ES2349911A1 - Metodos y sistemas para realizar analisis de estanqueidad en depositos de fluidos. - Google Patents
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Abstract
Métodos y sistemas para realizar análisis de estanqueidad en depósitos de fluidos que comprenden los siguientes pasos: a) introducir en el depósito un gas traza a una presión y temperatura predeterminadas; b) tomar imágenes exteriores del depósito mediante una cámara IR en una franja predeterminada de la banda espectral en la que dicho gas traza es ópticamente activo; c) localizar poros o defectos del depósito a partir de las fugas de gas detectadas mediante la visualización de dichas imágenes o de imágenes obtenidas a partir de ellas. Los sistemas comprenden una cámara IR dotada de un filtro para la toma de imágenes del exterior del depósito y un computador conectado a ella provisto de un "software" para la visualización de las imágenes tomadas por la cámara o imágenes procesadas a partir de ellas. La invención también se refiere a un programa de ordenador para la ejecución del método.
Description
Métodos y sistemas para realizar análisis de
estanqueidad en depósitos de fluidos.
La presente invención se refiere a métodos y
sistemas para realizar análisis de estanqueidad en depósitos de
fluidos y más en particular en tanques de combustibles de
aviones.
Cuando se quieren conseguir depósitos con
garantía de estanqueidad, es necesario controlar e identificar las
posibles fugas que se puedan producir por defectos de fabricación o
poros en los materiales utilizados, especialmente si se tratan de
depósitos de combustible en aviones, por lo que es esencial contar
con métodos apropiados para la detección de posibles poros o fisuras
en los depósitos.
En la técnica conocida, el procedimiento
utilizado para analizar la estanqueidad de los depósitos de
combustible de aviones consiste en aplicar, en primer término,
presión al aire contenido en los mismos y analizar posteriormente
eventuales pérdidas de presión que se pueden producir por la
existencia de poros y fisuras y, en segundo término, aplicar al
depósito un recubrimiento de una composición apropiada (por ejemplo,
agua jabonosa) para detectar los puntos de fuga.
En ese aspecto específico, como en muchos otros,
la industria demandar métodos mejorados y la presente invención está
orientada a la satisfacción de esa demanda aplicando técnicas
basadas en imagen espectral infrarroja (IR) como las consideradas en
las siguientes siguientes publicaciones.
- S. Briz, de Castro A.J.,
López F., and Schäfer K.,"Remote Sensing of Ozone by
Open-Path FTIR Spectroscopy. Analysis and Validation
of Different Analysis Techniques" Proc. of Chemical Industry
and Environment IV. Vol. 2. A. Macías & J. Umbría Eds.,
2003, pp 313-323, España.
- J.M. Aranda, S. Briz, J.
Meléndez, A. J. de Castro, F. López, "Flame
analysis by IR thermography and IR hyperspectral imaging".
Proc. of Quantitative Infrared Thermography
V-QIRT2000, 337-342.
(2000).
- S. Briz, A.J. de Castro, F.
López "Moderate resolution study of the
ground-based passive emission of ozone"
Applied Optics, 39, 1980-1988
(2000).
- A.J. de Castro, J. Meneses, S.
Briz, F. López "Non dispersive infrared monitoring
of NO emissions in exhaust gases of vehicles" Rev. Sci.
Instrum., 70, 3156-3159 (1999).
- J. Meneses, S. Briz, A.J. de
Castro, J. Meléndez and F. López. "New
spectral selection system for infrared imaging of carbon monoxide in
combustión environments". Combustión Diagnostics. M. Tacke
Ed. SPIE Proc. 3106, 105 (1997).
Un objeto de la presente invención es
proporcionar métodos y sistemas para la detección de fallos de
estanqueidad en depósitos de almacenamiento de fluidos que puedan
ponerse en práctica tanto en su lugar de fabricación como en el de
su uso.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar métodos y sistemas no intrusivos para la detección de
fallos de estanqueidad en depósitos de almacenamiento de fluidos y,
particularmente, en depósitos de combustible de aviones.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar métodos y sistemas para la detección en tiempo real de
fallos de estanqueidad en depósitos de almacenamiento de fluidos y,
particularmente, en depósitos de combustible de aviones.
En un primer aspecto, esos y otros objetos se
consiguen con un método de análisis de la estanqueidad de un
depósito destinado al almacenamiento de fluidos, que comprende los
siguientes pasos:
a) introducir en el depósito un gas traza a una
presión y temperatura predeterminadas;
b) tomar imágenes exteriores del depósito
mediante una cámara IR en una franja predeterminada de la banda
espectral en la que dicho gas traza es ópticamente activo;
c) localizar poros o defectos de fabricación del
depósito a partir de las fugas de gas detectadas mediante la
visualización de dichas imágenes ó de imágenes obtenidas a partir de
ellas.
\vskip1.000000\baselineskip
En un segundo aspecto, esos y otros objetos se
consiguen con un sistema para la detección de fallos de estanqueidad
en depósitos de almacenamiento de fluidos mediante la detección de
fugas de un gas traza introducido en dicho depósito, que
comprende:
a) una cámara IR dotada de un filtro para la
toma de imágenes del exterior del depósito en una franja
predeterminada de la banda espectral en la que dicho gas traza es
ópticamente activo;
b) un computador conectado a dicha cámara IR
provisto de un "software" que permite localizar poros o
defectos de fabricación del depósito mediante la visualización de
las imágenes tomadas por la cámara o imágenes obtenidas a partir de
ellas mediante uno o más de los siguientes procesos:
- b1)
- un proceso de optimización de su contraste;
- b2)
- un proceso de comparación que permite identificar variaciones entre imágenes tomadas en momentos temporales distintos.
