Comprendre la taille de pixels du détecteur OGI

Pourquoi des pixels de plus grande taille pourraient être plus avantageux ?

Alors que la résolution a toujours été une caractéristique clé lors du choix des caméras infrarouges, ce choix est loin d’être évident lorsqu’il s’agit de certaines applications d’imagerie dans l’industrie pétrolière et gazière.

Par Craig O’Neill, FLIR Systems, Inc.

Dans la quasi-totalité des types d’imagerie, la résolution est la caractéristique la plus importante. Cependant, dans certaines applications d’imagerie optique des gaz (OGI), il est conseillé d’opter pour une caméra à plus faible résolution pour des performances optimales.

Cet article explique pourquoi une haute résolution n’est pas toujours primordiale dans les équipements OGI ; il décrit également les scénarios nécessitant une résolution plus élevée et présente les solutions OGI proposées par FLIR pour répondre à tous les besoins de résolution auxquels vous pourriez faire face dans vos opérations.

Ne pas se limiter aux caractéristiques

Lors de l’achat de la plupart de leurs équipements, les opérateurs pétroliers et gaziers mettent l’accent uniquement sur les caractéristiques de ceux-ci, la résolution étant considérée comme l’une des caractéristiques les plus essentielles, voire la plus importante. Cette méthode d’achat est certes efficace et rentable, mais également dangereuse dans la mesure où les utilisateurs de caméras OGI peuvent, délibérément ou non, se concentrer sur des caractéristiques qui ne sont pas nécessairement essentielles aux performances de l’équipement dans leur application spécifique.

Pour ces utilisateurs, les caractéristiques importantes sont simplement celles qui paraissent intéressantes sur le papier. La fonctionnalité peut ne pas être à la hauteur des attentes. Tout dépend du contexte, plus particulièrement du domaine d’application et du budget.

La résolution est au cœur de ce débat. Un fournisseur peut affirmer « Notre caméra a une résolution de X alors que la caméra proposée par la concurrence offre une résolution inférieure ». Une résolution plus élevée est meilleure, ce qui rend notre offre plus intéressante.” L’argument est cohérent ; il est facilement compréhensible et peut être accepté par tout le monde. En outre, lors du choix d’une caméra infrarouge (IR) non OGI, la résolution a toujours été une spécification essentielle à prendre en considération. Cependant, une résolution plus élevée ne signifie pas toujours le meilleur choix.

Souhaitez-vous vous procurer une caméra avec une résolution plus grande ? Eh bien, sachez que…

les caméras OGI fonctionnent en transmettant la longueur d’onde infrarouge (IR). Ainsi, il est facile de savoir à quel niveau une simplification excessive pourrait survenir, car dans la plupart des applications IR, l’ajout de pixels à une caméra rendra sa résolution “meilleure” du fait des rapports avec la taille de points plus petits (zones mesurables) pour obtenir des mesures plus fiables, ainsi qu’une meilleure qualité d’image (grâce à une résolution plus grande).

Toutefois, l’efficacité de l’OGI dépend à la fois de la résolution infrarouge et de la sensibilité au gaz. La sensibilité est mesurée par la longueur de concentration équivalente de bruit (NECL) qui permet d’évaluer la concentration de gaz pouvant être détectée sur un trajet d’une certaine longueur au-dessus du bruit intrinsèque de la caméra.

Plusieurs paramètres sont essentiels pour comprendre comment ces deux caractéristiques interagissent et constituent des critères importants à prendre en compte lors de l’achat d’une caméra :

1. La taille des pixels
2. La distance entre les pixels
3. La sensibilité thermique
4. L’absorption du gaz

1.) La taille des pixels— En ce qui concerne l’OGI, la résolution et la NECL ne sont pas identiques. En réalité, elles sont différentes. Comme nous l’avons souligné plus haut, dans les applications de caméra IR et non OGI, plus la résolution est élevée, plus la caméra est capable de détecter un problème de manière radiométrique (c’est-à-dire en mesurant la température de surface de la cible en interprétant l’intensité du signal IR qui atteint la caméra). Plus les pixels sont petits et plus l’objet à mesurer conserve la même taille, plus il y a de pixels sur la cible et plus la précision des mesures est optimale.

Dans le même ordre d’idées, considérez la mesure de la température par rapport à l’OGI : Dans la figure 1, le “blanc” apparaît en plus grande proportion dans un seul pixel lorsque la résolution est supérieure/le pixel est plus petit. Si vous calculez la moyenne de toute la surface de ce pixel (c.-à-d. la couleur), vous constaterez que plus le pixel est rempli de blanc, plus la mesure de la température (intensité) est précise. Il s’agit d’un cas où la haute résolution est bénéfique.

Figure 1

Une résolution plus grande est généralement souhaitable dans les applications OGI où l’objectif est d’obtenir une meilleure définition des fuites, permettant l’identification d’un plus grand nombre de détails de la fuite, ou lorsqu’on tente de détecter de petites fuites (Fig. 2).

