Teknologi Optik Baru Mendeteksi Kebocoran Gas Berbahaya Secara Efisien

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

Pada intinya, kamera OGI mewakili versi khusus dari kamera pencitraan inframerah atau termal. Komponen dasarnya meliputi lensa, detektor, elektronik pemrosesan sinyal, dan jendela bidik atau layar untuk tampilan gambar. Yang membedakan mereka dari kamera inframerah konvensional adalah penggunaan detektor kuantum yang peka terhadap panjang gelombang penyerapan gas tertentu, dikombinasikan dengan teknologi penyaringan optik 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). Persyaratan ini berasal dari fisika dasar: pada suhu kamar, elektron dalam bahan detektor memiliki energi yang cukup untuk melompat ke pita konduksi, membuat bahan tersebut konduktif. Ketika didinginkan hingga suhu kriogenik, elektron kehilangan mobilitas ini, membuat bahan tersebut tidak konduktif. Dalam keadaan ini, ketika foton energi tertentu mengenai detektor, mereka mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi, menghasilkan arus fotolistrik yang sebanding dengan intensitas radiasi yang masuk.

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

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

Energi foton harus melebihi energi celah pita (ΔE) bahan detektor untuk memicu transisi elektron. Karena energi foton berkorelasi terbalik dengan panjang gelombang, detektor inframerah gelombang pendek/menengah 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 pembuangan. Meskipun tidak efisien tinggi, pendingin Stirling secara memadai memenuhi persyaratan pendinginan detektor kamera inframerah.

Karena setiap detektor dalam larik bidang fokus (FPA) menunjukkan variasi kecil dalam penguatan dan offset, gambar memerlukan kalibrasi dan koreksi keseragaman. Proses kalibrasi multi-langkah ini, dilakukan secara otomatis oleh perangkat lunak kamera, memastikan keluaran pencitraan termal berkualitas tinggi.

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

Sebagian besar senyawa gas menunjukkan penyerapan inframerah yang bergantung pada 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, jadi filter yang berpusat pada panjang gelombang ini dapat mendeteksi beberapa gas. Beberapa senyawa seperti etilena menampilkan beberapa pita penyerapan yang kuat, dengan sensor gelombang panjang seringkali terbukti lebih sensitif daripada alternatif gelombang menengah untuk deteksi.

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

Kamera OGI memanfaatkan karakteristik penyerapan inframerah molekul tertentu untuk memvisualisasikannya di lingkungan alami. FPA dan sistem optik kamera disetel khusus untuk beroperasi dalam pita spektral yang sangat sempit (ratusan nanometer), memberikan selektivitas yang luar biasa. Hanya gas yang menyerap dalam wilayah inframerah yang ditentukan filter yang menjadi dapat dideteksi.

Saat memotret adegan bebas kebocoran, objek latar belakang memancarkan dan memantulkan radiasi inframerah melalui lensa dan filter kamera. Filter hanya mentransmisikan panjang gelombang tertentu ke detektor, menghasilkan gambar intensitas radiasi yang tidak dikompensasi. Jika awan gas ada di antara kamera dan latar belakang—dan menyerap radiasi dalam pita lolos filter—lebih sedikit radiasi yang mencapai detektor melalui awan.

Untuk visibilitas awan, kontras radiatif yang cukup harus ada antara awan dan latar belakang. Intinya, radiasi yang keluar dari awan harus berbeda dari yang masuk ke dalamnya. Karena pantulan radiasi molekul dari awan dapat diabaikan, faktor kritis menjadi perbedaan suhu yang jelas antara awan dan latar belakang.

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

Dengan membuat kebocoran gas yang tidak terlihat menjadi terlihat, teknologi pencitraan gas optik berkontribusi secara signifikan terhadap keselamatan industri dan perlindungan lingkungan—membantu mencegah kecelakaan, mengurangi emisi, dan menciptakan lingkungan yang lebih bersih dan aman.