Diferentes tecnologias, diferentes sectores
Há mais de uma década que a FLIR Systems fabrica câmaras de infravermelhos para visualizar fugas de gás de diferentes tipos. Estas câmaras Optical Gas Imaging (OGI) foram desenvolvidas para "ver" diferentes gases, como hidrocarbonetos, dióxido de carbono, hexafluoreto de enxofre, refrigerantes, monóxido de carbono, amoníaco, etc. Estas câmaras são utilizadas para muitas aplicações em diferentes indústrias, incluindo a redução das emissões, o aumento da eficiência da produção e a garantia de ambientes de trabalho seguros. Uma das principais vantagens das câmaras OGI, em comparação com outras tecnologias de inspeção, é a rapidez com que a tecnologia pode localizar fugas de componentes sem interromper o processo industrial.
Historicamente, as câmaras OGI têm sido concebidas com detectores IR refrigerados que oferecem várias vantagens em relação aos detectores não refrigerados, mas tendem a ser mais caros. Os avanços na tecnologia de detectores não arrefecidos permitiram aos fabricantes de câmaras OGI, como a FLIR, conceber e desenvolver soluções OGI mais acessíveis para estas indústrias. Embora de custo mais baixo, as câmaras com detectores não arrefecidos apresentam algumas limitações em comparação com as câmaras com detectores arrefecidos.
A ciência por detrás da deteção ótica de gases
Antes de abordar a questão de saber se uma câmara OGI deve ter um detetor arrefecido ou não arrefecido, podemos explicar a teoria subjacente à tecnologia. A deteção ótica de gás pode ser considerada como algo semelhante a olhar através de uma câmara de vídeo normal, mas o operador vê uma nuvem de gás como se fosse fumo. Sem uma câmara OGI, esta seria completamente invisível ao olho humano. Para tornar a coluna de gás visível, a câmara OGI utiliza um método único de filtragem espetral (dependente do comprimento de onda) que lhe permite detetar um composto gasoso específico. Num detetor arrefecido, o filtro restringe os comprimentos de onda da radiação que pode passar através do detetor a uma banda muito estreita, designada por passagem de banda. Esta técnica é conhecida como correspondência espetral.
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As câmaras OGI tiram partido da natureza absorvente de certas moléculas para as visualizar nos seus ambientes nativos. As matrizes de plano focal (FPA) e a ótica das câmaras estão especificamente sintonizadas para gamas espectrais muito estreitas, da ordem das centenas de nanómetros, sendo por isso ultra-selectivas. Apenas os gases absorventes na região do infravermelho delimitada por um filtro de banda estreita podem ser detectados. As características de absorção no infravermelho dependem do comprimento de onda para a maioria dos compostos. Os gases nobres, como o hidrogénio, o oxigénio e o azoto, não podem ser diretamente visualizados.
A região amarela na figura 2 mostra um filtro espetral concebido para corresponder à gama de comprimentos de onda em que a maior parte da energia infravermelha de fundo seria absorvida pelo metano.
Se a câmara estiver orientada para um local onde não haja fugas de gás, os objectos no campo de visão emitirão e reflectirão radiação infravermelha através da lente e do filtro da câmara. Se houver uma nuvem de gás entre os objectos e a câmara, e se o gás absorver radiação na gama de passagem de banda do filtro, a quantidade de radiação que passa através da nuvem para o detetor será reduzida. Para ver a nuvem em relação ao fundo, deve haver um contraste radiante entre a nuvem e o fundo.
Em resumo, as chaves para tornar a nuvem visível são: o gás deve absorver a radiação infravermelha na banda de onda vista pela câmara, o gás deve ter um contraste radiante com o fundo e a temperatura aparente da nuvem deve ser diferente da do fundo. Para além disso, o movimento facilita a visualização da nuvem.
Comprimentos de onda relacionados com a deteção ótica de gases
Para responder ao desafio de diferenciar entre câmaras de deteção ótica de gases "arrefecidas e não arrefecidas", é necessário compreender os comprimentos de onda associados à deteção ótica de gases e os detectores utilizados nessas câmaras. Os dois comprimentos de onda das câmaras OGI são normalmente conhecidos como de onda média, 3-5 micrómetros (μm), e de onda longa, 7-12 μm. No mundo da deteção ótica de gases, podem também ser conhecidas por "região funcional" e "região de impressões digitais", respetivamente. Na região funcional, podem ser observados mais gases de uma única categoria com uma câmara, enquanto muitos gases individuais têm características de absorção específicas na região das impressões digitais. Por exemplo, quase todos os gases de hidrocarbonetos absorvem energia na região filtrada do GF320 (realçada a amarelo), mas têm características de absorção variáveis na região de impressão digital de ondas longas (realçada a azul).
