’s voornamelijk worden gebouwd in MWIR (3-5µm) en LWIR (8-12µm) en er weinig interesse is in de zone tussen 5-8µm bijvoorbeeld.
Hoewel een sensor in een breder infrarood spectrum gevoelig is, wordt er gebruik gemaakt van een spectrale filter. De FLIR Gx320 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 FLIR Gx320 ook wel de VOC camera. VOC staat voor volatile organic compounds, of in het Nederlands: Vluchtige organische stoffen of VOS.
Gassen die dus het infraroodlicht kunnen absorberen in het spectrum waarbij de gasdetectiecamera dit deel van het spectrum in beeld brengt, worden dus zichtbaar.
Om een gas te kunnen visualiseren, wordt er gebruik gemaakt van een geavanceerde frame substraction filter. In de thermische camera’s kunt u 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 dat door de 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 onderstaande beelden:
