Informazioni sulle dimensioni dei pixel del rilevatore OGI

Perché pixel più grandi possono essere migliori

Nonostante la risoluzione costituisca da sempre una specifica chiave per l’acquisto di termocamere a infrarossi, la scelta non è semplice se parliamo di determinate applicazioni di termografia per oleodotti e gasdotti.

di Craig O'Neill, FLIR Systems, Inc.

In quasi tutti i tipi di termografia, la principale specifica è la risoluzione. Tuttavia, in alcune applicazioni di rilevazione ottica di gas (OGI), è vantaggioso optare per una termocamera a minore risoluzione per ottenere prestazioni ottimali.

Questo articolo spiega perché l’alta risoluzione non è sempre fondamentale nella OGI, individua gli scenari in cui è desiderabile una risoluzione più elevata e presenta le soluzioni OGI di FLIR per soddisfare qualsiasi esigenza di risoluzione di cui la tua attività potrebbe aver bisogno.

Le specifiche non bastano

L’acquisto della maggior parte delle apparecchiature utilizzate dagli operatori del settore petrolifero e del gas è basato esclusivamente sulle specifiche e la risoluzione è considerata una delle più importanti, se non la più importante. Sebbene questo metodo di acquisto possa risultare efficiente e conveniente, è comunque rischioso, perché gli utenti delle termocamere OGI si concentrano (intenzionalmente o meno) su specifiche che potrebbero non essere fondamentali per le prestazioni richieste alle apparecchiature per una determinata applicazione.

Delle buone specifiche sono proprio questo: specifiche che sembrano ideali… sulla carta. La funzionalità, nella pratica, è completamente un’altra cosa. Dipende dal contesto, in particolare dall’area di applicazione e dal budget.

Al centro di questa discussione vi è la risoluzione. Un fornitore potrebbe affermare che “La nostra termocamera ha una risoluzione X e la termocamera della concorrenza ha una risoluzione inferiore. Una maggiore risoluzione è meglio, quindi la nostra offerta è più interessante”. L’argomentazione ha senso; è facile da capire e quasi universalmente accettata. Inoltre, quando si sceglie una termocamera a infrarossi (IR, non OGI), la risoluzione è da sempre una specifica chiave da considerare. Ma una risoluzione più elevata non è sempre la scelta giusta.

Dici di volere più risoluzione, beh, sai…

Le termocamere OGI funzionano sulla lunghezza d’onda IR. Pertanto, è facile vedere dove potrebbe nascere un’eccessiva semplificazione perché, nella maggior parte delle applicazioni IR, l’aggiunta di pixel a una termocamera la renderà “migliore” perché si avranno rapporti distanza/dimensione dello spot inferiori (aree misurabili) per ottenere misurazioni più accurate, nonché una migliore qualità dell’immagine (grazie a una maggiore risoluzione).

L’efficacia della OGI, tuttavia, dipende sia dalla risoluzione a infrarossi che dalla sensibilità ai gas. La sensibilità viene misurata tramite il Noise Equivalent Concentration Length (NECL), che misura la quantità di gas che può essere rilevata su una determinata distanza sopra la soglia di rumore intrinseco della termocamera.

Diversi parametri sono fondamentali per comprendere come queste due caratteristiche interagiscono e includono importanti considerazioni sull’acquisto della termocamera:

1. Dimensioni pixel
2. Pixel Pitch
3. Sensibilità termica
4. Assorbanza gassosa

1.) Dimensioni pixel—Per OGI, risoluzione e NECL non sono lineari. In effetti, si contraddistinguono l’un l’altro. Si consideri, come indicato in precedenza, che nelle applicazioni con termocamera IR non OGI, più alta è la risoluzione, migliore è la capacità della termocamera di diagnosticare un problema radiometricamente (ossia, misurare la temperatura superficiale dell’obiettivo interpretando l’intensità del segnale IR che raggiunge la termocamera). Man mano che le dimensioni dei pixel diminuiscono e l’oggetto da misurare rimane invece della stessa dimensione, si ottengono più pixel sull’obiettivo e la precisione della misurazione è migliore.

Allo stesso modo, considera la misurazione della temperatura rispetto all’OGI: Nella Fig. 1, in un singolo pixel appare più “bianco” quando la risoluzione è maggiore/il pixel è più piccolo. Se si calcola la media di tutta l’area in quel pixel (ovvero, il colore), maggiore è il bianco che riempie il pixel, maggiore è la precisione di lettura della temperatura (intensità). Si tratta di uno scenario in cui l’alta risoluzione è vantaggiosa.

Figura 1

Una maggiore risoluzione è generalmente auspicabile nelle applicazioni OGI in cui si cerca una maggiore definizione delle perdite (consentendo l’identificazione di maggiori dettagli sulle perdite) o quando si tenta di definire piccole perdite (Fig. 2).

