Comprendre l’imagerie optique du gaz à détecteur refroidi ou non refroidi.

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Comprendre l’imagerie optique du gaz à détecteur refroidi ou non refroidi |

Avantages de chaque technologie pour des applications spécifiques de l’ensemble de l’industrie.

Par Craig O’Neill et  Ron Lucier

Depuis plus d’une décennie, FLIR Systems fabrique des caméras infrarouges (IR) pour visualiser toutes sortes de fuites de gaz. Ces caméras d’imagerie optique du gaz (OGI) sont développées pour « visualiser » divers gaz, dont des hydrocarbures, du dioxyde de carbone, de l’hexafluorure de soufre, des réfrigérants, du monoxyde de carbone, de l’ammoniac, etc. Ces imageurs sont mis au service de nombreuses applications dans différents secteurs d’activités, notamment pour la réduction des émissions, l’augmentation de l’efficacité de la production et la sécurité des environnements de travail. L’un des grands avantages des caméras OGI par rapport aux autres technologies d’inspection, c’est la rapidité avec laquelle leur technologie est capable de localiser les fuites de composants, sans interruption du processus industriel.

A l’origine, les caméras OGI ont été conçues avec des détecteurs IR refroidis qui offrent plusieurs avantages par rapport aux détecteurs non refroidis. Cependant, leur coût est souvent plus élevé. Les avancées technologiques en matière de détecteurs non refroidis ont permis aux fabricants de caméras OGI comme FLIR de concevoir et de développer des solutions OGI plus abordables pour ces secteurs. Malgré un prix inférieur, les caméras dotées d’un détecteur non refroidi présentent certaines limitations par rapport à celles dotées d’un détecteur refroidi.
Les fondements scientifiques de l’imagerie optique du gaz
Avant d’aborder la question du choix entre détecteur refroidi et non refroidi dans une caméra OGI, passons en revue les aspects théoriques sous-jacents à cette technologie. L’imagerie optique du gaz est comparable à l’observation à travers une caméra vidéo normale, mais l’opérateur voit des panaches de gaz ressemblant à de la fumée. Sans une caméra OGI, la présence de gaz serait totalement invisible à l’œil nu. Pour rendre visibles ces panaches de gaz, la caméra OGI utilise une méthode unique de filtrage spectral (selon différentes longueurs d’onde) lui permettant de détecter un composé gazeux spécifique. Dans un détecteur refroidi, le filtre limite les longueurs d’onde de rayonnement autorisées à passer à travers le détecteur à une bande très étroite, dite bande passante. Cette technique est appelée adaptation spectrale (voir Figure 1).


Figure 1

Les caméras OGI exploitent la nature absorbante de certaines molécules pour les visualiser dans leur environnement natif. Les matrices à plan focal (MFP) et les systèmes optiques de la caméra sont spécifiquement ajustés sur des plages spectrales très étroites, souvent de l’ordre de quelques centaines de nanomètres, et sont donc ultra-sélectifs. Seuls les gaz absorbants dans la région infrarouge délimitée par un filtre passe-bande étroit peuvent être détectés. Pour la majorité des composés gazeux, les caractéristiques d’absorption infrarouge dépendent de la longueur d’onde. Les gaz nobles tels que l’hydrogène, l’oxygène et l’azote, ne sont pas directement visibles.

La région jaune de la Figure 2 représente un filtre spectral conçu pour correspondre à la plage de longueurs d’onde où l’essentiel de l’énergie infrarouge de l’arrière-plan serait absorbé par le méthane.

Figure 2

Si la caméra observe une scène sans fuite de gaz, les objets présents dans le champ de vision émettent et réfléchissent des rayonnements infrarouges vers l’objectif et le filtre de la caméra. Si un nuage de gaz est présent entre les objets et la caméra, et que ce gaz absorbe le rayonnement dans la bande passante du filtre, la quantité de rayonnement traversant le nuage et atteignant le détecteur sera réduite. Pour observer le nuage se détacher du fond, il faut un contraste radiant entre le nuage et l’arrière-plan.

En résumé, les conditions nécessaires pour rendre le nuage visible sont les suivantes : le gaz doit absorber le rayonnement infrarouge dans la bande d’ondes visible de la caméra ; le nuage de gaz doit présenter un contraste radiant par rapport à l’arrière-plan ; et la température apparente du nuage doit être différente de celle de l’arrière-plan. En outre, le mouvement rend le nuage plus visible.

