Gekühlte und ungekühlte optische Gasdetektionskameras im direkten Vergleich

Die Vorteile beider Technologien für spezifische Anwendungen aller Branchen

Von Craig O'Neill und Ron Lucier

Seit über einem Jahrzehnt stellt FLIR Systems Infrarotkameras her, die viele verschiedene Gase sichtbar machen, die an undichten Stellen ausströmen. Diese optischen Gasdetektionskameras (OGI – Optical Gas Imaging) wurden dafür entwickelt, eine Reihe verschiedener Gase wie Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid, Schwefelhexafluorid, Kältemittel, Kohlenmonoxid und Ammoniak zu erkennen. Diese Kameras werden für viele Anwendungen in verschiedenen Branchen eingesetzt, etwa um Emissionen zu reduzieren, die Produktionseffizienz zu steigern oder eine sichere Arbeitsumgebung zu gewährleisten. Einer der größten Vorteile von OGI-Kameras im Vergleich zu anderen Inspektionstechnologien liegt in der Geschwindigkeit, mit der diese Technologie undichte Bauteile lokalisieren kann, ohne den industriellen Prozess zu unterbrechen.

Bislang wurden diese Kameras mit gekühlten IR-Detektoren ausgerüstet. Zwar bieten diese mehrere Vorteile gegenüber ungekühlten Detektoren, sind jedoch auch mit höheren Kosten verbunden. Dank des Fortschritts bei der ungekühlten Detektortechnologie können OGI-Kamerahersteller wie FLIR heute preisgünstigere OGI-Lösungen für diese Branchen konzipieren und entwickeln. Kameras mit ungekühlten Detektoren sind zwar um einiges günstiger als solche mit gekühlten Detektoren, weisen aber gegenüber diesen auch bestimmte Einschränkungen auf.

Die technischen Grundlagen der optischen Gasdetektion

Bevor wir uns damit befassen, ob nun eine OGI-Kamera mit gekühltem oder ungekühltem Detektor besser ist, sollte zunächst die Theorie hinter dieser Technologie erklärt werden. Die optische Gasdetektion lässt sich mit dem Blick durch eine normale Videokamera vergleichen. Allerdings sieht der Bediener hierbei eine Gasfahne, die sich ähnlich wie eine Rauchschwade verhält. Ohne OGI-Kamera sind solche Gasfahnen völlig unsichtbar. Damit sie für unser Auge sichtbar werden, nutzt die OGI-Kamera ein einzigartiges, wellenlängenabhängiges Spektralfilterverfahren, mit dem sie eine bestimmte Gasverbindung erkennen kann. Bei gekühlten Detektoren schränkt der Filter die Strahlungswellenlängen ein, die auf den Detektor treffen, sodass ein äußerst begrenztes Band, der Bandfilter, übrig bleibt. Dieses Verfahren wird als spektrale Anpassung bezeichnet (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1

OGI-Kameras nutzen die Absorptionseigenschaften von bestimmten Molekülen aus, um diese in ihrer nativen Umgebung sichtbar zu machen. Die Focal-Plane-Arrays (FPAs) und optischen Systeme der Kamera sind speziell auf äußerst begrenzte Spektralbereiche abgestimmt, die oft lediglich einige Hundert Nanometer umfassen und daher äußerst selektiv sind. Dabei lassen sich nur Gase erkennen, die in der Infrarotregion absorptionsfähig und durch einen passenden Bandfilter begrenzt sind. Bei den meisten Gasverbindungen hängen die Infrarot-Absorptionseigenschaften von der Wellenlänge ab. Edelgase wie Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff lassen sich nicht direkt darstellen.

Der gelbe Bereich in Abbildung 2 stellt einen Beispiel-Spektralfilter dar, der so entwickelt wurde, dass er dem Wellenlängenbereich entspricht, in dem die meiste Hintergrund-Infrarot-Energie vom Methan absorbiert wird.

