淺層氣中甲烷濃度原位檢測(cè)裝置的研究與設(shè)計(jì)*

陳向陽，陳俊兵，謝永清，賈生堯，王先賀，李 青*

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，浙江 寧波 315012)

隨著城市化進(jìn)程的加速，地上資源的過度開采，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)移到城市地下空間與海洋中，海洋將作為21 世紀(jì)資源開發(fā)的新基地。 在開發(fā)過程中，地質(zhì)災(zāi)害成為制約資源開采的一個(gè)不可忽略的因素。 而地下淺層天然氣是最為常見的破壞性地質(zhì)災(zāi)害類型[1]。 淺層氣是一種成因復(fù)雜、形式多樣的氣體，主要成分是可燃性的甲烷氣體，濃度高達(dá)90%以上。 在長(zhǎng)江中下游及東南沿海地區(qū)，其埋深一般小于100 m[2]。 一方面，淺層氣噴發(fā)造成的事故屢見不鮮，輕則導(dǎo)致井壁坍塌，重則遇到明火導(dǎo)致劇烈爆炸，嚴(yán)重威脅施工人員的生命安全[3]；另一方面，由于淺層氣富含高濃度的甲烷氣體，是一種寶貴的清潔能源，因此研究淺層氣的檢測(cè)方法與裝置已經(jīng)成為資源開發(fā)和工程建設(shè)的迫切需要。

從淺層氣的檢測(cè)結(jié)果上看，其檢測(cè)方式主要分為定性檢測(cè)和定量檢測(cè)兩種。 在定性檢測(cè)方法上，基于聲學(xué)技術(shù)的淺層氣原位勘測(cè)儀器是研究的熱點(diǎn)。 波蘭科學(xué)院的Jasniewicz 等人[4]對(duì)在波蘭南部波羅的海沉積物中收集的聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并得出甲烷在較淺的深度存在的結(jié)論。 莫斯科大學(xué)的Budnikov 等人[5]研制了基于被動(dòng)聲學(xué)法的長(zhǎng)期檢測(cè)裝置。 然而聲學(xué)探測(cè)技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)定性的檢測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)淺層氣中甲烷成分的定量檢測(cè)。 在定量檢測(cè)方法上，均以集氣取樣后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析為主。如勘探鉆孔法[6]、膜界面探測(cè)器[7](Membrane Interface Probe，MIP)技術(shù)。 寧波軌道交通集團(tuán)葉榮華等人[6]在傳統(tǒng)靜力觸探設(shè)備的基礎(chǔ)上，將靜探頭改進(jìn)為活塞式探頭，實(shí)現(xiàn)鉆孔取氣的功能。 MIP 技術(shù)核心是一種具有一定防水功能的復(fù)合薄膜。 淺層氣與一定量的海水通過復(fù)合薄膜擴(kuò)散到裝置內(nèi)部的毛細(xì)管，被惰性氣體攜帶至母船，再由母船上的氣相色譜儀測(cè)量得到各種氣體成分。 國(guó)家海洋局第二海洋研究所的陳中軒等人[3]利用地質(zhì)環(huán)境-孔壓靜力觸探(Membrane Interface Probe and Cone Penetration Testing，MIP-CPT)技術(shù)在東海舟山海域進(jìn)行了海上試驗(yàn)，識(shí)別了海底面以下30 m 內(nèi)的甲烷氣體。 上述定量檢測(cè)方法都是取樣檢測(cè)，沒有實(shí)現(xiàn)原位檢測(cè)。 勘探鉆孔法收集氣樣過程復(fù)雜，而MIP 技術(shù)的復(fù)合薄膜防水性與耐磨性較差，需要頻繁更換膜體，且在集氣過程中需引入惰性氣體，這極大限制了其應(yīng)用的范圍和檢測(cè)精度。

