陳向陽，陳俊兵，謝永清，賈生堯，王先賀，李 青*

(1.中國計量大學機電工程學院，浙江 杭州 310018；2.浙江省水文地質工程地質大隊，浙江 寧波 315012)

隨著城市化進程的加速，地上資源的過度開采，人們逐漸將目光轉移到城市地下空間與海洋中，海洋將作為21 世紀資源開發(fā)的新基地。 在開發(fā)過程中，地質災害成為制約資源開采的一個不可忽略的因素。 而地下淺層天然氣是最為常見的破壞性地質災害類型[1]。 淺層氣是一種成因復雜、形式多樣的氣體，主要成分是可燃性的甲烷氣體，濃度高達90%以上。 在長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，輕則導致井壁坍塌，重則遇到明火導致劇烈爆炸，嚴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方法與裝置已經成為資源開發(fā)和工程建設的迫切需要。

從淺層氣的檢測結果上看，其檢測方式主要分為定性檢測和定量檢測兩種。 在定性檢測方法上，基于聲學技術的淺層氣原位勘測儀器是研究的熱點。 波蘭科學院的Jasniewicz 等人[4]對在波蘭南部波羅的海沉積物中收集的聲學數(shù)據進行分析，并得出甲烷在較淺的深度存在的結論。 莫斯科大學的Budnikov 等人[5]研制了基于被動聲學法的長期檢測裝置。 然而聲學探測技術只能實現(xiàn)定性的檢測，無法實現(xiàn)淺層氣中甲烷成分的定量檢測。 在定量檢測方法上，均以集氣取樣后在實驗室進行分析為主。如勘探鉆孔法[6]、膜界面探測器[7](Membrane Interface Probe，MIP)技術。 寧波軌道交通集團葉榮華等人[6]在傳統(tǒng)靜力觸探設備的基礎上，將靜探頭改進為活塞式探頭，實現(xiàn)鉆孔取氣的功能。 MIP 技術核心是一種具有一定防水功能的復合薄膜。 淺層氣與一定量的海水通過復合薄膜擴散到裝置內部的毛細管，被惰性氣體攜帶至母船，再由母船上的氣相色譜儀測量得到各種氣體成分。 國家海洋局第二海洋研究所的陳中軒等人[3]利用地質環(huán)境-孔壓靜力觸探(Membrane Interface Probe and Cone Penetration Testing，MIP-CPT)技術在東海舟山海域進行了海上試驗，識別了海底面以下30 m 內的甲烷氣體。 上述定量檢測方法都是取樣檢測，沒有實現(xiàn)原位檢測。 勘探鉆孔法收集氣樣過程復雜，而MIP 技術的復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，這極大限制了其應用的范圍和檢測精度。

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

1 淺層氣原位檢測裝置的研究與設計

1.1 裝置總體結構

對淺層氣甲烷濃度原位檢測，需要解決的問題主要有兩個。 首先是要實現(xiàn)淺層氣的提取，其次是對提取后的淺層氣甲烷濃度的檢測。 針對這兩個問題，本文研究設計了淺層氣原位檢測裝置，結構如圖1 所示。 裝置前端為錐形探頭，用于減小裝置貫入土體時的阻力。 泥水分離室側面開孔，并安裝多孔陶瓷濾除泥沙，實現(xiàn)固液分離。 進入裝置內的淺層氣與地下水經過第一層防水透氣膜過濾后，獲得淺層氣與少量水蒸汽，實現(xiàn)氣液分離。 經過第二層防水透氣膜過濾后，淺層氣進入傳感器放置室，裝置內原有氣體則通過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淺層氣中甲烷濃度。 所測數(shù)據通過信號傳輸線傳輸?shù)降孛?，由上位機可視化顯示。