Abbildung 2

Wenn die Kamera auf einen Zielbereich ohne Gasleck gerichtet wird, geben die Objekte, die sich in ihrem Sichtfeld befinden, Infrarotstrahlung ab und reflektieren diese durch das Objektiv und den Filter der Kamera. Wenn sich zwischen den Objekten und der Kamera eine Gaswolke befindet und dieses Gas Strahlung im Bandbereich des Filters absorbiert, wird die Menge der Strahlung reduziert, die durch die Wolke hindurch auf den Detektor trifft. Um die Gaswolke vor dem jeweiligen Hintergrund erkennen zu können, muss ein Strahlungskontrast zwischen der Wolke und dem Hintergrund bestehen.

Ob und wie sich eine Gaswolke sichtbar machen lässt, hängt also von verschiedenen Faktoren ab: Das Gas muss Infrarotstrahlung in dem Wellenlängenbereich absorbieren, den die Kamera sieht; die Gaswolke muss einen ausreichenden Strahlungskontrast zum Hintergrund aufweisen; und die Temperatur der Wolke muss sich vom Hintergrund unterscheiden. Außerdem wird die Wolke bei Bewegung besser sichtbar.

Bedeutung der Wellenlängen für die optische Gasdetektion

Um die Unterschiede zwischen optischen Gasdetektionskameras mit gekühlten und ungekühlten Detektoren besser herauszuarbeiten, müssen wir uns damit befassen, wie sich Wellenlängen bei der Gasdetektion auswirken und wie der Detektor in der Kamera diese erfasst. Die beiden wichtigsten Wellenlängenbereiche, die bei OGI-Kameras zum Tragen kommen, werden allgemein als Mittelwellen- (3–5 Mikrometer, μm) und als Langwellenbereich (7–12 μm) bezeichnet. Bei der Gasdetektion werden diese auch als „Funktionsbereich“ bzw. als „Fingerabdruckbereich“ bezeichnet. Im Funktionsbereich sind mehr Gase aus einer bestimmten Kategorie mit einer Kamera zu sehen. Im Fingerprint- oder Fingerabdruckbereich können hingegen viele einzelne Gase anhand ihrer spezifischen Absorptionseigenschaften genau bestimmt werden. So absorbieren beispielsweise fast alle Kohlenwasserstoffgase Energie im gefilterten Bereich der GF320 (gelb markiert), haben aber unterschiedliche Absorptionseigenschaften im Langwellen- oder Fingerprintbereich (blau markiert) (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3

Viele Gase weisen Absorptionseigenschaften sowohl im Mittel- als auch im Langwellenbereich auf. Doch es gibt auch Gase, die nur in einem Infrarot-Wellenlängenbereich Strahlung abgeben. Manche Gase geben nur im Mittelwellenbereich und nicht im Langwellenbereich Strahlung ab (z. B. Kohlenstoffmonoxid/CO) und andere wiederum nur im Langwellenbereich (so etwa Schwefelhexafluorid/SF₆). Solche Gase würden also weder in den Fingerprint- noch in den Funktionsbereich von Kohlenwasserstoffgasen fallen. Unten finden sich die Infrarotspektren für die Gase CO und SF₆.

Abbildung 4

Abbildung 5

Gekühlte und ungekühlte Detektoren im Vergleich

Die für gekühlte OGI-Kameras genutzten Detektoren sind Quantendetektoren, die auf kryogene Temperaturen (von ca. -196 °C) heruntergekühlt werden müssen und entweder mittelwellige oder langwellige Strahlung erfassen. Mittelwellen-Kameras, die Kohlenwasserstoffgase im Funktionsbereich, wie z. B. Methan, entdecken, arbeiten üblicherweise im Bereich von 3–5 μm und verwenden einen Indiumantimonid(InSb)-Detektor. Gekühlte Langwellen-Kameras für den Langwellenbereich, die Gase wie SF₆ entdecken, reagieren normalerweise im Bereich von 8–12 μm und sind mit einem Quantentopf-Infrarot-Fotodetektor (QWIP) ausgestattet.

