Teknologi Optik Baru Mendeteksi Kebocoran Gas Berbahaya Secara Efisien

Bayangkan bisa "melihat" kebocoran gas yang tidak berwarna dan tidak berbau yang bisa menimbulkan risiko lingkungan dan keselamatan.Teknologi pencitraan gas optik (OGI) memungkinkan hal ini dengan memvisualisasikan emisi gas yang tidak terlihatJauh dari fiksi ilmiah, solusi teknik canggih ini berdasarkan prinsip ilmiah yang ketat menjadi alat yang sangat diperlukan untuk keselamatan industri dan perlindungan lingkungan.

Pada intinya, kamera OGI mewakili versi yang sangat khusus dari kamera inframerah atau pencitraan termal.dan visor atau layar untuk menampilkan gambarApa yang membedakan mereka dari kamera inframerah konvensional adalah penggunaan detektor kuantum yang sensitif terhadap panjang gelombang penyerapan gas tertentu,dikombinasikan dengan teknologi penyaringan optik yang unik yang memungkinkan mereka untuk "menangkap" kebocoran gas.

Kamera OGI menggunakan detektor kuantum yang harus beroperasi pada suhu yang sangat rendah, biasanya sekitar 70 Kelvin (-203°C).elektron dalam bahan detektor memiliki energi yang cukup untuk melompat ke pita konduksiKetika didinginkan ke suhu kriogenik, elektron kehilangan mobilitas ini, membuat bahan tidak konduktif.ketika foton dengan energi spesifik menyerang detektor, mereka merangsang elektron dari band valensi ke band konduksi, menghasilkan foto arus proporsional dengan intensitas radiasi yang terjadi.

Tergantung pada gas target, kamera OGI biasanya menggunakan dua jenis detektor kuantum:

• Kamera inframerah gelombang tengah (MWIR):Digunakan untuk mendeteksi metana dan gas serupa, beroperasi dalam kisaran 3-5 mikrometer dengan detektor indium antimonide (InSb) yang membutuhkan pendinginan di bawah 173K (-100 °C).
• Kamera inframerah gelombang panjang (LWIR):Dirancang untuk gas seperti sulfur hexafluoride, yang beroperasi dalam kisaran 8-12 mikrometer menggunakan fotodetektor inframerah kuantum (QWIPs) yang membutuhkan suhu yang lebih rendah (70K/-203 °C atau di bawah).

Energi foton harus melebihi energi bandgap material detektor (ΔE) untuk memicu transisi elektron.Detektor inframerah gelombang pendek/tengah membutuhkan energi yang lebih tinggi daripada detektor gelombang panjang, menjelaskan mengapa yang terakhir membutuhkan suhu operasi yang lebih rendah.

Untuk mempertahankan lingkungan kriogenik yang diperlukan, sebagian besar kamera OGI menggunakan pendingin Stirling.Perangkat ini menggunakan siklus Stirling untuk mentransfer panas dari ujung dingin (detektor) ke ujung panas untuk disipasiMeskipun tidak sangat efisien, pendingin Stirling cukup memenuhi persyaratan pendinginan detektor kamera inframerah.

Karena setiap detektor dalam array bidang fokus (FPA) menunjukkan variasi kecil dalam gain dan offset, gambar memerlukan kalibrasi dan koreksi keseragaman.dilakukan secara otomatis oleh perangkat lunak kamera, memastikan hasil pencitraan termal berkualitas tinggi.

Kunci deteksi gas spesifik kamera OGI terletak pada pendekatan penyaringan spektral mereka.Sebuah filter pita sempit yang dipasang di depan detektor (dan didinginkan di sampingnya untuk mencegah pertukaran radiasi) hanya memungkinkan radiasi panjang gelombang tertentu untuk melewati, menciptakan pita transmisi yang sangat sempit dengan teknik yang disebut adaptasi spektral.