\vskip1.000000\baselineskip
En los métodos y sistemas según la presente
invención se puede utilizar tanto la capacidad de absorción IR como
la capacidad de emisión IR del gas traza fijando, en cada caso, las
temperaturas correspondientes para el gas traza introducido en el
depósito y para adecuar el depósito como fuente IR.
En una realización preferente de la presente
invención la detección de fugas se lleva a cabo en etapas dirigidas
específicamente a la localización de fugas grandes, fugas pequeñas y
fugas muy pequeñas o intermitentes utilizando, respectivamente, las
imágenes tomadas por la cámara IR, imágenes obtenidas aplicando a
las imágenes tomadas por la cámara IR un proceso de optimización de
contraste e imágenes obtenidas mediante un procesado temporal de las
imágenes anteriores. Se consigue con ello optimizar el proceso de
detección de las fugas utilizando medios específicos para cada tipo
de fuga.
En otra realización preferente de la presente
invención se utilizan, para la detección de fugas pequeñas, imágenes
obtenidas aplicando a las imágenes tomadas por la cámara IR un
proceso de optimización de su contraste consistente en un proceso de
control de ganancia seleccionado entre los de tipo lineal,
logarítmico, exponencial, potencia de 2, raíz cuadrada, potencia de
3 y 1/3 y con los métodos típicos de organización del rango dinámico
(RD): "RD completo" y "porcentaje seleccionable del RD".
Se facilita con ello que el usuario del sistema disponga de imágenes
apropiadas para detectar fugas en cada zona del depósito atendiendo
al nivel de resolución requerido.
En otra realización preferente de la presente
invención se utilizan, para la detección de fugas intermitentes y
fugas muy pequeñas, imágenes obtenidas mediante procesos de
comparación de imágenes de momentos temporales distintos en los que
puede seleccionar la separación temporal entre las imágenes
comparadas y el escalado de fondo de la imagen resultante de la
comparación. Se facilita con ello que el usuario del sistema
disponga de imágenes apropiadas para la detección de ese tipo de
fugas.
En otra realización preferente, el depósito de
fluidos es un depósito de combustible de una avión y el gas traza es
CO2. Se consigue con ello un método y un sistema de análisis de la
estanqueidad aplicable en un entorno como el de una planta de
montaje de aviones ya que el CO2 es un gas inocuo dado que su
posible emisión al ambiente por las eventuales fugas del depósito no
afecta a su concentración habitual más de lo que lo hacen otras
actividades habituales en dicha planta. Por su parte, no se produce
ninguna contaminación visual ya que el CO2 es un gas transparente en
el espectro visible, por lo que no afecta en ninguna medida a otros
métodos que se desarrollen en fábrica que utilicen dicha banda
espectral y, a su vez, el CO2 es un gas inerte que no mancha ni
contamina ninguna superficie o intersticio por contacto directo.
Una de las características fundamentales del
sistema objeto de la presente invención es el de ser un sistema de
imagen, incluso de visión, ya que permite detectar fenómenos
mediante el proceso de la imagen y tomar decisiones en base a
parámetros cuantitativos sobre los mismos. La otra característica
fundamental es la de que dicha imagen tiene una propiedad espectral:
no trabaja como un sistema de imagen estándar en la banda
proporcionada por el fabricante de la cámara sino que recoge sólo
señal en la banda espectral que optimiza el contraste que puede ser
cambiada en función de variables relevantes al efecto como el gas
traza utilizado, la temperatura, el escenario IR sobre el que se
trabaja. Ese es su carácter espectral: una longitud de onda
característica de optimización del contraste para optimizar la
detección de la fuga, sobre todo de las muy pequeñas.
Otras características y ventajas de la presente
invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue en
relación con las figuras que se acompañan.
La Figura 1a muestra una foto de un sector de
tanque de combustible de un avión y la Figura 1b la imagen IR
correspondiente tras un filtrado óptico.
\newpage
Las Figuras 2a y 2b muestran la imagen IR
procesada con respectivamente, "stretching" logarítmico
y "stretching" exponencial.
Las Figuras 3a y 3b muestran respectivamente la
imagen IR procesada con, respectivamente, "stretching"
lineal en modo "Rango dinámico determinado", y
"stretching" lineal en modo "90% del
RD".
Las Figuras 4a y 4b muestran dos imágenes de una
secuencia en las que se aprecia el efecto de una fuga.
La Figura 5 muestra un diagrama de bloques del
"software" utilizado en la presente invención.
La Figura 6 muestra desplegada la ventana
principal de la interfaz de dicho "software".
La Figura 7 muestra desplegada la pestaña
"Histograma de la aplicación" de la interfaz de dicho
"software".
Describiremos en primer lugar una realización
preferente de un método según la invención para el análisis de la
estanqueidad de un depósito de combustible de un avión, utilizando
la capacidad de absorción IR del gas traza.