Eine gekühlte OGI-Kamera hat einen Bildsensor mit einem integrierten Kryokühler, der die Sensortemperatur auf kryogene, also sehr tiefe, Temperaturen absenkt. Diese Absenkung ist notwendig, um das Rauschen permanent auf ein Niveau zu reduzieren, das unterhalb des Signalpegels liegt, den der erfasste Gegenstand oder Bereich an die Umgebung abstrahlt. Kryokühler sind mit beweglichen Teilen ausgestattet, die mit äußerst geringen mechanischen Toleranzen gefertigt werden und sich mit der Zeit abnutzen. Zusätzlich sind sie mit einer bestimmten Menge Helium befüllt, die allmählich durch die Gasdichtungen nach außen entweicht. Irgendwann nach 10.000–13.000 Betriebsstunden muss der Kryokühler erneuert werden.

Bei Kameras mit gekühltem Detektor findet sich Filter am Detektor. So lässt sich die Übertragung von Streustrahlung zwischen Filter und Detektor vermeiden und die Bildempfindlichkeit wird verbessert. Mit einer besseren Bildempfindlichkeit kann die Kamera bestimmte Gase effektiver sichtbar machen. So wird auch die Einhaltung von gesetzlichen Normen wie der OOOOa der US-Umweltschutzbehörde oder anderer Anforderungen sichergestellt.

Abbildung 6: Wärmebilder von einem Handabdruck an einer Wand, im Abstand von zwei Minuten mit einer Wärmebildkamera mit gekühltem Detektor aufgenommen.

Abbildung 7: Wärmebilder von einem Handabdruck an einer Wand, im Abstand von zwei Minuten mit einer Wärmebildkamera mit ungekühltem Detektor aufgenommen.

Ungekühlte OGI-Kameras sind mit einem Mikrobolometer-Detektor ausgestattet. Hier sind also keine weiteren Komponenten zur Kühlung des Detektors erforderlich. Sie bestehen häufig aus Vanadiumoxid (VOx) oder amorphem Silizium (a-Si) und reagieren auf Wellenlängen im Bereich zwischen 7 und 14 μm. Solche Kameras sind sehr viel einfacher herzustellen als gekühlte Kameras. Dafür sind sie in puncto Empfindlichkeit oder NETD-Wert (Noise Equivalent Temperature Difference) klar unterlegen. Die Auffindung kleinerer Gaslecks ist damit erschwert. Der NETD-Wert ist eine verbreitete Leistungszahl und bezeichnet die niedrigste Objekttemperatur, die durch den Wärmebildsensor vom Systemrauschen unterschieden werden. Abbildung 6 zeigt, wie sich gekühlte und ungekühlte Detektoren in ihrer Empfindlichkeit unterscheiden. Ein besserer NETD-Wert bedeutet, dass eine gekühlte OGI-Kamera Gase etwa fünfmal besser auffindet als eine ungekühlte. Ein ähnlicher Standard, mit dem bestimmt wird, wie gut eine OGI-Kamera Gas erkennen kann, ist der NECL-Wert (Noise Equivalent Concentration Length). Er besagt, wie viel Gas über eine definierte Weglänge erfasst werden kann. So beträgt der NECL-Wert der gekühlten FLIR GF320 (3–5-μm-Detektor) für die Methanerkennung weniger als 20 ppm*m, der einer ungekühlten Lösung (7–14 μm Detektor) hingegen mehr als 100 ppm*m.

Außerdem ist bei OGI-Kameras mit ungekühltem Detektor der Filter zu bedenken. Einige Kameras sind nicht in den Langwellenspektren gefiltert. Das bedeutet, dass sie wie ein Breitbanddetektor wirken und dann ein bestimmtes Gas anhand spezieller Analysen visualisieren. Der patentierte High Sensitivity Mode (HSM) von FLIR zeigt beispielhaft, wie sich die kameragestützte Gasdetektion mithilfe von Software und Analysefunktionen noch verbessern lässt. Bei einigen Kameras sind gezieltere Filter im Kamerasystem integriert. Diese können im Objektiv, zwischen Kamera und Objektiv oder anderweitig verbaut sein.