Sebagian besar senyawa gas menunjukkan penyerapan inframerah tergantung panjang gelombang. Misalnya, propana dan metana menunjukkan puncak penyerapan yang berbeda pada panjang gelombang tertentu.Filter kamera OGI sejajar dengan puncak penyerapan ini untuk memaksimalkan deteksi energi inframerah yang diserap oleh gas target.

Misalnya, sebagian besar hidrokarbon menyerap energi di dekat 3,3 mikrometer, sehingga filter yang berpusat pada panjang gelombang ini dapat mendeteksi beberapa gas.Beberapa senyawa seperti etilena memiliki beberapa band penyerapan yang kuat, dengan sensor gelombang panjang sering terbukti lebih sensitif daripada alternatif gelombang tengah untuk deteksi.

Dengan memilih filter yang hanya memungkinkan operasi kamera dalam panjang gelombang di mana gas target menunjukkan puncak penyerapan yang kuat (atau lembah transmisi), teknologi meningkatkan visibilitas gas.Gas secara efektif "menghalangi" lebih banyak radiasi latar belakang di wilayah spektrum ini.

Dari sudut pandang mekanik, molekul gas menyerupai bola yang dihubungkan oleh pegas. Berdasarkan jumlah atom, ukuran, massa, dan elastisitas "pegas", molekul dapat menerjemahkan, bergetar sepanjang sumbu, berputar,memutar, peregangan, atau goyah ke arah tertentu.

Molekul monatomik sederhana seperti helium hanya menunjukkan gerak translasi. Molekul diatomik homonuklear (misalnya, hidrogen, nitrogen) menambahkan gerak rotasi. Molekul poliatomik kompleks (misalnya,karbon dioksida, metana) memiliki kebebasan mekanis yang lebih besar, memungkinkan beberapa transisi rotasi dan getaran yang secara efisien menyerap dan memancarkan panas.Beberapa transisi ini berada dalam spektrum inframerah yang terdeteksi oleh kamera OGI.

Agar penyerapan foton molekuler terjadi, molekul harus memiliki momen dipol yang mampu berosilasi singkat pada frekuensi foton yang terjadi.Interaksi mekanika kuantum ini memungkinkan transfer energi elektromagnetik foton ke molekul.

Kamera OGI memanfaatkan karakteristik penyerapan inframerah molekul tertentu untuk memvisualisasikannya di lingkungan alami.FPA dan sistem optik kamera disetel khusus untuk beroperasi dalam pita spektrum yang sangat sempit (ratusan nanometer)Hanya gas yang menyerap dalam wilayah inframerah yang didefinisikan filter menjadi terdeteksi.

Saat memotret adegan bebas kebocoran, objek latar belakang memancarkan dan memantulkan radiasi inframerah melalui lensa dan filter kamera. Filter hanya mengirimkan panjang gelombang tertentu ke detektor,menghasilkan gambar intensitas radiasi yang tidak dikompensasiJika ada awan gas di antara kamera dan latar belakang dan menyerap radiasi di dalam filter, radiasi tanpa pita masuk ke detektor melalui awan.

Untuk visibilitas awan, kontras radiasi yang cukup harus ada antara awan dan latar belakang.Karena refleksi radiasi molekuler dari awan tidak penting, faktor kritis menjadi perbedaan suhu antara awan dan latar belakang.

• Gas target harus menyerap radiasi inframerah di pita operasi kamera
• Awan gas harus menunjukkan kontras radiasi dengan latar belakang
• Suhu awan yang tampak harus berbeda dari latar belakang
• Gerakan meningkatkan visibilitas awan
• Kemampuan pengukuran suhu yang dikalibrasi dengan benar membantu penilaian Delta T (perbedaan suhu yang jelas)

Dengan membuat kebocoran gas yang tak terlihat terlihat, teknologi pencitraan gas optik berkontribusi secara signifikan terhadap keselamatan industri dan perlindungan lingkungan.dan membuat lebih bersih, lingkungan yang lebih aman.