Entendendo o tamanho do pixel do detector OGI

Por que pixels maiores podem ser melhores

Embora a resolução tenha sido historicamente uma especificação fundamental ao escolher câmeras de infravermelho, a escolha não é simples quando aplicada a algumas aplicações de geração de imagens para petróleo e gás.

Por Craig O'Neill, FLIR Systems, Inc.

A principal especificação, em quase todos os tipos de imagem, é a resolução. No entanto, em algumas aplicações de geração de imagens ópticas de gás (OGI), é benéfico optar por uma câmera de resolução mais baixa para alcançar o desempenho ideal.

Este artigo discute por que a alta resolução nem sempre é o melhor para OGI, observa casos nos quais uma resolução mais alta é desejada e apresenta as soluções OGI da FLIR para atender a qualquer necessidade de resolução que sua operação possa enfrentar.

As especificações não contam toda a história

Grande parte dos equipamentos usados pelos operadores de petróleo e gás é comprada com base apenas nas especificações, com a resolução sendo considerada uma das especificações mais vitais, se não a mais importante. Embora esse método de compra seja eficiente e econômico, também é perigoso que os usuários de câmeras OGI possam, de forma deliberada ou inadvertida, se concentrar em especificações que podem não ser fundamentais para o desempenho dos equipamentos em sua aplicação específica.

Boas especificações são apenas isso: especificações que parecem atraentes no papel. A funcionalidade pode ser uma coisa totalmente diferente. Ela depende do contexto, mais notavelmente da área de aplicação e do orçamento.

A resolução está no centro desta discussão. Um fornecedor pode afirmar: "Nossa câmera tem resolução X e a câmera de nossos concorrentes tem resolução mais baixa. Uma resolução mais alta é melhor, então nossa licitação é mais atraente”. O argumento faz sentido, é fácil de entender e quase universalmente aceito. Além disso, ao escolher uma câmera de infravermelho (não OGI), a resolução tem sido historicamente a especificação fundamental a considerar. Porém, uma resolução mais alta nem sempre é a escolha certa.

Você diz que quer mais resolução, sabe…

As câmeras OGI operam no comprimento de onda infravermelho (IV). Assim, é fácil ver onde o excesso de simplificação pode surgir porque, na maioria das aplicações de IV, adicionar pixels a uma câmera irá torná-la “melhor” porque você tem menores proporções de tamanho de ponto (áreas mensuráveis) para obter medições mais precisas, bem como melhor qualidade de imagem (através de maior resolução).

A OGI eficaz, no entanto, depende tanto da resolução infravermelha quanto da sensibilidade do gás. A sensibilidade é medida pelo comprimento de concentração equivalente a ruído (NECL), que mede quanto gás no caminho de um determinado comprimento pode ser detectado acima do ruído intrínseco da câmera.

Vários parâmetros são fundamentais para entender como essas duas características interagem, e compreendem considerações importantes de compra de câmeras por si só:

1. Tamanho do pixel
2. Densidade de Pixels
3. Sensibilidade Térmica
4. Absorção de gás

1.) Tamanho do pixel—Para OGI, a resolução e NECL não são lineares. Na verdade, uma contradiz a outra. Considere, como afirmado anteriormente, que, em aplicações de câmera IV não OGI, quanto maior a resolução, melhor a capacidade da câmera de diagnosticar um problema radiometricamente (ou seja, medir a temperatura da superfície do alvo interpretando a intensidade do sinal IV que atinge a câmera). Conforme os pixels ficam menores e o objeto a ser medido permanece do mesmo tamanho, você obtém mais pixels no alvo e melhora a precisão da medição.

Nessa mesma linha, considere a medição de temperatura vs. OGI: Na Fig. 1, mais “branco” aparece em um único pixel quando a resolução é maior/pixel é menor. Se você calcular a média de toda a área naquele pixel (ou seja, cor), quanto mais branco preencher o pixel, mais precisa será a leitura da temperatura (intensidade). Este é um cenário em que a alta resolução é vantajosa.

Figura 1

Uma resolução maior geralmente é desejável em aplicações OGI onde se busca uma definição de vazamento maior, permitindo a identificação de mais detalhes de vazamento, ou ao tentar definir pequenos vazamentos (Fig. 2).

Figura 2

2.) Densidade de Pixel—Inversamente, na detecção de gás, os usuários geralmente não se preocupam com o “tamanho” do pixel em comparação com o objeto em exibição. Maior preocupação com detecções de gás é a quantidade de energia que atinge um pixel; você quer o máximo de energia possível alcance esse pixel.