針對(duì)以上問題，本文在原有的MIP 技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，利用多孔陶瓷和兩層防水透氣膜結(jié)構(gòu)代替MIP 中的單復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)淺層氣的提取。 在保證透氣性的同時(shí)提高了裝置的防水性能，可直接在裝置內(nèi)放置氣體傳感器，規(guī)避了引入惰性氣體進(jìn)行集氣的麻煩。 同時(shí)基于非色散紅外(Nondispersive infrared，NDIR)氣體濃度檢測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的檢測(cè)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)淺層氣甲烷濃度的原位檢測(cè)提供了必要條件。

1 淺層氣原位檢測(cè)裝置的研究與設(shè)計(jì)

1.1 裝置總體結(jié)構(gòu)

對(duì)淺層氣甲烷濃度原位檢測(cè)，需要解決的問題主要有兩個(gè)。 首先是要實(shí)現(xiàn)淺層氣的提取，其次是對(duì)提取后的淺層氣甲烷濃度的檢測(cè)。 針對(duì)這兩個(gè)問題，本文研究設(shè)計(jì)了淺層氣原位檢測(cè)裝置，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 裝置前端為錐形探頭，用于減小裝置貫入土體時(shí)的阻力。 泥水分離室側(cè)面開孔，并安裝多孔陶瓷濾除泥沙，實(shí)現(xiàn)固液分離。 進(jìn)入裝置內(nèi)的淺層氣與地下水經(jīng)過第一層防水透氣膜過濾后，獲得淺層氣與少量水蒸汽，實(shí)現(xiàn)氣液分離。 經(jīng)過第二層防水透氣膜過濾后，淺層氣進(jìn)入傳感器放置室，裝置內(nèi)原有氣體則通過PVC 軟管排出。 傳感器放置室放置非色散紅外甲烷氣體傳感器用于檢測(cè)淺層氣中甲烷濃度。 所測(cè)數(shù)據(jù)通過信號(hào)傳輸線傳輸?shù)降孛?，由上位機(jī)可視化顯示。

圖1 裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 泥水氣分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置首要解決的問題是淺層氣體的提取。 通過考慮在泥水氣分離過程中環(huán)境因素干擾、保障最終提取的氣體完整性，選擇獲取最優(yōu)的泥水氣分離材料并以此確定部件的結(jié)構(gòu)尺寸。

1.2.1 泥水分離材料的研究確定

考慮到裝置在貫入土體過程中會(huì)與土體發(fā)生摩擦，因此需要選用具有一定硬度的材料進(jìn)行泥水分離，保證在分離過程中裝置不被磨損。 多孔陶瓷是體內(nèi)存在大量彼此相通或閉合氣孔結(jié)構(gòu)的新型陶瓷材料，具有低密度，高滲透率，抗腐蝕，耐高溫及高隔熱性能等優(yōu)點(diǎn)。 不同工藝生產(chǎn)的多孔陶瓷，孔徑在0.1 μm～ 500 μm 之間。 海洋的淺層土質(zhì)主要可分為粉質(zhì)粘土和粒狀土，包括細(xì)砂、砂質(zhì)粉土等[8]。根據(jù)水利部《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237-1997)分類法，砂粒的粒徑范圍在75 μm～2000 μm 之間，粉粒的粒徑范圍在5 μm ～75 μm 之間，裝置選用的小氣孔多孔陶瓷孔徑小于50 μm，可以有效地分離細(xì)砂與大部分粉土土粒。 由于存在小部分粒徑小于50 μm 的土粒，存在多孔陶瓷堵塞的可能，因此在使用一段時(shí)間或一定次數(shù)后，需要及時(shí)更換多孔陶瓷，保證通透性。

1.2.2 氣水分離結(jié)構(gòu)與材料的研究設(shè)計(jì)

