Thermal Contrast Model for Optical Gas Imaging Performance Analysis

eng Article in English DOI: 10.14313/PAR_259/65

send Robert Olbrycht Lodz University of Technology, Institute of Electronics, Al. Politechniki 8, 93-590 Lodz

Download Article

Abstract

The paper presents numerical modelling of thermal contrast in optical gas imaging (OGI) applications. The physical temperature of an imaged gas plume may be either higher or lower than the background, and this difference is a necessary condition for detection. Depending on the actual thermal contrast between the plume and the background, the measured temperature difference will vary. Ideally, this contrast should be as large as possible to ensure clear plume visualization. In practice, however, one must adapt to real world conditions and be able to predict the expected measured temperature difference and compare it with the camera’s Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) to estimate the signal to noise ratio. According to the results presented in this study, due to the combined effects of Planck’s law, the camera’s radiometric response, and gas absorption spectra, the measured thermal contrast strongly depends on the absolute physical temperatures of both the gas and the background—not only on the temperature difference between them.

Keywords

camera, optical gas imaging, thermal contrast, thermal imaging

Model kontrastu termicznego do analizy skuteczności optycznego obrazowania gazów

Streszczenie

Artykuł przedstawia numeryczne modelowanie kontrastu termicznego w zastosowaniach do optycznego obrazowania gazów (ang. OGI). Fizyczna temperatura obrazowanej chmury gazu może być wyższa lub niższa od temperatury tła, a różnica ta stanowi niezbędny warunek detekcji. W zależności od rzeczywistego kontrastu termicznego pomiędzy chmurą gazu a tłem, mierzona różnica temperatur może przyjmować różne wartości. Idealnie kontrast ten powinien być możliwie jak największy, aby zapewnić wyraźną wizualizację chmury. W praktyce jednak należy dostosować się do rzeczywistych warunków oraz być w stanie przewidzieć oczekiwaną zmierzoną różnicę temperatur i porównać ją z wartością parametru NETD kamery (ang. Noise Equivalent Temperature Difference), aby oszacować stosunek sygnału do szumu. Zgodnie z wynikami przedstawionymi w pracy, wskutek łącznego wpływu prawa Plancka, radiometrycznej charakterystyki kamery oraz widm absorpcji gazów, mierzony kontrast termiczny silnie zależy od bezwzględnych wartości fizycznych temperatury zarówno gazu, jak i tła — a nie jedynie od różnicy wartości temperatury między nimi.

Słowa kluczowe

kamera, kontrast termiczny, optyczne obrazowanie gazów, termowizja

Bibliography

  1. Olbrycht R., Kałuża M., Wittchen W., Borecki M., Więcek B., De Mey G., Kopeć M., Gas identification and estimation of its concentration in a tube using thermographic camera with diffraction grating, “Quantitative InfraRed Thermography Journal”, Vol. 15, No. 1, 2018, 106–120, DOI: 10.1080/17686733.2017.1385179.
  2. Olbrycht R., Kałuża M., Optical Gas Imaging With Uncooled Thermal Imaging Camera – Impact of Warm Filters and Elevated Background Temperature, “IEEE Transactions on Industrial Electronics”, Vol. 67, No. 11, 2020, 9824–9832, DOI: 10.1109/TIE.2019.2956412.
  3. Zimmerle D., Vaughn T., Bell C., Bennett K., Deshmukh P., Thoma E., Detection Limits of Optical Gas Imaging for Natural Gas Leak Detection in Realistic Controlled Conditions, “Environmental Science and Technology”, Vol. 54, 2020, 11506−11514, DOI: 10.1021/acs.est.0c01285.
  4. Olbrycht R., A novel method for sensitivity modelling of optical gas imaging thermal cameras with warm filters, “Quantitative InfraRed Thermography Journal”, Vol. 19, No. 5, 2022, 331–346, DOI: 10.1080/17686733.2021.1962096
  5. de Lima Filho G.M., Cardoso Fernandes de Almeida R., Morgado de Castro R., Damião A.J., Operational Measurements for Infrared Camera Characterization, “Journal of Aerospace Technology and Management”, Vol. 9, No. 4, 2017, 519–528, DOI: 10.5028/jatm.v9i4.589.
  6. Le Touz N., Toullier T., Dumoulin J., Infrared thermography applied to the study of heated and solar pavement: from numerical modeling to small scale laboratory experiments, Proceedings SPIE 10214 – Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXIX, 2017, Anaheim, United States, DOI: 10.1117/12.2262778.
  7. Więcek P., Więcek B., Performance analysis of dual-band microbolometer camera for industrial gases detection, “Measurement Automation Monitoring”, Vol. 64, No. 04, 2018, 90–94, ISSN 2450-2855.
  8. Barber R., Rodriguez-Conejo M.A., Melendez J., Garrido S., Design of an Infrared Imaging System for Robotic Inspection of Gas Leaks in Industrial Environments, “International Journal of Advanced Robotic Systems”, Vol. 16, 2015, DOI: 10.5772/60058.