Ao elevar a resolução (mais pixels) a uma matriz de plano focal (FPA), o tamanho de cada pixel (medido em micrômetros e chamado de “densidade de pixel”, ou o espaço do centro de um pixel para o próximo) normalmente fica menor, pelo esforço de manter o tamanho geral do detector menor. Isso reduz a quantidade de “energia” que cada pixel coleta e torna o gerador de imagens menos sensível. Em geral, essas duas coisas se contradizem (a resolução sobe, a sensibilidade diminui). Assim, para OGI, um pixel maior é preferível, pois captura mais energia.

Por exemplo, entre as câmeras OGI refrigeradas da FLIR, a câmera GFx320 tem densidade de pixel de 30 µm, enquanto a câmera GF620 tem densidade de 15 µm, tornando a GFx320 um pouco mais sensível do que a GF620 (15 mK vs. 20 mK). Em termos de NECL, a GF620 NECL para metano é aproximadamente o dobro da GFx320. Embora a GF620 permaneça sensível o suficiente para atender aos requisitos mais rigorosos em níveis de sensibilidade, como EPA NSPS 40 CFR Parte 60, Subparte OOOOa, este pode não ser o caso para todas as câmeras OGI de alta resolução.

Em termos de “pequenos vazamentos”, uma GF620’ com resolução mais alta (640 × 480 versus 320 × 240; ver Fig. 2) pode fornecer algumas vantagens. Primeiro, você pode ver mais claramente a definição do vazamento e aprender mais detalhes sobre o vazamento. Você pode combinar esse fator de resolução maior com os recursos de zoom digital dos geradores de imagem, para obter uma imagem muito mais clara e, por sua vez, visualizar vazamentos menores.

3.) A sensibilidade térmica, ou diferença de temperatura equivalente a ruído (NETD), descreve a menor diferença de temperatura que você pode ver com uma câmera. Quanto menor o número, melhor a sensibilidade térmica do sistema infravermelho. Essa medição geralmente é feita à temperatura padrão da indústria, de 30°C.

Se seus alvos a serem medidos normalmente apresentam grandes diferenças de temperatura, uma câmera com um NETD baixo provavelmente não é necessária. No entanto, para aplicações mais sutis, como a detecção de problemas de umidade, recomenda-se mais sensibilidade. Em muitos casos, a OGI se concentra simplesmente em “gás presente/vazando ou não?” tornando o NETD um fator menos significativo do que, digamos, a densidade dos pixels.

4.) Absorção de gás—Sem absorção de gás na faixa espectral da câmera IR (filtrada ou não), o gerador de imagens não conseguirá ver o gás. Em outras palavras, a resolução da câmera IV não afetará a capacidade da câmera de ver o gás, se o gás fotografado não absorver energia na faixa espectral da câmera.

Figura 3

Além disso, o modo de alta sensibilidade (HSM) patenteado pela FLIR foi reforçado com mais pixels, o que poderia ajudar na detecção de vazamentos menores. Esse atributo OGI fundamental varia de acordo com o gás. A absorção pode ser descrita em termos de fator de resposta de gás (RF); quanto maior o valor, melhor o gás pode ser fotografado. Por exemplo, o propano tem um valor de RF mais alto do que o metano, para câmeras resfriadas (cerca de três vezes mais), pois absorve mais energia na região espectral IR filtrada em câmeras OGI da FLIR, usadas para visualizar vazamentos de hidrocarbonetos e VOC. (Fig. 3).

Conclusões

Embora a aquisição de imagens de alta resolução possa não ser o fator mais importante em todas as aplicações de OGI, ela pode ser muito benéfica em outras.

Os indivíduos com tarefas que incluem detecção e reparo de vazamentos (LDAR) ou são executivos de saúde e segurança (HSE) muitas vezes são encarregados de usar câmeras OGI para encontrar vazamentos de gás, manutenção ou conformidade regulatória. As câmeras FLIR capacitam esses funcionários a localizar vazamentos mínimos e caracterizar vazamentos que foram descobertos, bem como manter a segurança do pessoal durante todo o processo.

Seja qual for sua resolução e necessidade NECL, a FLIR oferece uma câmera OGI para atendê-los, incluindo GFx320, GF320, GF300, G300a e GF620, criada especificamente para detecção de hidrocarbonetos e gases VOC.

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