Comprendre les longueurs d’onde associées à l’imagerie optique du gaz
Pour bien saisir la différence entre « refroidi » et « non refroidi » en matière de caméras d’imagerie optique du gaz, il faut comprendre les longueurs d’onde liées à ce type d’imagerie et les détecteurs équipant ces caméras. Les deux principales longueurs d’onde des caméras OGI sont communément appelées ondes moyennes (3 à 5 micromètres ou μm), et ondes longues (7 à 12 μm). Dans le domaine de l’imagerie du gaz, on peut également parler respectivement de « région fonctionnelle » » et de « région d’empreinte ». Dans la région fonctionnelle, plusieurs gaz d’une même catégorie peuvent être vus par une seule caméra, tandis que de nombreux gaz individuels ont des caractéristiques d’absorption spécifiques dans la région d’empreinte. Par exemple, tous les gaz d’hydrocarbures ou presque absorbent de l’énergie dans la région filtrée du GF320 (surlignée en jaune sur la figure), mais avec des caractéristiques d’absorption différentes dans la région des ondes longues ou d’empreinte (surlignée en bleu, voir Figure 3).

Figure 3

Si de nombreux gaz possèdent des caractéristiques d’absorption à la fois dans les ondes moyennes et les ondes longues, il existe également des gaz qui n’émettent que dans une seule bande infrarouge. Certains gaz émettent dans le spectre des ondes moyennes et non dans celui des ondes longues (le monoxyde de carbone ou CO en particulier) et d’autres, uniquement dans les ondes longues (comme l’hexafluorure de soufre ou SF6). Ces gaz ne se manifestent pas dans la région d’empreinte ou la région fonctionnelle, où il est souvent question de gaz d’hydrocarbures. Voir ci-dessous les graphiques des spectres IR du CO et du SF6.

Figure 4

Figure 5

Détecteurs refroidis ou non refroidis

Les caméras OGI refroidies font appel à des détecteurs quantiques qui doivent être refroidis à des températures cryogéniques (environ 77°K, soit -321°F) et peuvent s’appliquer aux ondes moyennes ou aux ondes longues. Les caméras à ondes moyennes qui détectent les hydrocarbures dans la région fonctionnelle, comme le méthane, opèrent généralement sur la plage 3-5 μm et utilisent un détecteur à antimoniure d’indium (InSb). Les caméras refroidies à ondes longues qui détectent des gaz comme le SF6 opèrent sur la plage 8-12 μm et peuvent utiliser un photodétecteur infrarouge à puits quantique (QWIP).

Une caméra OGI refroidie dispose d’un capteur d’imagerie intégré à un cryorefroidisseur, lequel abaisse la température du capteur à un niveau cryogénique. Cet abaissement de la température du capteur est nécessaire pour ramener le bruit à un niveau inférieur à celui du signal de la scène filmée. Les cryoréfrigérateurs comportent des pièces mobiles fabriquées avec des tolérances mécaniques très étroites qui font qu’elles s’usent au fil du temps. De même, l’hélium qu’ils renferment finit à la longue par s’échapper des joints d’étanchéité. Ainsi, le refroidisseur cryogénique nécessite une remise en état au bout de 10 000 à 13 000 heures de fonctionnement.

Sur les caméras équipées d’un détecteur refroidi, un filtre est monté sur le détecteur. Cette conception évite tout échange de rayonnement parasite entre le filtre et le détecteur, d’où une meilleure sensibilité d’image. Grâce à cette augmentation de la sensibilité, l’imageur est à même de visualiser plus efficacement certains gaz et la caméra OGI peut satisfaire à la réglementation OOOOa de l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) ou à d’autres obligations de conformité.

Figure 6 : Images d’une empreinte de main sur un mur prise à l’aide d’une caméra thermique refroidie, puis prise à nouveau deux minutes plus tard.

Figure 7 : Images d’une empreinte de main sur un mur prise à l’aide d’une caméra thermique non refroidie, puis prise à nouveau deux minutes plus tard.

Les caméras OGI non refroidies font appel à un détecteur microbolométrique qui ne nécessite pas les accessoires requis par le refroidissement. Ce type de détecteur est souvent fabriqué en oxyde de vanadium (VOx) ou en silicone amorphe (a-Si) et réagit dans la plage 7-14 μm. Ces caméras sont bien plus faciles à fabriquer que les caméras refroidies mais manquent de sensibilité, ou différence de température équivalente de bruit (NETD), ce qui rend plus difficile la visualisation des fuites les plus modestes. La NETD est un facteur de mérite qui représente la plus petite différence de température détectable par une caméra. La figure 6 illustre les effets de la sensibilité des détecteurs refroidis et non refroidis. Une meilleure NETD permet à une caméra OGI refroidie de détecter les gaz au bas mot cinq fois mieux qu’avec une caméra non refroidie. Autre norme similaire utilisée pour déterminer la capacité d’une caméra OGI à détecter les gaz : la longueur de concentration équivalente de bruit (NECL), qui détermine la quantité de gaz détectable sur une longueur de tracé donnée. Par exemple, la NECL d’une caméra OGI refroidie FLIR GF320 (détecteur 3-5 μm) pour la détection du méthane est inférieure à 20 ppm*m alors que celle d’une solution non refroidie (détecteur 7-14 μm) dépasse 100 ppm*m.

