HITRAN数据库在甲烷检测仪开发中的应用

　　引言

　　随着我国经济的高速发展, 对能源的需求日益增大, 作为主要能源资源之一的煤炭, 其开采规模也随之不断扩大, 开采深度的不断延伸。煤层瓦斯涌出量越来越大, 高瓦斯矿井越来越多, 安全上的隐患也越来越多。据国家安全生产监督管理总局的统计数据, 我国煤炭安全事故中, 瓦斯事故占15%左右, 造成的死亡人数占全部煤炭事故总死亡人数的30%左右, 特大煤矿事故( 死亡人数大于 10) 中, 瓦斯事故占 70%左右, 由这些的数据我们可以知道瓦斯灾害目前已成为制约煤矿安全生产的主要因素。开发一种煤矿瓦斯实时监测便携仪器, 可以对煤矿安全生产进行有效监管, 预防和减少安全生产事故的发生。

　　目前甲烷气体测量的主要方法有三种: 载体催化传感, 气相色谱检测, 光谱吸收法。与其它方法相比较, 光谱吸收法有测量范围宽、灵敏度高、选择性良好、不中毒、寿命长, 能适应恶劣环境等一系列优点, 目前受到越来越多人的关注, 具有良好的发展前景。

　　实现光谱吸收检测的基础是对气体的光谱吸收特性要有一个全面的了解, 本文探讨使用 HITRAN 数据选择最佳检测的谱区。

　　1 基本原理

　　光谱法通过检测经过样气后的透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度。每种气体分子都有自己的吸收或辐射谱特征, 光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收, 吸收后的光强将发生变化。气体吸收的基本原理为, Beer-Lambert 定律, 在不考虑散射的情况下可以表示为:

式中I 为光通过气体的透射光强; I0为入射气体前的光强; α(λ) 是在标准气体状态下, 与波长有关的气体碰撞展宽吸收光谱的分子吸收系数; C 为气体浓度; L 为通过气体的总光程。

　　不同的分子具有不同的特征 α(λ), 由式( 1) 可知, 当一束光通过某一气体样品时,气体样品将吸收某些特定波长的光,精确地测量气体样品吸收的光能量,利用 Beer- Lambert 定律就可以反演出该种气体样品的浓度。所以进行气体检测时, 波长的选择是至关重要的。

　　2 HITRAN 数据库

　　2.1 简介

　　HITRAN 数据库 (high- resolution transmission molecular ab-sorption database, 高分辨率分子透射吸收数据库)是由美国空军地球物理实验室于 20 世纪 60 年代晚期, 为了军事目的研究大气红外特性需要开发的, 1973 年对外开放该项成果。此后在大气微量气体弱吸收研究, 气体遥感测量, 激光传输研究, 雷达等诸多领域有广泛的应用。它由39 种分子谱线的光谱参数组成的数据库和基于这些参数的仿真软件 HAWKS (HITRAN Atmospheric Workstation)两部分组成, 使用该数据库和软件, 能够准确的模拟光在大气中的发射与传输。