在淺層氣原位檢測(cè)過程中，氣水分離結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要，特別是在高水壓環(huán)境下的淺層氣檢測(cè)。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，防水透氣膜的制作工藝與技術(shù)日漸成熟，為實(shí)現(xiàn)高水壓環(huán)境下的氣水分離提供了可能。 實(shí)現(xiàn)防水透氣的方式有兩種，一種是采用固體親水材料，其原理如圖2(a)所示。 水蒸汽通過親水基團(tuán)的吸附-擴(kuò)散-解吸特征從環(huán)境向外界轉(zhuǎn)移，制成的膜體稱為無孔親水膜。 另一種辦法是采用具有微孔結(jié)構(gòu)的疏水材料，這些孔的直徑大小介于水滴和水蒸汽之間，提供了所需的抗水性和透氣性，其原理如圖2(b)所示[9-11]。

圖2 防水透氣膜工作原理示意圖

無孔防水透氣膜的功能與所選用的親水材料有關(guān)，目前常用的制作材料有聚氨酯(TPU)和聚酯熱塑性彈性體(TPEE)。 其通過滲吸方式可大量地透過二氧化碳、氧氣、溶劑、藥物氣氛等與其結(jié)構(gòu)分子親和的氣體分子[11]。 目前也有研究基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的淺層氣原位在線檢測(cè)裝置[12]。但這種膜體只能針對(duì)特定的氣體使用。 考慮到淺層氣成分并不單一，使用此種膜體會(huì)影響檢測(cè)的精度。

而微孔防水透氣膜是利用氣體分子和液體大小的區(qū)別來設(shè)計(jì)微孔孔徑大小，在阻隔液體的同時(shí)讓所有氣體通過膜體，一般孔徑為0.01 μm ～10 μm。其防水透氣性能與材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。 常見的材料有聚乙烯(PE)與聚四氟乙烯(PTFE)。 當(dāng)前市面上以PTFE 為防水層的透氣膜，其加工工藝使得膜體的水侵入壓力可達(dá)3 500 mbar 以上。 根據(jù)Razzaque等人[13]對(duì)不同結(jié)構(gòu)PTFE 膜體的力學(xué)特性的研究發(fā)現(xiàn)，PTFE 膜體的流體靜力阻力、抗拉強(qiáng)度均隨著膜體織物密度的增加而增加。 織物密度越高，其結(jié)構(gòu)越緊湊，靜水阻力越強(qiáng)。 同時(shí)，較厚的膜體具有更強(qiáng)的剛度。 因此可以將多層膜體疊加壓緊，在增加膜體剛度的同時(shí)，增加整體的靜水阻力和抗拉強(qiáng)度，以此適應(yīng)高水壓的環(huán)境，如海底淺層氣的檢測(cè)。

為了提取出原始的淺層氣體，本裝置以PTFE防水透氣薄膜為核心，設(shè)計(jì)了氣水分離結(jié)構(gòu)，如圖3所示。 由于甲烷氣體分子的直徑為0.38nm，液態(tài)水中水分子以水分子團(tuán)的形式存在，水分子團(tuán)直徑在200 μm ～400 μm 之間，而本裝置所選用的PTFE 防水透氣膜的微孔直徑在0.1 μm ～0.5 μm 之間，因此能有效分離甲烷與液態(tài)水。 且所選的防水透氣膜在恒定70 mbar 壓力差下，透氣量為0.3 L/min/cm2，且水侵入壓力為3 500 mbar。 為了進(jìn)一步提高膜體靜水阻力，將四片PTFE 薄膜壓緊組成防水透氣膜。再利用兩個(gè)墊片夾緊與固定防水透氣膜，同時(shí)防止裝置漏水。 膜支撐片墊在膜體壓力較小那一側(cè)，用于支撐膜體，進(jìn)一步增強(qiáng)膜體的抗拉強(qiáng)度和剛度。壓緊墊片用于保護(hù)墊片不會(huì)在零件擠壓墊片過程中變形，同時(shí)使得墊片受力更均勻，獲得更好的防水效果。