Embora muitos gases tenham características de absorção nas regiões de ondas médias e de ondas longas, há também gases que emitem apenas numa banda de IV. Alguns gases emitem no espetro de onda média e não no espetro de onda longa (como o monóxido de carbono/CO) e há outros que emitem apenas no espetro de onda longa (como o hexafluoreto de enxofre/SF6). Estes gases não se enquadram nas regiões de impressão digital e de impressão digital funcional, que correspondem normalmente aos gases de hidrocarbonetos. Abaixo, pode ver os gráficos dos espectros de IV dos gases CO e SF6.
Detectores refrigerados versus não refrigerados
As câmaras OGI refrigeradas utilizam detectores quânticos que requerem arrefecimento a temperaturas criogénicas (cerca de 77 K ou -321 °C) e podem ser detectores de onda média ou de onda longa. As câmaras de onda média que detectam gases de hidrocarbonetos na região funcional, como o metano, funcionam normalmente na gama de 3-5 μm e utilizam um detetor de antimoneto de índio (InSb). As câmaras arrefecidas de onda longa que detectam gases como o SF6 funcionam normalmente na gama de 8-12 μm e podem utilizar um fotodetector de infravermelhos de poços quânticos (QWIP).
Uma câmara OGI refrigerada tem um sensor de imagem integrado com um refrigerador criogénico que reduz a temperatura do sensor para temperaturas criogénicas. Esta redução da temperatura do sensor é necessária para reduzir o ruído para um nível inferior ao do sinal da cena que está a ser fotografada. Os refrigeradores criogénicos são peças móveis fabricadas com tolerâncias mecânicas extremamente apertadas que se desgastam com o tempo. Para além disso, o gás hélio sai gradualmente dos vedantes de gás. Finalmente, o criogerador precisa de ser substituído após 10.000 a 13.000 horas de funcionamento.
As câmaras OGI com detectores arrefecidos possuem um filtro que está ligado ao detetor. O design evita qualquer troca de radiação dispersa entre o filtro e o detetor, permitindo uma melhor sensibilidade da imagem. O aumento da sensibilidade da imagem pode fazer com que o gerador de imagens capte determinados gases de forma mais eficiente e até permitir que a câmara OGI cumpra normas regulamentares, como a EPA OOOOa ou outros requisitos.
Imagens da impressão de uma mão numa parede tiradas com uma câmara termográfica arrefecida e novamente após dois minutos.
Imagens de uma marca de mão numa parede tiradas com uma câmara de imagem térmica não arrefecida e novamente após dois minutos.
As câmaras OGI não arrefecidas utilizam um detetor de microbolómetro que não requer as peças adicionais necessárias para arrefecer um detetor. São normalmente feitas de óxido de vanádio (VOx) ou silício amorfo (a-Si) e respondem na gama de 7-14 μm. São muito mais fáceis de fabricar do que as câmaras frigoríficas, mas não têm a mesma sensibilidade e diferença de temperatura equivalente ao ruído (NETD), o que as torna mais difíceis de visualizar as fugas de gás mais pequenas. A NETD é uma figura de mérito que representa a diferença mínima de temperatura que uma câmara pode resolver. As imagens da câmara de imagem térmica arrefecida mostram os efeitos da sensibilidade para detectores arrefecidos e não arrefecidos. Ao ter um NETD melhor, uma câmara OGI arrefecida detectará gás pelo menos cinco vezes melhor do que uma câmara não arrefecida. É utilizada uma norma semelhante para determinar a capacidade de deteção de uma câmara: o Comprimento de Concentração Equivalente ao Ruído (NECL), que determina a quantidade de gás que pode ser detectada num percurso definido. Por exemplo, o NECL de uma câmara OGI FLIR GF320 refrigerada (detetor de 3-5 μm) para deteção de metano é inferior a 20 ppm*m, enquanto o NECL de uma solução não refrigerada (detetor de 7-14 μm) é superior a 100 ppm*m.
Outro fator a considerar nas câmaras OGI não arrefecidas é o filtro. Algumas câmaras não têm filtro para espectros de ondas longas, o que significa que são simplesmente um detetor aberto que utiliza análises únicas para visualizar um gás. O Modo de Alta Sensibilidade (HSM) patenteado pela FLIR é um exemplo de uma câmara que utiliza software e análises para melhorar a visualização do gás. Algumas câmaras têm filtros mais específicos incorporados no sistema da câmara. Podem estar associados à lente, estar entre a câmara e a lente, ou com diferentes tipos de engenharia.
