OGI 디텍터 픽셀 크기 이해
픽셀이 클수록 더 좋은 이유
예로부터 해상도는 적외선 카메라를 선택함에 있어 중요한 사양이었지만, 일부 오일 및 가스 이미징 적용 분야에 적용할 때는 그렇게 단정할 수 없습니다.
FLIR Systems, Inc.의 Craig O'Neill
거의 모든 유형의 이미지 작업에서 가장 중요한 사양은 해상도입니다. 하지만 일부 광학 가스 탐지 카메라(OGI) 적용 분야에서는, 최적의 성능을 발휘하기 위해 더 낮은 해상도의 카메라를 선택하는 것이 좋습니다.
이 문서에서는 OGI에 있어 고해상도가 항상 중요한 것은 아닌 이유에 대해 설명하고, 더 높은 해상도가 필요한 시나리오를 살펴볼 것이며, 작업 중에 경험할 수 있는 모든 해상도 요구 사항을 충족하는 FLIR OGI 솔루션을 소개합니다.
사양이 모든 것을 말해주지는 않습니다’
오일 및 가스 운영 업체가 사용하는 대부분의 장비는 사양에만 중점을 두고 구입하며, 해상도는 가장 중요한 사양 중 하나로 간주됩니다. 이러한 구매 방법은 효율적이고 비용 대비 효과가 높지만, OGI 카메라의 사용자가 특정 적용 분야에서는 장비의 성능에 중요한 요소가 아닐 수 있는 사양에만—의도적이든 의도적이지 않든—중점을 둔다는 점은 위험할 수 있습니다.’
훌륭한 사양은 글로 볼 때만 그렇게 느껴지는 것입니다. 기능은 완전히 다를 수 있죠. 이는 상황, 특히 적용 분야의 영역과 예산에 따라 달라집니다.
해상도가 이러한 논의의 핵심입니다. 벤더는 "우리 카메라는 X 해상도이고, 경쟁사의 카메라는 더 낮은 해상도"라고 주장할 수 있습니다.’ 해상도가 높을수록 좋기 때문에 우리의 입찰이 더 매력적입니다.” 이러한 주장은 이해하기 쉽고 널리 받아들여지기 때문에 의미가 있습니다.’ 또한 적외선(IR) 카메라(비 OGI)를 선택할 때, 해상도는 언제나 고려해야 할 핵심 사양이었습니다. 그러나 더 높은 해상도가 항상 올바른 선택은 아닙니다.
더 높은 해상도를 원한다고 하셨는데요, 그럼 이건 어떤가요…
OGI 카메라는 IR 파장에서 작동합니다. 따라서 대부분의 IR 적용 분야에서 카메라에 픽셀을 추가하면 더 작은 스폿 크기 비율(측정 가능한 영역)을 사용하여 향상된 이미지 화질(더 높은 해상도 사용)뿐만 아니라 더 정확한 측정값을 얻을 수 있기 때문에 성능이 “더 우수해져” 과도하게 단순화될 수 있는 위치를 쉽게 파악할 수 있습니다.
하지만 효과적인 OGI는 적외선 해상도와 가스 감도에 따라 달라집니다. 감도는 노이즈 등가 농도 길이(NECL)를 통해 측정되며, 이는 일정한 길이의 경로에서 카메라의 고유 노이즈 위에서 얼마나 많은 가스가 감지될 수 있는지 측정합니다.
이러한 두 가지 특성이 상호 작용하고 카메라 구매 시 고려할 중요한 사항을 구성하는 방식을 이해하려면, 다음과 같은 몇 가지 매개변수가 중요합니다.
- 픽셀 크기
- 픽셀 피치
- 열 감도
- 가스 흡수도
1.) 픽셀 크기—OGI의 경우 해상도와 NECL은 선형이 아닙니다. 사실, 이들은 서로 모순됩니다. 앞서 언급한 바와 같이, 비-OGI IR 카메라 적용 분야에서 해상도가 높을수록, 카메라의 문제를 방사적으로 진단하는 능력이 더 우수하다는 점을 염두에 두십시오’(즉, 카메라에 도달하는 IR 신호 강도를 해석하여 대상 표면 온도 측정’). 픽셀이 작아지고 측정할 대상이 동일한 크기로 유지되면 대상에서 더 많은 픽셀을 확보할 수 있어서 측정 정밀도가 향상됩니다.
같은 맥락에서 온도 측정 대 OGI를 고려하십시오. 그림 1에서, 해상도가 높을수록/픽셀이 작을수록 단일 픽셀에 “흰색"”이 더 많이 나타납니다. 해당 픽셀의 모든 영역(즉, 색상)을 평균하면 픽셀을 흰색으로 채울수록 온도(강도) 판독값이 더 정확해집니다. 이는 고해상도가 유리한 시나리오입니다.
그림 1
더 높은 누출 선명도가 필요하거나—더 많은 누출 세부 정보를 식별할 수 있도록—또는 작은 누출을 확인하려고 할 때 OGI 적용 분야에서는 일반적으로 더 높은 해상도가 바람직합니다(그림 2).