圖3 氣水分離結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 甲烷傳感器的確定

裝置需要解決的第二個(gè)問題為淺層氣中甲烷濃度的檢測(cè)。 考慮到淺層氣主要成分為甲烷，且含量達(dá)90%以上，其余為二氧化碳、及少量氮?dú)夂鸵谎趸糩14]。 同時(shí)裝置的體積較小，可放置傳感器的空間較小，因此需要選擇一種測(cè)量范圍廣、精度高的檢測(cè)方法，并且設(shè)計(jì)的傳感器體積越小越好。 目前對(duì)甲烷濃度的檢測(cè)方法主要有催化燃燒法、熱導(dǎo)法、光干涉法以及非色散紅外吸收法[15]。 其中催化燃燒法僅適用于低濃度的甲烷氣體檢測(cè)，熱導(dǎo)法與光干涉法的精度受限于氣體成分影響，NDIR 氣體檢測(cè)方法具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、測(cè)量范圍大、使用壽命長(zhǎng)和小型化的特點(diǎn)，在各種氣體濃度檢測(cè)場(chǎng)合中廣泛使用[16]。

1.3.1 NDIR 甲烷氣體檢測(cè)原理分析

從微觀角度上看，當(dāng)紅外光照射氣體時(shí)，若紅外光輻射頻率與分子中原子的振動(dòng)頻率與相等，則會(huì)引起氣體分子中特定官能團(tuán)或化學(xué)鍵的能級(jí)躍遷，從而使得紅外光強(qiáng)度減弱。 而不同氣體在紅外譜圖上有不同位置的特征吸收峰，其中甲烷的紅外光譜吸收帶有兩個(gè)，對(duì)應(yīng)的紅外波長(zhǎng)分別為3.31 μm或7.66 μm[17]。 由于甲烷對(duì)3.31 μm 波長(zhǎng)的紅外光吸收能力更強(qiáng)，因此本裝置的甲烷傳感器采用的是3.31 μm 波長(zhǎng)的紅外光。

當(dāng)光強(qiáng)為I0的紅外光射入含有甲烷濃度為C的均勻混合氣的氣室內(nèi)時(shí)，若其通過的光程為L(zhǎng)，且吸收后的紅外光強(qiáng)度為I，其中甲烷氣體的吸收系數(shù)為K，則根據(jù)朗伯-比爾定律，吸收后的紅外光光強(qiáng)與氣體濃度間滿足公式:

由式(2)可知，當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定，光程L是固定的，在不考慮溫濕度的影響下，吸收系數(shù)K也是不變的，因此僅需測(cè)量入射光強(qiáng)I0和出射光強(qiáng)I即可算得甲烷氣體的濃度。

1.3.2 NDIR 甲烷氣體傳感器的結(jié)構(gòu)

基于NDIR 技術(shù)的氣體傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括調(diào)制電路、紅外光源、氣室、濾光片、紅外光強(qiáng)檢測(cè)器、放大濾波電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及微控制器。 其測(cè)量過程為微控制器控制調(diào)制電路驅(qū)動(dòng)紅外光源發(fā)出周期性光照。 光線進(jìn)入氣室被氣體吸收后，選擇合適的濾光片讓特定波長(zhǎng)的紅外光通過，分別進(jìn)入兩個(gè)通道的紅外光強(qiáng)檢測(cè)器。 測(cè)量通道與參考通道的檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，經(jīng)過放大濾波電路進(jìn)行信號(hào)放大和噪聲濾除。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入微控制器。 微控制器通過數(shù)據(jù)線與外部通訊。

當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)與電路確定時(shí)，測(cè)量通道與參考通道的輸出信號(hào)可由如下公式表示:

式中:V1是測(cè)量通道輸出電壓，V2是參考通道輸出電壓，n1是出射光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，n2是入射光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換比例系數(shù)。

根據(jù)上面的公式可以推導(dǎo)出甲烷氣體濃度的檢測(cè)公式為:

當(dāng)設(shè)計(jì)的電路參數(shù)確定，則轉(zhuǎn)換比例系數(shù)確定，僅需根據(jù)測(cè)量得到的兩路輸出電壓，即可算得甲烷氣體濃度。 因此，可將式(5)作為甲烷氣體濃度檢測(cè)的理論依據(jù)。

