Diferencia entre la detección óptica de gas refrigerada y no refrigerada

Ventajas de cada tecnología para aplicaciones específicas en diferentes sectores

Por Craig O'Neill y Ron Lucier

FLIR Systems lleva más de una década fabricando cámaras de infrarrojos para visualizar fugas de gas de diferentes tipos. Estas cámaras de detección óptica de gas (OGI) se desarrollan para «ver» diferentes gases, como hidrocarburos, dióxido de carbono, hexafluoruro de azufre, refrigerantes, monóxido de carbono, amoníaco, etc. Estos generadores de imágenes se utilizan para muchas aplicaciones de diferentes sectores, lo que incluye disminuir las emisiones, aumentar la eficiencia de la producción y garantizar la seguridad de los entornos laborales. Una gran ventaja de las cámaras OGI, en comparación con otras tecnologías de inspección, es la velocidad con la que la tecnología puede localizar fugas de componentes sin interrumpir el proceso industrial.

Históricamente, las cámaras OGI se han diseñado con detectores de IR refrigerados que ofrecen varias ventajas con respecto a los detectores no refrigerados, pero suelen ser más caras. Los avances en la tecnología de los detectores no refrigerados han permitido a los fabricantes de cámaras OGI como FLIR diseñar y desarrollar soluciones OGI más asequibles para estos sectores. Aunque tienen un coste más bajo, las cámaras con detectores no refrigerados muestran algunas limitaciones con respecto a las que tienen detectores refrigerados.

La ciencia que hay detrás de la detección óptica de gas

Antes de tratar la cuestión de si una cámara OGI debe tener un detector refrigerado o no refrigerado, podemos explicar la teoría que hay detrás de esta tecnología. La detección óptica de gas puede entenderse como algo parecido a mirar con una cámara de vídeo normal, pero el operador ve una columna de gas como si fuera humo. Sin una cámara OGI, sería completamente invisible para el ojo humano. Para que pueda verse la columna de gas, la cámara OGI utiliza un método único de filtro espectral (que depende de la longitud de onda) que le permite detectar un compuesto gaseoso específico. En un detector refrigerado, el filtro restringe las longitudes de onda de la radiación que puede pasar a través del detector a una banda muy estrecha denominada paso de banda. Esta técnica se conoce como adaptación espectral (consulte la figura 1).

Figura 1

Las cámaras OGI aprovechan la naturaleza absorbente de determinadas moléculas para visualizarlas en sus entornos nativos. Las matrices de plano focal (FPA) y los sistemas ópticos de las cámaras están sintonizados de manera específica con rangos espectrales muy restringidos, en el orden de cientos de nanómetros, y, por tanto, son ultraselectivos. Solo pueden detectarse los gases absorbentes de la región infrarroja que está delimitada por un filtro de paso de banda estrecho. Las características de absorción de infrarrojos dependen de la longitud de onda para la mayoría de compuestos. No se pueden generar imágenes directamente de gases nobles como el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno.

Las región en amarillo de la figura 2 muestra un filtro espectral diseñado para corresponderse con el rango de longitud de onda en el que la mayoría de energía infrarroja de fondo sería absorbida por el metano.

Figura 2

Si la cámara se dirige a una escena en la que no hay ninguna fuga de gas, los objetos del campo de visión emitirán y reflejarán la radiación de infrarrojos a través del objetivo y el filtro de la cámara. Si hay una nube de gas entre los objetos y la cámara, y el gas absorbe la radiación en el rango de paso de banda del filtro, se reducirá la cantidad de radiación que pasa a través de la nube hasta el detector. Para ver la nube en relación con el fondo, debe haber un contraste radiante entre la nube y el fondo.

En resumen, las claves para hacer que la nube sea visible son: el gas debe absorber radiación de infrarrojos en la banda de onda que ve la cámara, el gas debe tener un contraste radiante con el fondo y la temperatura aparente de la nube debe ser diferente a la del fondo. Además, el movimiento hace que la nube sea más fácil de visualizar.