그림 2
2.) 픽셀 피치—반대로, 가스 감지에 있어서 사용자는 일반적으로 뷰 안에 있는 객체와 비교하여 픽셀의 “크기”에 관심이 없습니다. 가스 감지 시 더 큰 관심사는 한 픽셀에 도달하는 에너지의 양이며, 가능한 한 그 픽셀에 도달할 수 있는 많은 에너지를 원하는 것입니다.’
초점면 배열(FPA)에 더 많은 해상도(더 많은 픽셀)를 추가하면 일반적으로 전체 감지기 크기를 작게 유지하기 위해 각 픽셀 크기(마이크로미터 단위로 측정하며 “픽셀 피치” 또는 픽셀 중심에서 다음 픽셀까지의 공간이라고 함)가 더 작아집니다. 이렇게 하면 각각의 픽셀이 수집하는 “에너지”의 양이 감소하고 이미지 장치의 감도가 낮아집니다. 일반적으로 이 두 가지는 서로 모순됩니다(해상도가 올라가면 감도가 낮아짐). 따라서, OGI의 경우, 더 많은 에너지를 포착할 수 있는 더 큰 픽셀 피치가 바람직합니다.
예를 들어 FLIR 냉각식 OGI 카메라 중 GFx320 카메라의 픽셀 피치는 30µm이고 GF620 카메라의 피치는 15µm이므로 GFx320은 GF620(15mK 대 20mK)보다 약간 더 민감합니다. NECL 측면에서, 메탄에 대한 GF620 NECL은 GFx320의 약 2배입니다. GF620은 EPA NSPS 40 CFR Part 60, Subpart OOOOa와 같이 감도 수준에서 가장 엄격한 요건을 충족할 정도로 민감하지만, 이는 모든 고해상도 OGI 카메라에 해당되는 것은 아닙니다.
“작은 누출”의 경우, GF620의 더 높은 해상도(640 × 480 대 320 × 240, 그림 2 참조)는 몇 가지 이점을 제공할 수 있습니다.’ 먼저, 누출 선명도를 보다 명확하게 확인하고 누출에 대한 보다 자세한 내용을 파악할 수 있습니다. 이와 같이 더 큰 해상도 계수를 이미지 장치의 디지털 줌 기능과 결합하여 훨씬 더 선명한 이미지를 볼 수 있으며, 결과적으로 더 작은 누출을 시각화할 수 있습니다.’
3.) 열 감도 또는 소음 등가 온도 차이(NETD)는 카메라에서 볼 수 있는 가장 작은 온도 차이를 나타냅니다. 숫자가 낮을수록 적외선 시스템의 열 감도가 향상됩니다.’ 이 측정은 일반적으로 산업 표준 온도인 30°C에서 이루어집니다.
측정 대상의 온도 차이가 일반적으로 큰 경우 NETD가 낮은 카메라는 필요하지 않을 수 있습니다.’ 하지만 습기 문제를 감지하는 것과 같이 보다 미묘한 적용 분야의 경우, 더 높은 감도가 권장됩니다. 대부분의 경우, OGI는 단순히 “가스의 존재/방출 여부에만 초점을 맞춥니까?” NETD 보다 픽셀 피치가 더 중요합니다.
4.) 가스 흡수도—IR 카메라(필터형 또는 비필터형)의 스펙트럼 범위에서 가스를 흡수하지 않으면 이미지 장치는 가스를 볼 수 없습니다. 다르게 말하면, IR 카메라의 해상도는 촬영된 가스가 카메라의 스펙트럼 범위에서 에너지를 흡수하지 않는 경우 가스를 볼 수 있는 카메라의 기능에 영향을 미치지 않습니다.’’’
그림 3
또한 FLIR의 특허 받은 고감도 모드(HSM)는 더 많은 픽셀을 통해 강화되어 더 작은 누출도 감지할 수 있습니다.’ 이러한 기본 OGI 속성은 가스에 따라 다릅니다. 흡수도는 가스의 반응 계수(RF)의 관점에서 설명될 수 있으며 값이 높을수록, 가스에 대한 이미징 효과가 좋습니다.’ 예를 들어, 프로판은 탄화수소 및 VOC 누출을 시각화하는 데 사용되는 FLIR의 OGI 카메라의 필터링된 IR 스펙트럼 영역에서 더 많은 에너지를 흡수하므로 냉각형 카메라의 경우 메탄보다 RF 값이 더 높습니다(약 3배).’ (그림 3).
결론
고해상도 이미징이 모든 OGI 적용 분야에서 가장 중요한 요소인 것은 아니지만, 다른 적용 분야에서는 매우 유용할 수 있습니다.
측정 관리 시스템(LDAR) 또는 보건 안전 관리국(HSE)으로서의 서비스를 포함하는 업무를 수행하는 개인은 유지보수 또는 규정 준수를 위해 OGI 카메라를 사용하여 수리가 필요한 가스 누출을 찾는 일이 많습니다. FLIR 카메라를 사용하면 이러한 작업자는 미세한 누출 위치를 찾고 발견된 누출을 특성을 파악할 뿐만 아니라 프로세스 전반에 걸쳐 직원 안전을 유지할 수 있습니다.
해상도 및 NECL에 대한 요구 사항이 무엇이든, FLIR는 탄화수소 및 VOC 가스 감지용으로 특별히 설계된 GFx320, GF320, GF300, G300a 및 GF620을 포함한 OGI 카메라를 공급합니다.
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