El método comprende los siguientes pasos:
a) Se llena el depósito con CO2 como gas traza a
una presión y temperaturas predeterminadas en función del tipo de
depósito y las condiciones ambientales. Estas variables pueden ser
utilizadas para optimizar la detección, en función de las
condiciones y el tipo de fuga.
b) Al efecto de aumentar el contraste y
optimizar la detección se utiliza el propio depósito como fuente IR
activa, para ello se procede a calentarlo mediante el uso de una
fuente térmica, tal como un calentador de aire ó una lámpara IR,
hasta alcanzar una temperatura óptima para el contraste que, si bien
puede variar en función de la temperatura del entorno ó el ambiente
lumínico, se encuentra en condiciones normales entre 30ºC y 50ºC. En
la zona seleccionada para el análisis de la estanqueidad se controla
la temperatura mediante el uso de un pirómetro IR.
c) A continuación se procede a la inspección de
la zona deseada del depósito utilizando una cámara IR a la que se ha
modificado el rango espectral de detección, para optimizar el
contraste gas-fondo en la banda espectral en la que
el CO2 es ópticamente activo.
\vskip1.000000\baselineskip
Simultáneamente a la toma de imágenes, y para
fugas muy pequeñas, es aconsejable "barrer" el CO2 ambiente,
por ejemplo utilizando una pistola estándar conectada a una botella
de un gas transparente al IR, como por ejemplo N2 seco, cuyo chorro
es dirigido en la dirección del camino óptico de la medida,
evacuando así una parte importante del CO2 ambiente, lo que evitaría
el enmascaramiento de la presencia de gas traza proveniente de la
fuga, y por tanto su detección en las zonas de inspección. Además,
el movimiento del gas traza provocado por el nitrógeno favorece la
detección del gas traza, tanto en visión directa como con el
procesado temporal propuesto.
La eliminación de la interferencia del CO2
atmosférico también se puede conseguir cubriendo y sellando el área
a inspeccionar con un plástico transparente a la radiación
característica del gas traza, para poder crear una atmósfera de
nitrógeno con lo que se pueden ver con mayor claridad las fugas de
CO2.
En la realización concreta que estamos
describiendo, la toma de imágenes se realiza mediante una cámara IR
provista de un filtro óptico IR, que se acopla a la lente mediante
un portafiltros interno diseñado a tal efecto y anodizado para
evitar reflejos internos, centrado y con el ancho de banda
optimizados para la detección del gas traza, siempre en el entorno
del centro de la banda de absorción del CO2. Ambos, centrado y ancho
se determinan cuidadosamente para una detección optimizada mediante
la figura de mérito desarrollada específicamente denominada:
Diferencia relativa de Radiancia espectral detectada. En esencia,
esta figura evalúa para unas condiciones dadas de trabajo y de
depósito, la diferencia de señales ópticas (radiancia) que se
detectaría, por un detector IR, en presencia y ausencia de gas de
fuga en un entorno dado, normalizada a la señal de fondo IR en el
campo de visión de sistema. Se define en esencia como
(|\DeltaL|/L) y no tiene unidades. Optimizar el sistema
significa aumentar el valor de dicha función para los parámetros que
se pueden modificar libremente como son el ancho de banda del filtro
y su centrado que son los que van a optimizar la detección, en
particular ante pequeñas fugas.
La selección del gas traza y la determinación de
la franja de la banda espectral en la que se deben tomar las
imágenes IR es un aspecto importante de la presente invención. Hay
que tener en cuenta al respecto que se trata de realizar análisis de
estanqueidad de depósitos de fluidos y, particularmente, de
depósitos de combustible de aviones en sus plantas de fabricación,
es decir, en unos lugares en los que se llevan a cabo otras
actividades y donde existen unas determinadas condiciones
ambientales.
\newpage
En principio cualquier gas de molécula polar
sería apropiado para la presente invención en la medida que tiene
una firma infrarroja que puede ser detectada unívocamente. Ahora
bien, teniendo en cuenta las condiciones ambientales de una planta
de ensamblaje de aviones se ha seleccionado el CO2. Otro gas que
podría ser apropiado para ese tipo de condiciones ambientales,
aunque tiene algunas desventajas como un enorme efecto invernadero
(lo que limitaría su aplicación a casos especiales) es el
hexafluoruro de azufre, para el que se debería seleccionar una banda
espectral diferente en el IR térmico.
La cámara IR se monta en un trípode móvil para
garantizar la estabilidad, el posicionamiento preciso y la
flexibilidad para su movimiento durante la toma de imágenes y se
ubica en una distancia en torno a 50 cm del sector a inspeccionar,
que se encuadra seleccionando la altura y ángulo adecuados, aunque
esta distancia puede cambiar si se cambia la óptica o las
dimensiones de la zona que se desea inspeccionar.
d) Detectar la posición del poro o defecto que
produce las fugas del CO2 traza mediante la visualización de las
imágenes IR tomadas por dicha cámara IR y/o de imágenes derivadas de
ellas aplicándoles unos determinados procesos.
La detección de fugas se realiza conforme a un
procedimiento de descubrimiento de fugas que vaya de las mayores a
las menores. Esto significa que se inicia con modos rápidos y
cómodos para la detección de fugas grandes barriendo la mayor parte
del depósito a analizar, hasta modos más lentos costosos para
detectar las más pequeñas, que se circunscribirán a zonas más
restringidas del mismo, donde la experiencia y el análisis previo
hacen más probable la pequeña fuga (válvulas, juntas,
"bondings", ...).
Por lo tanto, el análisis de cada depósito se
realizará siguiendo en el orden especificado, los modos citados más
adelante, de forma que se pasaría de un modo al siguiente sólo si no
se detectan fugas mediante el mismo y, si además, se ha detectado la
existencia de fugas por los procedimientos globales, no
discriminatorios. Para ello se utiliza el procedimiento clásico de
la medida de la velocidad de caída de la presión total en el tanque
presurizado, señalado anteriormente (midiendo la velocidad de caída
de la presión global).