Longitudes de onda relacionadas con la detección óptica de gas

Para abordar el desafío de diferenciar entre cámaras de detección óptica de gas «refrigeradas y no refrigeradas», debe comprender las longitudes de onda relacionadas con la detección óptica de gas y los detectores utilizados en estas cámaras. Las dos longitudes de onda de las cámaras OGI suelen conocerse como onda media, de 3-5 micrómetros (μm) y onda larga, de 7-12 μm. En el mundo de la detección óptica de gas, también pueden conocerse como la «región funcional» y la «región de huella dactilar», respectivamente. En la región funcional pueden verse más gases de una sola categoría con una cámara, mientras que muchos gases individuales tienen características de absorción específica en la región de huella dactilar. Por ejemplo, casi todos los gases de hidrocarburos absorben energía en la región filtrada de la GF320 (resaltada en amarillo) pero tienen diversas características de absorción en la onda larga de la región de huella dactilar (resaltada en azul) (consulte la figura 3).

Figura 3

Aunque muchos gases tienen características de absorción tanto en la región de onda media como en la de onda larga, también hay gases que emiten solo en una banda de IR. Algunos gases emiten en el espectro de la onda media y no en el de la onda larga (como el monóxido de carbono/CO) y hay otros que emiten únicamente en el espectro de onda larga (como el hexafluoruro de azufre/SF₆). Estos gases no estarían comprendidos en las regiones de huella dactilar y funcional, que suelen corresponder a los gases de hidrocarburos. A continuación, puede ver gráficos de espectros de IR para los gases CO y SF₆.

Figura 4

Figura 5

Detectores refrigerados frente a no refrigerados

Las cámaras OGI refrigeradas utilizan detectores cuánticos que requieren refrigeración a temperaturas criogénicas (en torno a 77 K o -321 °C) y pueden ser detectores de onda media o de onda larga. Las cámaras de onda media que detectan gases de hidrocarburos en la región funcional, como el metano, suelen funcionar en un rango de entre 3 y 5 μm, y utilizan un detector de antimoniuro de indio (InSb). Las cámaras refrigeradas de onda larga que detectan gases como el SF₆ suelen funcionar en un rango de entre 8 y 12 μm y pueden utilizar un fotodetector infrarrojo de pozos cuánticos (QWIP).

Una cámara OGI refrigerada tiene un sensor generador de imágenes integrado con un refrigerador criogénico que reduce la temperatura del sensor a temperaturas criogénicas. Esta reducción en la temperatura del sensor es necesaria para reducir el ruido a un nivel por debajo del de la señal de la escena de la que se están generando imágenes. Los refrigeradores criogénicos son piezas móviles fabricadas con tolerancias mecánicas extremadamente ajustadas que se desgastan con el tiempo. Además, el gas de helio se va escapando poco a poco por las juntas de sellado de gas. Finalmente, se requiere una reposición del criorrefrigerador tras un periodo de 10 000 a 13 000 horas de funcionamiento.

Las cámaras con detectores refrigerados tienen un filtro que se conecta al detector. El diseño evita cualquier intercambio de radiación parásita entre el filtro y el detector, lo que permite una mejor sensibilidad de imagen. El aumento de la sensibilidad de imagen podría provocar que el generador de imágenes visualizara ciertos gases de manera más eficiente e incluso permitir que la cámara OGI cumpliera estándares reguladores como OOOOa de la EPA u otros requisitos.

Figura 6: imágenes de la huella de una mano sobre una pared tomada con una cámara termográfica refrigerada y, de nuevo, transcurridos dos minutos.

Figura 7: imágenes de la huella de una mano sobre una pared tomada con una cámara termográfica no refrigerada y, de nuevo, transcurridos dos minutos.

Las cámaras OGI no refrigeradas utilizan un detector de microbolómetro que no requiere las piezas adicionales necesarias para refrigerar un detector. Suelen estar realizadas en óxido de vanadio (VOx) o en silicona amorfa (a-Si) y responden en el rango de 7-14 μm. Son mucho más fáciles de fabricar que las cámaras refrigeradas, pero no tienen la misma sensibilidad ni la diferencia de temperatura equivalente de ruido (NETD), por lo que les resulta más difícil visualizar fugas de gas más pequeñas. La NETD es una cifra de mérito que representa la diferencia de temperatura mínima que puede resolver una cámara. La figura 6 muestra los efectos de la sensibilidad para detectores refrigerados y no refrigerados. Al disponer de una NETD mejor, una cámara OGI refrigerada detectará el gas al menos cinco veces mejor que una no refrigerada Un estándar parecido se utiliza para determinar la capacidad de detección de una cámara: la longitud de concentración equivalente al ruido (NECL), que determina cuánto gas puede detectarse en una trayectoria definida. Por ejemplo, la NECL de una cámara OGI refrigerada FLIR GF320 (detector de 3-5 μm) para la detección de metano es de menos de 20 ppm*m, mientras que la NECL de una solución no refrigerada (detector de 7-14 μm) es de más de 100 ppm*m.