Com a filtragem não arrefecida, perde-se a sensibilidade térmica devido à limitação da radiação que chega ao detetor da câmara. Isto resultaria numa NETD mais elevada, mas pode oferecer uma melhor imagem em termos de deteção de gases. Como a largura do filtro espetral é restringida para se concentrar em gases específicos, a radiação da cena é reduzida, enquanto o ruído do detetor permanece o mesmo e a radiação reflectida do filtro aumenta. Isto resulta numa imagem de qualidade muito superior em termos de deteção de gases, mas reduz a sensibilidade térmica da câmara para a medição da temperatura (radiometria). Quando se dispõe de um filtro frio, como numa câmara OGI arrefecida, este fenómeno é evitado porque as quantidades de radiação das reflexões são muito pequenas.
Todos os gases podem ser vistos com a tecnologia térmica das câmaras OGI?
Uma vez que as câmaras OGI captam imagens do gás como uma ausência de energia infravermelha, se um gás não absorver radiação infravermelha na banda passante, não pode ser captado diretamente com uma câmara ótica de deteção de gás. Por exemplo, os gases nobres, como o hidrogénio, o oxigénio e o azoto, não podem ser visualizados diretamente. E mesmo que uma câmara consiga captar um gás específico, por exemplo, gases de hidrocarbonetos, não conseguirá captar outro gás que tenha propriedades de absorção de infravermelhos radicalmente diferentes, como o SF6. É por isso que a FLIR tem uma gama de câmaras OGI para a deteção de diferentes gases.
Como escolher uma câmara OGI refrigerada ou não refrigerada
Ao escolher a câmara que se adequa às suas necessidades de OGI, o primeiro fator a considerar é se a câmara em questão consegue visualizar o seu gás. Depois de o ter feito, a decisão nem sempre é fácil e não se deve basear apenas no preço.
Embora possam ter um preço mais elevado, oferecem vantagens consideráveis em relação às câmaras OGI não arrefecidas. Como já foi referido, estas unidades inserem-se na região funcional dos gases de hidrocarbonetos, o que significa que apenas seria necessária uma câmara para obter imagens de uma grande variedade de gases. Em alguns casos, seriam necessárias várias câmaras na região das impressões digitais para obter os mesmos resultados. Outra vantagem única de uma câmara de ondas médias é a ausência de interferência do vapor de água. Como se pode ver nas imagens da câmara OGI não arrefecida, o vapor de água tem uma elevada absorção na região de onda longa ou de impressão digital, o que poderia causar oscilações na imagem quando se utiliza uma câmara.
Uma maior sensibilidade e uma melhor qualidade de imagem são factores importantes a considerar na escolha de uma câmara OGI. Não só afectam a capacidade de visualizar pequenas fugas, como também podem ser factores importantes para cumprir as normas regulamentares.
Ao escolher uma câmara, existem outras considerações que justificam a preferência por uma câmara OGI refrigerada. As únicas câmaras OGI portáteis certificadas para locais perigosos são as câmaras com detetor de refrigeração. Se precisar ou quiser ter a capacidade de quantificar a sua fuga de gás, só o poderá fazer com uma câmara de espetro de onda média, como a GF320, e com o software patenteado que se encontra na solução quantitativa QL320 da Providence Photonics.
Câmara OGI refrigerada FLIR GF620
Câmara OGI não refrigerada FLIR GF77
Com a introdução no mercado de câmaras OGI não arrefecidas, esta nova tecnologia oferece uma série de vantagens. Em primeiro lugar, o custo de fabrico de uma câmara não arrefecida é significativamente inferior, o que resulta num preço de mercado mais baixo. A sua manutenção é também mais barata devido à simplicidade da conceção, que não requer um refrigerador, tornando-as possivelmente mais adequadas para aplicações de funcionamento contínuo e ininterrupto.
Quer pretenda poupar dinheiro, cumprir as normas regulamentares, aumentar a segurança dos trabalhadores ou simplesmente preocupar-se com o ambiente, tem mais opções do que nunca, o que por vezes pode tornar o processo confuso. Para além do preço, há muitos factores a considerar ao escolher uma câmara OGI. A FLIR oferece a mais vasta gama de câmaras O GI no mercado e pode ajudá-lo durante o processo de seleção.
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