Un primer modo de detección y localización de
las fugas de mayor tamaño, siguiendo el método objeto de la presente
invención, es la visualización directa de la imagen IR que
suministra la cámara IR gracias al filtrado óptico espectral
realizado. La ventaja radica en la rapidez del análisis.
Ese filtrado consiste en seleccionar un
intervalo espectral del rango de trabajo de la cámara IR en el que
el gas traza seleccionado (CO2) es ópticamente activo con el fin de
aumentar la relación señal-fondo y optimizar la
detección del gas traza. Gracias a ello se permite la detección de
muchas de las fugas por visión directa de la imagen IR. Además las
características de filtrado pueden optimizarse, "sintonizando"
el filtro, tanto en centrado como en ancho de banda, en función de
las condiciones de medida, distancia, temperatura ambiente,
temperatura del gas y del fondo de escena, tamaño de la fuga ú otros
parámetros relevantes.
En la Figura 1a puede verse una foto de una zona
de un tanque de combustible situado en el ala de un avión con una
tubería de llenado y en la Figura 1b la imagen IR correspondiente
obtenida tras el filtrado óptico IR seleccionado para optimizar la
detección del gas traza (CO2). En primera aproximación y suponiendo
que la temperatura del gas expulsado por la fuga es del orden de la
ambiente, la variación del nivel digital de un píxel es proporcional
a la variación de la radiancia del punto correspondiente del fondo
de la escena multiplicado por la transmitancia del camino óptico.
Por ello la presencia extra de gas en el camino óptico debido a la
fuga modificará la radiancia, disminuyendo (si el gas escapa a
temperatura inferior o del orden de la ambiente) el nivel digital
del píxel afectado, respecto del resto. Ello proporciona un
contraste en la imagen entre los píxeles afectados por la fuga y los
que no lo están lo que, apoyado en la agudeza visual del operador,
es en muchos casos suficiente para detectar la fuga
directamente.
Un segundo modo de detección y localización de
fugas siguiendo el método objeto de la presente invención, indicado
para fugas más pequeñas conforme a lo señalado antes, es un
procesado de las imágenes IR que suministra la cámara IR en el que
se efectúa un control automático de ganancia que permite optimizar
la visualización de la secuencia de imágenes, facilitando la
detección de posibles fugas.
Como se ha señalado, la detección de la
presencia del gas traza se debe a la absorción de parte de la
energía proveniente de la fuente IR, de manera que para fugas
pequeñas la diferencia de niveles no será muy elevada. Es por ello
que se deben visualizar de forma apropiada las imágenes
proporcionadas por el dispositivo de imagen IR.
Entre los métodos de control automático de
ganancia disponibles hay que elegir el apropiado para cada caso. En
este sentido se muestran seguidamente los resultados obtenidos con
distintos métodos de "stretching" a la misma imagen de la
Figura 1a.
En la Figura 2a se muestra la imagen IR con
"stretching" logarítmico. Se puede apreciar que aparecen
representadas con mayor nitidez las zonas oscuras de la imagen
original, mientras que en las zonas claras se pierde detalle.
En la Figura 2b se muestra la imagen IR con
"stretching" exponencial, y se puede apreciar que ocurre lo
contrario ya que se potencian las zonas claras de la escena frente a
las oscuras.
En la Figura 3a se muestra la imagen IR a la que
le ha sido aplicado "stretching" lineal en modo "RD
determinado", especificando los valores mínimo y máximo del rango
de visualización. Se puede observar que se visualizan con mayor
nivel de detalle las zonas oscuras de la imagen, y que el contraste
en ciertas zonas ha aumentado con respecto de la imagen original. Se
puede apreciar un ligero movimiento en la secuencia debido a la
fuga.
En la figura 3b se muestra la imagen IR a la que
le ha sido aplicado "stretching" lineal en modo "90% del
Rango Dinámico". Nuevamente, la visualización de la fuga es muy
débil, aunque más apreciable que en la imagen IR sin control
automático de ganancia.
Esos distintos métodos de ganancia automática
pueden aplicarse a una zona seleccionada de la imagen si ello
resulta de interés.
Un tercer modo de detección y localización de
fugas, indicado para fugas que no han podido ser detectadas por los
procedimientos anteriores, siguiendo el método objeto de la presente
invención, consiste en un procesado temporal que se basa en la
detección de variaciones temporales en la imagen de referencia
causadas por el gas traza cuando se difunde en la atmósfera al salir
por una fisura o poro del tanque de combustible. Es muy efectivo
para la detección de fugas en situaciones muy desfavorables: cuando
los poros son pequeños o las fugas son intermitentes. En este método
son relevantes un primer parámetro ajustable dinámicamente que
permite resaltar la variación temporal de la imagen procesada frente
a la imagen de referencia y un segundo parámetro ajustable
dinámicamente que permite elegir la separación temporal entre la
imagen referencia y la que se va a procesar.
En las Figuras 4a y 4b se muestran dos imágenes
de una secuencia en las que se aprecia el efecto de una fuga. La
zona de la imagen donde aparece el gas traza se ve más oscura ya que
dicho gas absorbe la radiación IR. En ambas imágenes se puede
observar el efecto de un escape de gas traza a través de una fisura.
La diferente apariencia de ambas imágenes se deba a la selección en
tiempo real de diferentes parámetros de procesado y
"stretching", con el fin de optimizar la visualización
de la fuga. La segunda imagen, debido al mayor contraste, permite
detectar de manera mucho más clara la fuga, así como localizar su
origen. Por su parte, la visualización de una secuencia completa de
imágenes facilita la detección de las fugas ya que el movimiento del
gas traza se distingue claramente sobre el fondo estático de la
secuencia.