Figura 2

2.) Pixel Pitch—Per contro, nel rilevamento dei gas, gli utenti di solito non si preoccupano delle “dimensioni” del pixel rispetto all’oggetto visualizzato. La maggior preoccupazione nel rilevamento di gas è la quantità di energia che raggiunge un pixel, che deve essere massima.

Man mano che si aggiunge una maggiore risoluzione (più pixel) a un Focal plane array (FPA), la dimensione di ciascun pixel (misurata in micrometri e indicata come “Pixel pitch”, o lo spazio da un centro del pixel all’altro) si riduce in genere nel tentativo di mantenere la dimensione complessiva del rilevatore più piccola. In questo modo si riduce la quantità di “energia” che ogni pixel raccoglie e si rende l’imager meno sensibile. In generale, queste due cose sono in contrapposizione tra loro (la risoluzione sale, la sensibilità diminuisce). Pertanto, per la OGI, è preferibile un Pixel pitch (passo pixel) maggiore, poiché cattura più energia.

Ad esempio, tra le termocamere OGI raffreddate FLIR, la termocamera GFx320 ha un passo pixel di 30 µm mentre la termocamera GF620 ha un passo di 15 µm, il che rende la GFx320 leggermente più sensibile della GF620 (15 mK vs. 20 mK). In termini di NECL, quello della GF620 per il metano è circa il doppio di quello della GFx320. Anche se la GF620 rimane sufficientemente sensibile da soddisfare i requisiti più rigorosi in termini di livelli di sensibilità, come EPA NSPS 40 CFR Parte 60, Sottoparte OOOOa, questo potrebbe non essere il caso di tutte le termocamere OGI ad alta risoluzione.

In termini di “piccole perdite,” una risoluzione superiore della GF620 (640 × 480 rispetto a 320 × 240; vedere figura 2) può fornire alcuni vantaggi. In primo luogo, è possibile vedere più chiaramente la definizione delle perdite e, potenzialmente, ottenere maggiori dettagli sulla perdita. È possibile combinare questo maggiore fattore di risoluzione con le funzionalità di zoom digitale dell’imager per vedere un’immagine molto più nitida e, quindi, visualizzare perdite più piccole.

3.) La sensibilità termica, o Noise Equivalent Temperature Difference (NETD), descrive la minima differenza di temperatura che si può vedere con una termocamera. Più basso è il valore, migliore è la sensibilità termica dei sistemi a infrarossi. Questa misurazione viene generalmente effettuata a una temperatura standard di settore di 30°C.

Se gli obiettivi da misurare presentano in genere ampie differenze di temperatura, probabilmente non è necessaria una termocamera con una NETD basso. Tuttavia, per applicazioni più delicate, come il rilevamento dei problemi di umidità, è consigliabile una maggiore sensibilità. In molti casi, la OGI si concentra semplicemente sull’“eventuale presenza/fuoriuscita di gas” rendendo la NETD un fattore meno significativo rispetto al passo del pixel.

4.) Assorbanza di gas—Senza un gas assorbito nell’intervallo spettrale della termocamera IR (filtrata o meno), l'imager non sarà in grado di vederlo. Detto diversamente, la risoluzione delle termocamera IR non influirà sulla capacità della termocamera di vedere il gas se il gas sottoposto a termografia non assorbe energia nell’intervallo spettrale della termocamera.

Figura 3

Inoltre, la modalità ad alta sensibilità (HSM) brevettata da FLIR è stata potenziata con più pixel, il che potrebbe aiutare a rilevare perdite più piccole. Questo attributo OGI fondamentale varia in base al gas. L'assorbanza può essere descritta in termini di fattore di risposta gassosa (RF); più alto è il valore, migliore è la termografia del gas. Ad esempio, il propano ha un valore RF maggiore rispetto al metano per le termocamere raffreddate (circa tre volte superiore), poiché assorbe più energia nella regione spettrale IR filtrata nelle termocamere OGI FLIR utilizzate per visualizzare le perdite di idrocarburi e VOC. (Fig. 3).

Conclusioni

Anche se la termografia ad alta risoluzione potrebbe non essere il fattore più importante in tutte le applicazioni OGI, risulterebbe comunque molto vantaggiosa in altre.

Le persone i cui compiti includono il rilevamento e la riparazione delle perdite (LDAR) o servizi come Health and Safety Executive (HSE) sono spesso incaricate di utilizzare le termocamere OGI per individuare le fughe di gas che necessitano di riparazione, sia per la manutenzione che per la conformità normativa. Le termocamere FLIR consentono a questi operatori di individuare le piccole perdite e di caratterizzare quelle che sono state scoperte, nonché di mantenere la sicurezza del personale durante tutto il processo.

Indipendentemente dalle tue esigenze di risoluzione e NECL, FLIR offre una gamma completa di termocamere OGI per soddisfarle, tra cui i modelli GFx320, GF320, GF300, G300a e GF620, progettati specificamente per il rilevamento di idrocarburi e gas VOC.

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