1.3.3 卡爾曼濾波

目前選用的MK-S-HC-H 型甲烷傳感器內(nèi)部帶有溫濕度傳感器，通過串口通訊方式，可以直接讀取兩路測(cè)量電壓的16 位ADC 采樣值和溫濕度數(shù)據(jù)。 溫濕度數(shù)據(jù)主要用于監(jiān)測(cè)工作環(huán)境是否正常，其中溫度數(shù)據(jù)根據(jù)式(6)，修正溫度變化對(duì)輸出結(jié)果的影響。 式中，Ccomp是修正后的氣體濃度值；C 是修正前的氣體濃度值；beta 是溫度補(bǔ)償系數(shù)；T是當(dāng)前測(cè)得的溫度值；T0是校準(zhǔn)時(shí)的溫度。

根據(jù)實(shí)際讀取數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，16 位ADC 采樣值數(shù)據(jù)有一定波動(dòng)，考慮是電路內(nèi)部噪聲引起。 而卡爾曼濾波可以很好地從帶有噪聲的數(shù)據(jù)過程中估計(jì)狀態(tài)，其計(jì)算過程可由五個(gè)公式表述，如下:

式中:Kt是卡爾曼增益；H在單輸入單輸出系統(tǒng)中為常系數(shù)，由于觀測(cè)值是直接測(cè)量得到，因此H值為1；R為觀測(cè)噪聲，可用較小隨機(jī)數(shù)替代。

式中:Pt為當(dāng)前時(shí)刻的誤差協(xié)方差，I為單位矩陣，單輸入單輸出系統(tǒng)中值為1。

根據(jù)上述分析設(shè)初始狀態(tài)P0為10，主通道連續(xù)采樣200 個(gè)點(diǎn)并進(jìn)行卡爾曼濾波，濾波效果如圖5 所示。 可以看出，經(jīng)過卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)曲線更平滑，數(shù)據(jù)抖動(dòng)減小。

圖5 卡爾曼濾波前后數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 裝置防水消壓性實(shí)驗(yàn)與分析

考慮到裝置有可能在海洋環(huán)境下使用，當(dāng)環(huán)境水壓超過膜體的水侵入壓力時(shí)，防水透氣膜會(huì)發(fā)生滲水現(xiàn)象。 因此需要驗(yàn)證裝置的泥水氣分離結(jié)構(gòu)的防水性能和高水壓環(huán)境下防水透氣膜的消壓特性。

2.1.1 裝置防水性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證裝置的防水性能，設(shè)計(jì)搭建了由材質(zhì)為透明UPVC 的管道組成的高約36 m 的水壓模擬裝置，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。 所組裝的管道豎立放置在建筑樓梯間，并通過尼龍?jiān)鷰Ч潭ㄔ跇翘莘鍪稚稀?/p>

圖6 水壓模擬裝置結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)行防水性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)前，需要將組裝好的裝置下放到實(shí)驗(yàn)管道的底部。 由于裝置的導(dǎo)氣軟管與探頭是通過防水密封接頭連接，不適合拉拽，以免軟管脫離探頭。 因此先將直徑約6 mm，長(zhǎng)約45 m 的尼龍繩一端與組裝好的裝置固定。 通過尼龍繩將裝置下放到管道底部，而將導(dǎo)氣軟管內(nèi)的數(shù)據(jù)線與電腦端連接，不斷讀取甲烷濃度、溫濕度信息，并記錄。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先灌入高約13 m 的水，透明管道外側(cè)做好水位的標(biāo)記。 間隔時(shí)間約6 h 去查看一下水位的變化，若水位沒有明顯下降，說明此水位下，防水透氣膜防水性能良好。 加灌高約1 m 的水，重新做好標(biāo)記，重復(fù)上述過程，直到水位出現(xiàn)較明顯的變化，估算突破第一層防水透氣膜的進(jìn)水量，在保證安全情況下，計(jì)算其滲水速率。 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程，如圖7所示。