Un aspecto importante de todos los modos de
operación es determinar un buen nivel de cero del sistema, previo al
proceso de detección de fugas. El nivel de "cero" sería el
nivel digital que proporcionaría un píxel que, perteneciendo a la
escena del depósito a analizar, no esté afectado por fugas y que se
encuentre en las condiciones ambientales y distancia medias, para
ello basta con enfocal sobre una zona en que se sepa que no hay
fuga. Este nivel servirá para obtener los parámetros en que se debe
centrar inicialmente la cámara para obtener el mayor rango dinámico
posible. El nivel de cero se debe repetir cada cierto tiempo y sobre
todo si se observan cambios en las condiciones ambientales, de
observación, de fondo, etc.
\vskip1.000000\baselineskip
Describiremos seguidamente una realización
preferente del sistema objeto de la presente invención para el
análisis de la estanqueidad de un depósito de combustible de un
avión, utilizando la capacidad de absorción IR del gas traza
introducido en el depósito.
El sistema comprende:
- Una cámara IR en la banda del IR medio
(3-5 mieras) como la descrita anteriormente
optimizada espectralmente para la detección de CO2 mediante un
filtro.
- Un ordenador portátil con una unidad central
de proceso y unos dispositivos periféricos dimensionados
apropiadamente.
- Un "software" que, como se muestra en la
Figura 5, consta de tres módulos principales:
- -
- Un módulo 11 de adquisición de imágenes con un sub-módulo 13 de adquisición de imágenes IR procedentes de la cámara IR y un sub-módulo 15 de adquisición de imágenes desde un fichero.
- -
- Un módulo 21 de procesado de imágenes.
- -
- Un módulo 31 de almacenamiento de imágenes.
\vskip1.000000\baselineskip
En la realización preferente que estamos
describiendo dicho "software" ha sido desarrollado bajo la
plataforma "LABVIEW" de National Instruments, pero como bien
comprenderá el experto en la materia podría haber sido desarrollado
sobre cualquier otra.
\newpage
El "software" permite un primer modo de
funcionamiento en tiempo real en el que se adquieren, se procesan y
se visualizan las imágenes IR en tiempo real y un segundo modo en
el que se aplican las funciones mencionadas a secuencias de
imágenes IR almacenadas previamente.
El "software" tiene una interfaz visual que
permite modificar en tiempo real los parámetros de adquisición,
visualización, procesado y almacenamiento. Asimismo existen
numerosos indicadores que muestran información relevante. La
interfaz del "software" consta de varias ventanas y pestañas,
en las que se agrupan los controles e indicadores relativos a cada
funcionalidad del mismo.
En la Figura 6 se muestra desplegada la ventana
principal 41 de la aplicación que permite el control de la
adquisición, visualización, procesado y almacenamiento de imágenes
en fichero. La otra ventana 43 de Información general recoge
parámetros adicionales de configuración del "software".
La ventana principal contiene dos pantallas de
visualización donde se muestran las imágenes IR originales y las
imágenes procesadas y tres pestañas:
- Procesado 51 (desplegada en la Figura 6):
Permite seleccionar los parámetros de adquisición y procesado.
- Histograma 53: Permite visualizar el
histograma de la imagen IR original y procesada, y seleccionar los
parámetros de corrección de los píxeles erróneos.
- Grabación 55: Contiene los parámetros de
almacenamiento de la secuencia original y/o procesada en formatos
estándar, tanto sin comprimir (FUS o similar) como comprimidos (AVI,
MPEG, ó similar).
La ventana principal también contiene varios
botones de control: INICIAR/PARAR, STOP, Ayuda. Contiene asimismo
botones indicadores Saturación y ONLINE para facilitar su manejo.
Así por ejemplo, el indicador Saturación que aparece en el modo de
adquisición de cámara IR se activa si el nivel de gris de algún
píxel de la imagen supera el valor máximo seleccionado en el control
Valor máximo recibido, en la ventana de Información general.
\vskip1.000000\baselineskip
El módulo 11 de adquisición de imágenes genera
una secuencia de imágenes IR en un formato apropiado para el
procesado. Dicha secuencia puede proceder de un fichero almacenado
previamente o ser adquirido directamente de una cámara IR conectada
en tiempo real. Este módulo difiere ligeramente en ambos modos de
adquisición y sus funciones principales se explican seguidamente. En
ambos casos se debe establecer la velocidad de procesado y
visualización deseada, y se proporciona a la salida un flujo de
imágenes a la tasa especificada y en un formato adecuado para los
siguientes módulos.
Dado que el principal objetivo de sistema es la
detección de fugas mediante la visualización del gas traza, una de
las capacidades del sistema objeto de esta invención es la de variar
la velocidad de visualización para optimizar esa tarea. Si el escape
de gas a través de una fisura se produce lentamente, las variaciones
observadas en la imagen serán pequeñas, y será preferible reducir el
número de imágenes procesadas por segundo para poder apreciar la
variación en la secuencia y ayudar a la detección visual de la fuga.
Por el contrario, si se producen variaciones rápidas en la
secuencia, será necesario aumentar la tasa de adquisición para
facilitar la detección. De este modo, la velocidad del sistema se
puede ajustar en función de la velocidad de salida y del movimiento
del gas traza a través de la fuga, optimizando la visualización de
cambios por parte del observador.