圖1 裝置總體結構示意圖

1.2 泥水氣分離結構設計

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構尺寸。

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與土體發(fā)生摩擦，因此需要選用具有一定硬度的材料進行泥水分離，保證在分離過程中裝置不被磨損。 多孔陶瓷是體內存在大量彼此相通或閉合氣孔結構的新型陶瓷材料，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。 不同工藝生產的多孔陶瓷，孔徑在0.1 μm～ 500 μm 之間。 海洋的淺層土質主要可分為粉質粘土和粒狀土，包括細砂、砂質粉土等[8]。根據水利部《土工試驗規(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，因此在使用一段時間或一定次數(shù)后，需要及時更換多孔陶瓷，保證通透性。

1.2.2 氣水分離結構與材料的研究設計

在淺層氣原位檢測過程中，氣水分離結構的設計尤為重要，特別是在高水壓環(huán)境下的淺層氣檢測。隨著材料科學的發(fā)展，防水透氣膜的制作工藝與技術日漸成熟，為實現(xiàn)高水壓環(huán)境下的氣水分離提供了可能。 實現(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的吸附-擴散-解吸特征從環(huán)境向外界轉移，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構的疏水材料，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，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、藥物氣氛等與其結構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裝置[12]。但這種膜體只能針對特定的氣體使用。 考慮到淺層氣成分并不單一，使用此種膜體會影響檢測的精度。

而微孔防水透氣膜是利用氣體分子和液體大小的區(qū)別來設計微孔孔徑大小，在阻隔液體的同時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構有關。 常見的材料有聚乙烯(PE)與聚四氟乙烯(PTFE)。 當前市面上以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3 500 mbar 以上。 根據Razzaque等人[13]對不同結構PTFE 膜體的力學特性的研究發(fā)現(xiàn)，PTFE 膜體的流體靜力阻力、抗拉強度均隨著膜體織物密度的增加而增加。 織物密度越高，其結構越緊湊，靜水阻力越強。 同時，較厚的膜體具有更強的剛度。 因此可以將多層膜體疊加壓緊，在增加膜體剛度的同時，增加整體的靜水阻力和抗拉強度，以此適應高水壓的環(huán)境，如海底淺層氣的檢測。

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，設計了氣水分離結構，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的形式存在，水分子團直徑在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。再利用兩個墊片夾緊與固定防水透氣膜，同時防止裝置漏水。 膜支撐片墊在膜體壓力較小那一側，用于支撐膜體，進一步增強膜體的抗拉強度和剛度。壓緊墊片用于保護墊片不會在零件擠壓墊片過程中變形，同時使得墊片受力更均勻，獲得更好的防水效果。

圖3 氣水分離結構示意圖

1.3 甲烷傳感器的確定

裝置需要解決的第二個問題為淺層氣中甲烷濃度的檢測。 考慮到淺層氣主要成分為甲烷，且含量達90%以上，其余為二氧化碳、及少量氮氣和一氧化碳[14]。 同時裝置的體積較小，可放置傳感器的空間較小，因此需要選擇一種測量范圍廣、精度高的檢測方法，并且設計的傳感器體積越小越好。 目前對甲烷濃度的檢測方法主要有催化燃燒法、熱導法、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，熱導法與光干涉法的精度受限于氣體成分影響，NDIR 氣體檢測方法具有實時性強、測量范圍大、使用壽命長和小型化的特點，在各種氣體濃度檢測場合中廣泛使用[16]。

1.3.1 NDIR 甲烷氣體檢測原理分析

從微觀角度上看，當紅外光照射氣體時，若紅外光輻射頻率與分子中原子的振動頻率與相等，則會引起氣體分子中特定官能團或化學鍵的能級躍遷，從而使得紅外光強度減弱。 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，對應的紅外波長分別為3.31 μm或7.66 μm[17]。 由于甲烷對3.31 μm 波長的紅外光吸收能力更強，因此本裝置的甲烷傳感器采用的是3.31 μm 波長的紅外光。