Figure 2

2.) Distance entre les pixels— Par contre, dans le processus de détection de gaz, les utilisateurs ne se préoccupent généralement pas de la “taille” du pixel par rapport à la cible. La plus grande préoccupation en matière de détection de gaz est la quantité d’énergie qui atteint un pixel ; vous souhaitez qu’autant d’énergie que possible atteigne ce pixel.

Au fur et à mesure que vous ajoutez de la résolution (donc plus de pixels) à une matrice à plan focal (FPA), la taille de chaque pixel (mesurée en micromètres et renvoyant à la “distance entre les pixels” ou l’espace entre le centre d’un pixel et le suivant) est généralement réduite dans le but de maintenir la taille globale du détecteur plus petite. Cela diminue la quantité d’“énergie” que chaque pixel recueille et rend la caméra moins sensible. En général, ces deux éléments fonctionnent de manière différente (la résolution augmente, la sensibilité diminue). Ainsi, en ce qui concerne l’OGI, une distance entre les pixels plus grande est meilleure, car elle permet de stocker plus d’énergie.

Par exemple, parmi les caméras OGI refroidies de FLIR, la caméra GFx320 dispose d’une distance entre les pixels de 30 µm tandis que la caméra GF620 a une distance entre les pixels de 15 µm, ce qui rend le GFx320 légèrement plus sensible par rapport au GF620 (soit 15 mK contre 20 mK). En matière de NECL, la NECL du GF620 au méthane est approximativement le double de celle du GFx320. Même si le GF620 demeure suffisamment sensible pour répondre aux exigences les plus rigoureuses en matière de niveaux de sensibilité conformément à l’étape 40 C.F.R, partie 60 de la NSPS de l’EPA, sous-partie OOOOa, il se peut que ce ne soit pas le cas pour toutes les caméras OGI haute résolution.

En termes de “petites fuites”, une résolution plus élevée du GF620 (640 × 480 contre 320 × 240 ; voir Fig. 2) peut offrir certains avantages. Tout d’abord, vous pouvez visualiser plus clairement la surface de fuite et éventuellement avoir plus de détails sur la fuite. Vous pouvez combiner ce facteur de résolution plus élévé aux capacités de zoom numérique de l’imageur, afin d’obtenir une image beaucoup plus claire et, par conséquent, visualiser des fuites plus petites.

3.) La sensibilité thermique, ou Noise Equivalent Temperature Difference (NETD), détermine la plus petite différence de température qu’on peut visualiser avec une caméra. Plus le nombre est réduit, plus la sensibilité thermique du système infrarouge est élevée. Cette mesure est généralement prise à une température de référence établie de 30 °C.

Si les cibles à mesurer présentent généralement de grandes différences de température, une caméra à faible NETD n’est probablement pas nécessaire. Toutefois, pour des applications plus subtiles, comme la détection des problèmes d’humidité, une plus grande sensibilité est recommandée. Dans de nombreux cas, OGI sert uniquement si “le gaz est présent/s’échappe ou pas ?” faisant de la NETD un facteur moins important que le pas de pixel, par exemple.

4.) Absortion du gaz— Sans absorption de gaz dans la bande spectrale de la caméra IR (filtrée ou non), l’imageur ne sera pas en mesure de visualiser le gaz. Autrement dit, la résolution de la caméra IR n’affectera pas la capacité de la caméra à visualiser le gaz si le gaz filmé n’absorbe pas l’énergie dans la bande spectrale de la caméra.

Figure 3

De plus, le mode haute sensibilité (HSM) breveté de FLIR a été optimisé par l’ajout de pixels, ce qui pourrait aider à détecter les fuites plus petites. Cet attribut OGI essentiel varie en fonction du gaz. L’absorbance peut être décrite en termes de facteur de réponse (RF) du gaz ; plus la valeur est élevée, plus l’imagerie du gaz est bonne. Par exemple, le propane a une valeur RF plus élevée que le méthane lorsqu’il s’agit des caméras refroidies (environ trois fois plus), car il absorbe plus d’énergie dans la région spectrale IR filtrée dans les caméras OGI FLIR utilisées pour visualiser les fuites d’hydrocarbures et de COV. (Fig. 3).

Conclusion

Bien que l’imagerie haute résolution ne soit pas forcément le facteur le plus important dans toutes les applications OGI, elle pourrait être très bénéfique dans d’autres applications.

Les personnes dont les fonctions comprennent la détection et correction des fuites (LDAR) ou celles qui occupent des postes de responsable de santé et sécurité (HSE) sont souvent chargées d’utiliser des caméras OGI pour détecter des fuites de gaz nécessitant une réparation, à des fins de maintenance ou de conformité réglementaire. Les caméras FLIR permettent à ces travailleurs de localiser les fuites infimes, de caractériser les fuites qui ont été découvertes et de garantir la sécurité du personnel tout au long du processus.

Quels que soient leur résolution et leurs besoins en matière de NECL, FLIR propose une caméra OGI pour les servir, y compris les GFx320, GF320, GF300, G300a et GF620, conçues spécifiquement pour la détection des hydrocarbures et des gaz COV.

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