Por lo tanto, un parámetro importante del
"software" que se debe seleccionar adecuadamente es la
velocidad de adquisición de la cámara en imágenes o
"frames" por segundo (fps). El "software" permite
seleccionar una tasa fps de imágenes por segundo arbitraria, de modo
que se pueda utilizar con cualquier cámara, sin limitar su velocidad
de adquisición. La velocidad final del sistema puede ser definida
específicamente dependiendo del tipo de fuga esperado, para lo que
la cámara debe contar con las prestaciones adecuadas en lo referente
a velocidad de adquisición. En ese caso, el número de imágenes
procesadas por segundo que entrega el "software", será función
de varios parámetros:
- La velocidad de suministro de imágenes de la
cámara, que es característica de la propia cámara y no puede ser
superada. Por lo que éste es un parámetro a tener en cuenta al
adquirir la cámara.
- El procesador utilizado para la ejecución del
programa y su carga computacional.
- La tasa de imágenes por segundo deseada, que
puede ser seleccionada por el usuario en función del tipo de fuga y
velocidad de salida del gas, como se ha señalado anteriormente, así
como de las condiciones de observación y luminosidad IR de la
escena. Si bien el usuario puede seleccionar una tasa de adquisición
arbitrariamente alta, si ésta supera el límite impuesto por alguno
de los parámetros anteriores, la tasa efectiva de salida disminuirá.
El usuario puede detectar esta situación observando el indicador FPS
salida, que indica la tasa real de procesado. Si ésta no alcanza la
velocidad seleccionada en el control FPS, puede ser conveniente
reducir ésta última.
\vskip1.000000\baselineskip
El "software" también puede adquirir
imágenes procedentes de ficheros sin comprimir que, en la
realización preferente que estamos describiendo son de formatos FUS
y ABMOV. El formato FUS o FTS ("Flexible Image Transport
System") es el formato seleccionado para el almacenamiento de
imágenes IR para su posterior procesado. Se trata de un formato
estándar de almacenamiento de imágenes sin compresión, con una
cabecera que incluye información de la imagen IR, y permite además
añadir campos opcionales con datos específicos de la medida, el día,
los parámetros de procesado empleados, etc. El formato ABMOV es el
formato de almacenamiento de imágenes no comprimido utilizado por la
cámara IR que se ha utilizado, y que puede ser diferente para otra
cámara.
En este modo de funcionamiento, a diferencia del
modo adquisición de cámara, aparece el control de "salto de
imagen", que permite procesar una imagen de tantas como indica el
control, con el fin de acelerar el procesado y detectar más
fácilmente variaciones lentas en la secuencia. El valor por defecto
de este control es 2.
\vskip1.000000\baselineskip
Este módulo recibe a la entrada la secuencia de
imágenes que genera el módulo 11 de adquisición, y proporciona a su
salida la secuencia de imágenes procesadas en formato FUS para su
posterior almacenamiento por el módulo 31.
En el módulo de procesado se lleva a cabo una
serie de operaciones, con el fin de optimizar la visualización de la
secuencia y facilitar la detección de fugas. A continuación se
resumen las más relevantes.
\vskip1.000000\baselineskip
El "software" permite la visualización
simultánea de la secuencia original y procesada. Para poder ver en
detalle ciertas regiones y, de este modo, poder discernir con mayor
facilidad los reflejos y posibles elementos ocultos (por ejemplo,
localizados en zonas muy oscuras o muy brillantes) de posibles
fugas, se aplica una función conocida como control automático de
ganancia, "stretching" ó adecuación del rango
dinámico.
Además, el "software" permite la adecuación
del RD a una "región de interés" (RDI) dentro de la imagen,
seleccionada a instancias del usuario cuando sospecha de la
existencia de pequeña fuga en una determinada zona, muy inferior al
área total visualizada.
El "stretching" tiene como objetivo
destacar o diferenciar con mayor claridad ciertas regiones de la
imagen. El "software" permite aplicar el control automático de
ganancia a la imagen completa o a una zona de interés seleccionada
por el usuario. Los controles de selección de los parámetros de
"stretching" aparecen en la pestaña Procesado 51 de la
ventana principal 41.
Los tipos de "stretching" que
permite aplicar el "software" que estamos describiendo son:
lineal, logarítmico, exponencial, potencia de 2, raíz cuadrada,
potencia de 3 y 1/3. El uso de uno u otro tipo viene determinado por
la región del rango dinámico que se desea visualizar con mayor
detalle. Por ejemplo, la función logaritmo potencia los valores
bajos de nivel digital frente a los altos, permitiendo un análisis
minucioso de las zonas oscuras de la imagen. Por el contrario, la
función exponencial permite discriminar con mayor nitidez en las
regiones claras de la imagen. El "stretching" lineal
pondera de igual manera valores altos y bajos de nivel digital sin
alterar la imagen de entrada.
Los métodos de "stretching" que
permite aplicar el "software" que estamos describiendo son
"RD completo", "Porcentaje seleccionable del
RD". El método de "stretching" determina la
región del rango dinámico al que se va a aplicar el control de
ganancia automática. Dado que de la cámara se obtienen imágenes con
una resolución mayor que la que es posible visualizar, el método de
"stretching" permite seleccionar la manera de adecuar a
la pantalla de visualización el rango dinámico de la imagen obtenida
de cámara, resaltando determinadas zonas de la imagen.