圖7 水壓模擬實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)的泥水氣分離結(jié)構(gòu)，可以做到15 m 水位環(huán)境下的完全防水。 同時(shí)又分別進(jìn)行了16 m、26 m、36 m 水位環(huán)境下為期兩天的防水性實(shí)驗(yàn)，滲水速率如表1 所示。 由表可見，隨著水位的增加，即水壓強(qiáng)增加，滲水速率會(huì)有一定的增加。雖然高水壓環(huán)境下裝置不能完全防水，但從表中可見，其滲水速率是很慢的，因此在短期測(cè)量時(shí)，只要保證水不滲過第二層防水透氣膜，裝置依舊可以完成檢測(cè)任務(wù)。

表1 不同水位環(huán)境下的滲水速率

2.1.2 多層膜結(jié)構(gòu)的消壓特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

從上述的防水實(shí)驗(yàn)可知當(dāng)裝置長(zhǎng)期處于高水壓環(huán)境時(shí)，單層的防水透氣膜會(huì)失去防水能力，但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一層防水透氣膜的阻隔，水壓力會(huì)被減弱。 為了進(jìn)一步研究裝置的防水特性，以及為高水壓環(huán)境下的防水透氣結(jié)構(gòu)提供思路，進(jìn)行了多層膜結(jié)構(gòu)的消壓特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

取出裝置內(nèi)部的傳感器與相應(yīng)電路板和數(shù)據(jù)傳輸線，僅保留泥水氣分離結(jié)構(gòu)和導(dǎo)氣軟管，并多加了一層防水透氣膜層。 各個(gè)膜層之間的腔室內(nèi)放入研制的小型水壓傳感器，長(zhǎng)度約80 mm，直徑26 mm。

實(shí)驗(yàn)裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。 其中水壓傳感器是完全密封的，數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在內(nèi)部Flash 中，等實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

圖8 消壓實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

將裝置投入36 m 水深的管道內(nèi)，每隔6 h 觀察導(dǎo)氣軟管是否進(jìn)水。 一旦導(dǎo)氣軟管出現(xiàn)進(jìn)水現(xiàn)象，說明三層防水透氣膜已經(jīng)完全被滲透，立即結(jié)束實(shí)驗(yàn)，并將水壓傳感器的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，繪制曲線如圖9所示。

圖9 裝置內(nèi)水壓變化曲線

為了便于分析圖9 中的腔室內(nèi)水壓力的變化曲線，將圖8 中環(huán)境水壓設(shè)為P0，第一層膜與第二層膜構(gòu)成的腔體命名為C1，腔內(nèi)水壓設(shè)為P1，將第二層膜與第三層膜構(gòu)成的腔體命名為C2，腔內(nèi)水壓設(shè)為P2。 以P1變化曲線為例，曲線大致可以分為四個(gè)部分，對(duì)應(yīng)圖9 中劃分的四個(gè)階段。 第一階段，C1內(nèi)水未被注滿，P1值基本為0。 第二階段，C1被水充滿，但由于剛注滿水時(shí)P1較小，還不能突破第二層膜體，但第一層膜體兩側(cè)由于較大的水壓差，仍舊存在滲水現(xiàn)象，水不斷在C1內(nèi)聚集，P1開始攀升，當(dāng)P1到達(dá)一定值時(shí)，第二層膜體也開始滲水。 第三階段，由于此時(shí)存在泄壓通道，P1上升速度變慢，直到流入C1的水流速和流出C1的水流速達(dá)到平衡時(shí)，P1穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值。 第四階段，當(dāng)C2也被水注滿時(shí)，由于第三層膜體的阻隔，流出C1的流速變小，破壞了平衡狀態(tài)，P2的變化過程重復(fù)前述P1的前三個(gè)階段。 由于整體流入量大于整體流出量，水再次在C1內(nèi)聚集，P1開始攀升，降低流入C1的流速，使得整體的流入流出量再次達(dá)到平衡，P1、P2達(dá)到平衡狀態(tài)。