Avec les caméras OGI non refroidies, il faut également penser au filtre. Certaines caméras ne sont pas filtrées dans le spectre des ondes longues : autrement dit, elles sont simplement un détecteur à large ouverture utilisant des analyses uniques pour mettre un gaz en évidence. Le mode haute sensibilité (HSM) breveté de FLIR recourt à un logiciel et à des capacités d’analyse pour améliorer la visualisation du gaz. Certaines caméras sont dotées de filtres plus ciblés intégrés au système de l’appareil. Ces filtres peuvent être associés à l’objectif, placés entre la caméra et l’objectif, ou intégrés de différentes manières.

Avec un filtrage non refroidi, vous perdez en sensibilité thermique en raison du rayonnement limité atteignant le détecteur de la caméra. La NETD obtenue est supérieure mais pourrait produire une meilleure image des gaz. La largeur du filtre spectral étant réduite pour se concentrer sur des gaz spécifiques, le rayonnement de la scène diminue tandis que le bruit du détecteur reste identique et que le rayonnement réfléchi par le filtre augmente. L’image ainsi produite est de qualité nettement supérieure sur le plan de l’imagerie du gaz, mais la sensibilité thermique de la caméra en termes de mesure de la température (radiométrie) s’avère réduite. Avec un filtre froid, comme dans une caméra OGI refroidie, on évite ce phénomène en raison des faibles quantités de rayonnement issues des reflets.
Comment choisir entre une caméra OGI refroidie ou non refroidie

En choisissant la caméra adaptée à vos besoins OGI, assurez-vous d’abord qu’elle est susceptible de mettre vos gaz en évidence. Après quoi, la décision n’est pas forcément simple, mais elle ne saurait être basée uniquement sur le prix.

Malgré un coût plus élevé, les caméras OGI refroidies offrent d’énormes avantages. Comme indiqué précédemment, ces appareils détectent la région fonctionnelle des gaz hydrocarbures, si bien qu’une seule caméra suffit à mettre en évidence un large éventail de gaz. Dans certains cas, il faudrait s’équiper de plusieurs caméras dans la région d’empreinte pour obtenir les mêmes résultats. Autre avantage unique des caméras à ondes moyennes : l’absence d’interférence avec les vapeurs d’eau. Comme on le voit sur la Figure 7, la vapeur d’eau présente une forte absorption dans la région des ondes longues ou région d’empreinte, ce qui peut être source d’incertitude dans la lecture de l’image de la caméra.

La sensibilité et la qualité d’image accrues sont des facteurs importants à prendre en compte lors du choix d’une caméra OGI. Elles n’affectent pas seulement la capacité à visualiser les petites fuites ; elles s’avèrent aussi particulièrement importantes s’agissant de satisfaire aux normes réglementaires.

En termes de fonctionnalités, la caméra OGI refroidie fait également la différence. Les seules caméras OGI portables du marché à être certifiées zones dangereuses sont des caméras à détecteur refroidi. Si vous souhaitez ou devez quantifier des fuites de gaz, ce n’est possible qu’avec une caméra OGI dans le spectre des ondes moyennes comme la GF320, et le logiciel propriétaire de la solution quantitative FLIR QL320.

Caméra optique refroidie d’imagerie de gaz FLIR GF620 et caméra non refroidie Gas Finder FLIR GF77.

Avec l’introduction sur le marché des caméras OGI non refroidies, plusieurs avantages sont procurés par cette nouvelle technologie. Tout d’abord, le coût de fabrication d’une caméra non refroidie est considérablement plus bas, d’où un prix inférieur. Son entretien coûte également moins cher en raison de la simplicité de la conception sans refroidissement, ce qui les rend potentiellement mieux adaptées aux applications fonctionnant en continu, 24h/24, 7 J/7.

Que vous cherchiez à faire des économies, à satisfaire aux normes réglementaires, à renforcer la sécurité de votre personnel ou simplement à faire preuve de responsabilité environnementale, le choix est plus large que jamais, au point où la confusion est possible. Au-delà du prix, de nombreux facteurs doivent être soupesés pour bien choisir une caméra OGI. FLIR propose la plus large gamme de caméras OGI du marché et peut vous accompagner dans le processus de sélection.

A propos de Teledyne FLIR
Teledyne FLIR, une société de Teledyne Technologies, est un leader mondial des solutions de détection intelligentes pour la défense et les applications industrielles. La société emploie près de 4 000 personnes à travers le monde. Fondée en 1978, la société crée des technologies avancées pour aider les professionnels à prendre les meilleures décisions le plus rapidement possible, afin de sauver des vies et des moyens de subsistance. Pour plus d’informations, veuillez consulter le site http://www.teledyneflir.com ou suivre @flir.

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