El método "RD completo" permite la
visualización de la imagen en todo su rango dinámico, entre sus
valores máximo y mínimo. Se trata de un método dinámico que no
permite al usuario especificar ningún parámetro relativo a la
visualización. Dado que los valores extremos de la imagen son
utilizados para determinar el rango dinámico completo de la imagen,
la presencia de píxeles anómalos con valores extremos puede afectar
negativamente la visualización. En este modo, los controles
Máx y Mín están deshabilitados e indican los valores
extremos de los píxeles de la imagen, lo cual puede ser de utilidad
para detectar la presencia de píxeles anómalos.
El método "RD determinado" es
similar al "RD completo", excepto porque permite al
usuario definir los valores mínimo y máximo del rango dinámico de
visualización. Se puede utilizar este método para aumentar el
contraste de determinadas regiones de la imagen.
El método "90% RD" elimina de manera
dinámica el 5% inferior y superior del rango dinámico de la imagen,
visualizándose por tanto el rango desde el 5 hasta el 95% de los
valores. Este método es más robusto que "RD completo" ya
que no es sensible a errores puntuales en la imagen. Se recomienda
utilizar este método si se detecta la presencia de píxeles anómalos
mediante observación del histograma de la imagen o de los
indicadores de valor máximo y mínimo. Al igual que "RD
completo", se trata de un método dinámico que no permite la
selección de los valores extremos de la visualización, sino que los
muestra en los indicadores Mín y Máx.
El método "porcentaje dado del RD"
es similar al anterior salvo por la posibilidad de seleccionar el
rango dinámico porcentual de visualización. En este caso, en los
controles Mín % y Max % se especifica el porcentaje de
píxeles de valor digital más bajo y alto respectivamente, que no se
visualizará.
El "software" permite la aplicación de
control automático de ganancia tanto a la imagen original como la
procesada de manera independiente, siendo posible seleccionar
distintos tipos y métodos de "stretching" para visualizar
ambas secuencias, ya que por lo general tendrán características
diferentes. El método utilizado por defecto es "RD
completo", tanto para la imagen original como para la
procesada.
Resulta conveniente combinar el control
automático de ganancia con la eliminación de píxeles anómalos para
optimizar la visualización de una determinada secuencia. Para ello,
puede ser interesante observar el histograma de la imagen original y
procesada, en el que se representa la frecuencia de los niveles
digitales a lo largo del rango dinámico, es decir, el número de
píxeles de cada nivel digital de la imagen. El histograma de una
imagen proporciona, por tanto, una idea intuitiva de su rango de
valores, y permite seleccionar adecuadamente el tipo y método de
"stretching" más apropiados.
La corrección de píxeles anómalos tiene como
objetivo eliminar el efecto de aquellos píxeles que, tras el
procesado y debido a las operaciones matemáticas aplicadas a la
imagen, toman valores extremos anómalos que distorsionan el rango
dinámico de la imagen, afectando gravemente la visualización.
Para detectar la existencia de estos píxeles
anómalos se debe observar el histograma de la imagen procesada y ver
si los niveles digitales se distribuyen en todo el rango dinámico
presentando la forma de una distribución gaussiana o si por el
contrario existen valores extremos. Por otro lado, también es
posible detectar dichos píxeles anómalos observando el valor máximo
y mínimo de la imagen en los indicadores Max y Mín del
cuadro de control automático de ganancia en modo "RD
completo" o "RD determinado".
En la Figura 7 se muestra la pestaña 53
Histograma de la aplicación, que permite visualizar el histograma
tanto de la imagen IR original como de la procesada. Además, en esta
pestaña se deben seleccionar los parámetros de eliminación de los
píxeles erróneos.
Como ya se ha dicho una manera alternativa de
evitar el efecto producido por estos píxeles de valores extremos
consiste en aplicar el control automático de ganancia especificando
los valores máximo y mínimo de la visualización, o el porcentaje de
píxeles eliminados en los extremos. Además, es posible seleccionar
una región de interés en la zona que se desea visualizar evitando
dicho píxel anómalo.
\vskip1.000000\baselineskip
En la imagen IR original, el valor de cada píxel
es proporcional a la radiancia detectada. El algoritmo propuesto se
basa en realizar una transformación para obtener una imagen donde el
valor de cada píxel sea proporcional a la variación de la radiancia
detectada de ese píxel en los instantes anterior y posterior.
En este sentido, un aspecto importante de la
presente invención radica en la utilización de las propiedades de
los sistemas de visión basadas en su sinergia con el operador. El
sistema objeto de la invención convierte la detección de fugas de
combustible de un depósito en la detección de ligeras variaciones de
la escena. De esta forma la detección de algo estático: poro o
defecto, se convierte en algo dinámico: gases moviéndose en su
entorno, facilitando de forma importante su detección mediante el
sistema cámara IR-operador. Con ello se potencia la
capacidad del usuario, en función de su propio entrenamiento y
experiencia, para generar habilidades que le permitan, para cada
tipo de fuga, del fondo IR y demás condiciones operativas, tomar la
decisión acerca de cuál es el valor más adecuado de los parámetros
mencionados para la detección de una pequeña fuga en una situación
dada.
\vskip1.000000\baselineskip
Este último módulo de la aplicación permite el
almacenamiento en memoria de las secuencias originales o procesadas
para su posterior visualización o reprocesado. La aplicación ofrece
diferentes opciones de almacenamiento dependiendo del modo de
operación, las cuáles se describen a continuación.