從圖9 中曲線可以得出兩個(gè)結(jié)論。 第一，多層膜結(jié)構(gòu)可以降低滲水速度。 從P1、P2的變化曲線可發(fā)現(xiàn)，灌滿C1需要約2d時(shí)間，而灌滿C2需要約4 d的時(shí)間。 第二，多層膜結(jié)構(gòu)具有一定消散水壓的作用。 當(dāng)P1、P2最終穩(wěn)定時(shí)，各膜層間壓力差約為23 kPa。 因此理論上，當(dāng)層數(shù)足夠多的時(shí)候，可以做到完全防水。

2.2 裝置甲烷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與分析

為了檢驗(yàn)裝置對(duì)甲烷濃度氣體濃度的精確測(cè)量能力，設(shè)計(jì)搭建了如圖10 所示的甲烷濃度檢測(cè)測(cè)試平臺(tái)。 在裝有多層膜結(jié)構(gòu)的探桿的底部同時(shí)灌入高壓水和不同濃度的甲烷氣，在電腦端上位機(jī)軟件讀取并記錄甲烷濃度的變化，以濃度為0.691%的甲烷氣體測(cè)試結(jié)果為例。 從圖11 可見，從通入甲烷氣到裝置檢測(cè)出準(zhǔn)確的甲烷濃度數(shù)值的響應(yīng)時(shí)間不超過40 s，絕對(duì)誤差不超過0.019%。 因此多層膜結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)備檢測(cè)甲烷濃度的響應(yīng)時(shí)間和精度的影響均在可接受范圍之內(nèi)。

圖10 甲烷濃度檢測(cè)測(cè)試平臺(tái)

圖11 0.691%甲烷濃度檢測(cè)過程

通入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體，記錄裝置穩(wěn)定后檢測(cè)出的甲烷濃度值，每個(gè)濃度做三次實(shí)驗(yàn)，避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，所得數(shù)據(jù)求均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。 根據(jù)式(12)計(jì)算測(cè)量的絕對(duì)誤差。

表2 不同濃度甲烷氣體檢測(cè)結(jié)果 單位:%

分析表中數(shù)據(jù)，最大絕對(duì)誤差為1%。 誤差產(chǎn)生的原因可能是甲烷氣瓶充氣過程中導(dǎo)致腔內(nèi)壓力上升，影響了甲烷氣體的吸收系數(shù)。 但從總體的測(cè)量結(jié)果上看，誤差在可接受范圍內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的功能。

2.3 裝置實(shí)地實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證裝置的可行性，在寧波(江北)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園建設(shè)施工區(qū)域進(jìn)行實(shí)地的淺層氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。 通過鉆探取樣檢測(cè)方式確認(rèn)其地下31 m～33 m處富含淺層氣。 本次實(shí)地實(shí)驗(yàn)的測(cè)量點(diǎn)距離前期的鉆探點(diǎn)相距約15 m，鉆入深度約36 m。 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)如圖12 所示。

實(shí)驗(yàn)前先由鉆機(jī)在地表打孔，打入深度約30 m。 再將裝置與連接管拼接。 而信號(hào)傳輸線由PVC 透明軟管保護(hù)，軟管穿過各個(gè)連接桿內(nèi)部的中空通道引出。 引出信號(hào)線與電腦端連接，實(shí)時(shí)檢測(cè)甲烷濃度。 最終整體長(zhǎng)度約為36 m，緩慢下壓到測(cè)量點(diǎn)的孔內(nèi)，觀察甲烷濃度的變化。 當(dāng)裝置壓入深度約為33 m 時(shí)，開始檢測(cè)出微量的甲烷氣體，且甲烷濃度緩慢上升，繼續(xù)壓入裝置到地下深度約36 m處，檢測(cè)出甲烷濃度持續(xù)緩慢上升，但洞口并未發(fā)現(xiàn)淺層氣噴溢現(xiàn)象。 在實(shí)時(shí)檢測(cè)16 h 后回收裝置，在回收過程中，仍舊保持裝置對(duì)甲烷濃度的檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)回收過程中，檢測(cè)出甲烷濃度有突然上升的現(xiàn)象，在16 min 內(nèi)，甲烷濃度由2%上升到2.33%。 裝置檢測(cè)的甲烷濃度變化如圖13 所示。