Bei ungekühlter Filterung sind Einbußen bei der thermischen Empfindlichkeit zu erwarten, da die Strahlung, die den Detektor der Kamera erreicht, begrenzt wird. Dann steigt zwar der NETD-Wert, aber das Bild bei der Gasdetektion wird verbessert. Da die Spektralfilterbreite verringert wird, um bestimmte Gase erkennen zu können, nimmt die Strahlung aus der Umgebung ab. Das Rauschen des Detektors bleibt jedoch gleich und die reflektierte Strahlung des Filters nimmt zu. Das Ergebnis ist eine wesentlich höhere Bildqualität im Vergleich zur optischen Gasdetektion. Jedoch sinkt hierbei die thermische Empfindlichkeit der Kamera für die Temperaturmessung (Radiometrie). Bleibt der Filter kalt, wie das bei einer gekühlten OGI-Kamera der Fall ist, wird dieses Phänomen vermieden, da hier nur sehr geringe Mengen an Strahlung von Reflexionen stammen.

Die Wahl zwischen einer gekühlten oder einer ungekühlten OGI-Kamera

Bei der Auswahl der Kamera, die Sie für Ihre OGI-Anforderungen benötigen, sollten Sie vor allem beachten, dass die jeweilige Kamera das Gas visualisieren kann, nach dem Sie suchen. Wenn das klar ist, wird die Entscheidung aber nicht einfacher. Entscheiden Sie nicht allein aus finanziellen Erwägungen heraus.

Gekühlte OGI-Kameras stellen zwar eine ungleich größere Investition dar, bieten aber auch beachtliche Vorteile. Wie bereits erwähnt, fallen diese Einheiten in den Funktionsbereich von Kohlenwasserstoffgasen. Es würde also nur eine Kamera benötigt, um eine Vielzahl von Gasen sichtbar zu machen. In machen Fällen wären mehrere Kameras im Fingerprint-Bereich erforderlich, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal von Mittelwellenkameras ist die Tatsache, dass Interferenzen durch Wasserdampf ausgeschlossen sind. Wie die Abbildung 7 zeigt, weist Wasserdampf eine starke Absorptionswirkung im Langwellen- oder Fingerprint-Bereich auf. Das kann bei der kameragestützten Gasdetektion zu Messunsicherheiten führen.

Bei der Wahl einer OGI-Kameras sollten Sie also auf eine hohe Empfindlichkeit und gute Bildqualität achten. Diese Faktoren wirken sich nicht nur bei der Auffindung kleinerer Lecks aus, sondern können auch bei der Einhaltung gesetzlicher Auflagen zum Tragen kommen.

Doch auch in anderer Hinsicht kann eine gekühlte OGI-Kamera im Vorteil sein. Die einzigen für den Einsatz in Gefahrenbereichen zugelassenen OGI-Kameras am Markt sind solche mit gekühlten Detektoren. Möchten oder müssen Sie Gasverluste auch zuverlässig quantifizieren können, dann führt kein Weg an einer OGI-Mittelwellenkamera wie der GF320 und der von Providence Photonics entwickelten Quantifizierungssoftware QL320 vorbei.

Die Markteinführung ungekühlter OGI-Kameras erschließt Bedienern von Gasdetektionskameras neue Vorteile. Zunächst einmal sind die Kosten für die Herstellung einer ungekühlten Kamera deutlich geringer, was einen niedrigeren Marktpreis zur Folge hat. Ungekühlte Kameras sind zudem ohne den Kühler einfacher konstruiert und sparen daher durch weniger Wartungsaufwand zusätzlich Kosten. Für einen kontinuierlichen Betrieb rund um die Uhr sind sie damit womöglich die bessere Wahl.

Ob Sie nun eher Geld sparen wollen, gesetzliche Vorschriften einhalten müssen, die Sicherheit Ihrer Arbeitnehmer erhöhen wollen oder Ihnen einfach nur die Umwelt am Herzen liegt: Die Auswahl ist heute größer denn je und kann daher schnell überfordern. Bei der Entscheidung für eine OGI-Kamera sind viele verschiedene Faktoren und nicht allein der Preis relevant. FLIR bietet die größte Auswahl und die breiteste Palette von OGI-Kameras am Markt und wird Ihnen bei der Auswahl gern behilflich sein.