En el modo de adquisición de cámara IR se
permite almacenar en formato FITS tanto la imagen original como la
procesada. Existe una serie de parámetros que se deben seleccionar
adecuadamente antes de comenzar la grabación. La aplicación permite
iniciar la grabación en cualquier instante, y se puede configurar de
diversas maneras en función del tipo de fuga. Es posible generar una
sola secuencia continua de la longitud especificada, o por el
contrario una serie de secuencias separadas por un intervalo de
espera, lo cuál permitirá detectar fugas intermitentes sin necesidad
de almacenar un número excesivamente elevado de imágenes.
En el modo de adquisición desde fichero se
permite el almacenamiento de la secuencia procesada en los formatos
FITS, AVI o ambos de manera simultánea.
Entre las características ventajosas del método
y sistema objeto de la presente invención cabe indicar las
siguientes.
\bullet Detección y localización a distancia.
Es una medida no intrusiva que permite por métodos ópticos detectar
y localizar donde se produce una fuga.
\bullet Versatilidad en la resolución
espacial. Detección simultánea con un único sistema sensor en una
amplia zona del espacio. Dependiendo de la óptica elegida se puede
se puede conseguir desde barrer una zona amplia con baja resolución
hasta una zona pequeña con gran resolución.
\bullet Respuesta temporal instantánea. La
detección se produce en tiempo real y, además, es posible realizar
un estudio posterior de verificación y control a partir del
procesado de las imágenes previamente almacenadas.
\bullet Sistema completo transportable. El
sistema de imagen IR propuesto consta de una cámara IR de altas
prestaciones, así como un "software" instalable en un ordenador
portátil que permite el control, adquisición y procesado en tiempo
real de las imágenes procedentes de la cámara IR. Este sistema
permite su traslado y utilización fuera de fábrica.
\bullet Es un "sistema de visión"
flexible y adaptativo que posee la capacidad de incorporar a la toma
de decisiones, el entrenamiento y experiencia del usuario, para
generar habilidades que le permitan optimizar la detección para cada
tipo de fuga y en función del fondo IR y demás condiciones
operativas.
\vskip1.000000\baselineskip
Aunque la presente invención se ha descrito
enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente
que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro del alcance
de, no considerando éste como limitado por # las anteriores
realizaciones, las reivindicaciones siguientes.
Claims (9)
1. Método de análisis de la estanqueidad de un
depósito destinado al almacenamiento de fluidos,
caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
a) introducir en el depósito un gas traza a una
presión y temperatura predeterminadas;
b) tomar imágenes exteriores del depósito
mediante una cámara IR en una franja predeterminada de la banda
espectral en la que dicho gas traza es ópticamente activo;
c) localizar poros ó defectos de fabricación del
depósito a partir de las fugas de gas detectadas mediante la
visualización de dichas imágenes ó de imágenes obtenidas a partir de
ellas.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Método de análisis de la estanqueidad de un
depósito según la reivindicación 1, caracterizado porque
dicho paso c) comprende una o más de las siguientes etapas:
c1) detección de las fugas de gas de mayor
tamaño mediante la visualización directa de las imágenes tomadas por
la cámara IR;
c2) detección de las fugas de gas de menor
tamaño mediante la visualización de imágenes obtenidas sometiendo
las imágenes tomadas por la cámara IR a un proceso en el que se
optimiza su contraste;
c3) detección de fugas de gas muy pequeñas o
intermitentes mediante la visualización de las imágenes obtenidas
sometiendo las imágenes tomadas por la cámara IR a un proceso de
comparación que permite identificar variaciones temporales en las
mismas.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Método de análisis de la estanqueidad de un
depósito según la reivindicación 2, caracterizado porque el
proceso de optimización del contraste de la etapa c2) es un proceso
de control de ganancia seleccionado entre los de tipo lineal,
logarítmico, exponencial, potencia de 2, raíz cuadrada, potencia de
3 y 1/3 y los de método "Rango Dinámico completo", "RD
determinado", "90% del RD" y "RD de un porcentaje
determinado".
4. Método de análisis de la estanqueidad de un
depósito según cualquiera de las reivindicaciones
2-3, caracterizado porque el proceso de
comparación de imágenes de la etapa c3) incluye la selección de la
separación temporal entre las imágenes comparadas y del escalado de
fondo de la imagen resultante de la comparación.
5. Método de análisis de la estanqueidad de un
depósito según cualquiera de las reivindicaciones
1-4, caracterizado porque dicho paso a)
comprende una etapa de adecuación del depósito como fuente IR.
6. Sistema para analizar la estanqueidad de un
depósito destinado al almacenamiento de fluidos mediante la
detección de fugas de un gas traza introducido en dicho depósito,
caracterizado porque comprende:
a) una cámara IR dotada de un filtro para la
toma de imágenes del exterior del depósito en una franja
predeterminada de la banda espectral en la que dicho gas traza es
ópticamente activo;
b) un computador conectado a dicha cámara IR
provisto de un "software" para localizar poros o defectos de
fabricación del depósito mediante la visualización de las imágenes
tomadas por la cámara o imágenes obtenidas mediante uno o más de
los siguientes procesos:
- b1)
- un proceso de optimización de su contraste;
- b2)
- un proceso de comparación que permite identificar variaciones entre imágenes tomadas en momentos temporales distintos.
\vskip1.000000\baselineskip
7. Sistema para analizar la estanqueidad de un
depósito según la reivindicación 6, caracterizado porque
dicho depósito es un depósito de combustible de un avión.
8. Sistema para analizar la estanqueidad de un
depósito según cualquiera de las reivindicaciones
6-7, caracterizado porque dicho gas traza es
CO2.
9. Un programa de ordenador adaptado para
ejecutar el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
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