圖13 回收過程中甲烷濃度變化

而在回收完裝置約1 min 后，發(fā)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)出現(xiàn)了淺層氣噴溢現(xiàn)象，如圖14 所示。 結(jié)合回收過程中甲烷濃度突然上升的現(xiàn)象，推測(cè)裝置未打入淺層氣團(tuán)內(nèi)，恰好卡在氣團(tuán)外壁，因此僅逸出少量淺層氣。當(dāng)回收裝置后，由于淺層氣團(tuán)外壁被裝置鉆出小口，淺層氣開始大量噴溢，同時(shí)裝置在回收過程中檢測(cè)到甲烷濃度的突然上升。 雖然本次實(shí)地實(shí)驗(yàn)因?yàn)檠b置沒有打入合適的地層而沒有識(shí)別出淺層氣中真正的甲烷濃度，但是裝置仍舊檢測(cè)出了逸出的少量淺層氣，其防水性能與甲烷氣體濃度檢測(cè)性能均達(dá)到了預(yù)期。

圖14 淺層氣噴溢

3 結(jié)論

通過對(duì)檢測(cè)環(huán)境的分析和防水透氣膜原理的研究，科學(xué)合理地選擇了50 μm 的多孔陶瓷和PTFE薄膜作為泥水氣分離結(jié)構(gòu)的主要材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境淺層氣的有效提取。 同時(shí)通過對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中的甲烷濃度檢測(cè)方式的分析，確定了高精度小體積的NDIR甲烷氣體傳感器作為核心檢測(cè)裝置，同時(shí)分析了NDIR 氣體濃度檢測(cè)原理，建立了檢測(cè)模型，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波處理，減小噪聲引起的誤差。

通過搭建的模擬高水壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行的防水實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單層膜體的防水性能有一定極限，當(dāng)水壓超過一定程度時(shí)，膜體會(huì)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象；同時(shí)當(dāng)水壓升高時(shí)，其滲水速率會(huì)有一定程度上升，但其滲水速率總體較慢，在36 m 水位條件下，其滲水速率為29.56 mL/d。 因此在短時(shí)間檢測(cè)過程中，裝置仍可以保持較好的防水性能。 在進(jìn)一步的防水透氣膜的消壓實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過多層膜體阻礙后，水壓力會(huì)有一定程度消散，在實(shí)驗(yàn)中的三層膜體結(jié)構(gòu)下，每突破一層膜體，水壓力被削弱23 kPa。 其次多層膜體可以減小整體的滲水速率，在實(shí)驗(yàn)過程中，水注滿第一個(gè)腔體需要約2 天時(shí)間，而注滿第二個(gè)腔體則需要約4 天時(shí)間，這一現(xiàn)象可以為后續(xù)在高水壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)提供了思路。

通過實(shí)驗(yàn)室模擬的甲烷濃度檢測(cè)測(cè)試，選取了各個(gè)濃度的甲烷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示裝置檢測(cè)精度高，在濃度低于5%的甲烷氣體檢測(cè)中，誤差不超過0.1%，在高濃度的甲烷氣體檢測(cè)中，誤差不超過1%，且響應(yīng)時(shí)間不超過40 s。 最終本裝置在寧波高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園建設(shè)施工區(qū)，進(jìn)行了連續(xù)16 h 的實(shí)地測(cè)試，雖然由于裝置沒有準(zhǔn)確的插入淺層氣層導(dǎo)致沒有檢測(cè)到高濃度的甲烷氣體，但仍能準(zhǔn)確獲取環(huán)境中游離的微量淺層氣，識(shí)別出其中的甲烷氣體。在裝置回收過程中，發(fā)現(xiàn)了甲烷濃度的較快上升，之后便發(fā)現(xiàn)了淺層氣的噴溢現(xiàn)象，檢測(cè)結(jié)果與現(xiàn)象符合。