Otro factor que debe tenerse en cuenta con las cámaras OGI no refrigeradas es el filtro. Algunas cámaras no tienen filtro para los espectros de onda larga, lo que significa que son sencillamente un detector abierto que utiliza análisis únicos para visualizar un gas. El modo de alta sensibilidad (HSM) patentado de FLIR es un ejemplo de cámara que utiliza software y análisis para mejorar la visualización del gas. Algunas cámaras tienen más filtros específicos integrados en el sistema de la cámara. Pueden estar asociados a la lente, estar entre la cámara y la lente o con diferentes tipos de ingeniería.

Con el filtrado no refrigerado se pierde sensibilidad térmica debido a la limitación de la radiación que llega al detector de la cámara. Esto daría como resultado una NETD más alta, pero puede ofrecer una mejor imagen en cuanto a la detección de gas. Como la anchura del filtro espectral se restringe para centrarse en gases específicos, la radiación de la escena se reduce, mientras que el ruido del detector sigue siendo el mismo y la radiación reflejada desde el filtro aumenta. Esto tiene como resultado una imagen de una calidad mucho más alta en cuanto a la detección de gas, pero reduce la sensibilidad térmica de la cámara para la medición de temperatura (radiometría). Cuando se dispone de un filtro frío, como en una cámara OGI refrigerada, se evita este fenómeno porque las cantidades de radiación procedente de reflejos son muy pequeñas.

Cómo elegir una cámara OGI refrigerada o no refrigerada

Al elegir la cámara que se ajuste a sus necesidades de OGI, el primer factor que debe tener en cuenta es si la cámara en cuestión puede visualizar su gas. Cuando lo haya hecho, la decisión no siempre es sencilla y no debería basarse únicamente en el precio.

Aunque pueden tener un precio más alto, ofrecen ventajas considerables con respecto a las cámaras OGI no refrigeradas. Como ya se ha mencionado, estas unidades están comprendidas en la región funcional de los gases de hidrocarburos, lo que significa que solo se necesitaría una cámara para visualizar una gran variedad de gases. En algunos casos, se necesitarían varias cámaras en la región de huella dactilar para conseguir los mismos resultados. Otra ventaja única de una cámara de onda media es la ausencia de interferencias de vapores de agua. Como se ve en la figura 7, el vapor de agua tiene una gran absorción en la región de onda larga o de huella dactilar, lo que podría provocar vacilación de la imagen al utilizar una cámara.

Una mayor sensibilidad y una calidad de imagen más alta son factores importantes que deben tenerse en cuenta al elegir una cámara OGI. No solo afectan a la capacidad de visualizar pequeñas fugas, sino que pueden ser factores importantes a la hora de cumplir con los estándares reguladores.

Hay otras consideraciones al elegir una cámara por las que es preferible una cámara OGI refrigerada. Las únicas cámaras OGI de mano con certificación para ubicaciones peligrosas son las cámaras con detector refrigerado. Si necesita o quiere disponer de la capacidad de cuantificar su fuga de gas, solo podrá conseguirlo con una cámara del espectro de onda media, como la GF320, y con el software patentado que puede encontrar en la solución cuantitativa QL320 de Providence Photonics.

Con la introducción en el mercado de las cámaras OGI no refrigeradas, esta nueva tecnología ofrece algunas ventajas. La primera y principal es que el coste de fabricación de una cámara no refrigerada es notablemente más bajo, lo que tiene como consecuencia un precio de mercado más reducido. Su mantenimiento también es más barato debido a la simplicidad del diseño, que no requiere refrigerador, lo que hace que posiblemente sean más adecuadas para aplicaciones de funcionamiento continuo e ininterrumpido.

Tanto si busca ahorrar dinero como cumplir con los estándares reguladores, aumentar la seguridad de los trabajadores o simplemente está preocupado por el medioambiente, dispone de más opciones que nunca, lo que puede hacer que el proceso a veces resulte confuso. Aparte del precio, para elegir una cámara OGI hay que tener en cuenta muchos factores. FLIR ofrece la gama más amplia de cámaras OGI del mercado y puede ayudarle durante el proceso de selección.