當光強為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時，若其通過的光程為L，且吸收后的紅外光強度為I，其中甲烷氣體的吸收系數(shù)為K，則根據朗伯-比爾定律，吸收后的紅外光光強與氣體濃度間滿足公式:

由式(2)可知，當傳感器的結構確定，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，因此僅需測量入射光強I0和出射光強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構

基于NDIR 技術的氣體傳感器基本結構如圖4所示，主要包括調制電路、紅外光源、氣室、濾光片、紅外光強檢測器、放大濾波電路、數(shù)模轉換電路以及微控制器。 其測量過程為微控制器控制調制電路驅動紅外光源發(fā)出周期性光照。 光線進入氣室被氣體吸收后，選擇合適的濾光片讓特定波長的紅外光通過，分別進入兩個通道的紅外光強檢測器。 測量通道與參考通道的檢測器將光信號轉化為電信號輸出，經過放大濾波電路進行信號放大和噪聲濾除。數(shù)模轉換電路將電信號轉化為數(shù)字信號輸入微控制器。 微控制器通過數(shù)據線與外部通訊。

當傳感器的結構與電路確定時，測量通道與參考通道的輸出信號可由如下公式表示:

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

根據上面的公式可以推導出甲烷氣體濃度的檢測公式為:

當設計的電路參數(shù)確定，則轉換比例系數(shù)確定，僅需根據測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的理論依據。

1.3.3 卡爾曼濾波

目前選用的MK-S-HC-H 型甲烷傳感器內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量電壓的16 位ADC 采樣值和溫濕度數(shù)據。 溫濕度數(shù)據主要用于監(jiān)測工作環(huán)境是否正常，其中溫度數(shù)據根據式(6)，修正溫度變化對輸出結果的影響。 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 是溫度補償系數(shù)；T是當前測得的溫度值；T0是校準時的溫度。

根據實際讀取數(shù)據發(fā)現(xiàn)，16 位ADC 采樣值數(shù)據有一定波動，考慮是電路內部噪聲引起。 而卡爾曼濾波可以很好地從帶有噪聲的數(shù)據過程中估計狀態(tài)，其計算過程可由五個公式表述，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)，由于觀測值是直接測量得到，因此H值為1；R為觀測噪聲，可用較小隨機數(shù)替代。

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

根據上述分析設初始狀態(tài)P0為10，主通道連續(xù)采樣200 個點并進行卡爾曼濾波，濾波效果如圖5 所示。 可以看出，經過卡爾曼濾波后的數(shù)據曲線更平滑，數(shù)據抖動減小。

圖5 卡爾曼濾波前后數(shù)據對比圖

2 實驗及結果分析

2.1 裝置防水消壓性實驗與分析

考慮到裝置有可能在海洋環(huán)境下使用，當環(huán)境水壓超過膜體的水侵入壓力時，防水透氣膜會發(fā)生滲水現(xiàn)象。 因此需要驗證裝置的泥水氣分離結構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 裝置防水性能測試實驗

為驗證裝置的防水性能，設計搭建了由材質為透明UPVC 的管道組成的高約36 m 的水壓模擬裝置，其結構如圖6 所示。 所組裝的管道豎立放置在建筑樓梯間，并通過尼龍扎帶固定在樓梯扶手上。

圖6 水壓模擬裝置結構圖

進行防水性能測試實驗前，需要將組裝好的裝置下放到實驗管道的底部。 由于裝置的導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，而將導氣軟管內的數(shù)據線與電腦端連接，不斷讀取甲烷濃度、溫濕度信息，并記錄。實驗開始時，先灌入高約13 m 的水，透明管道外側做好水位的標記。 間隔時間約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，重新做好標記，重復上述過程，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水量，在保證安全情況下，計算其滲水速率。 實驗實施過程，如圖7所示。

圖7 水壓模擬實驗過程

實驗結果證明，所設計的泥水氣分離結構，可以做到15 m 水位環(huán)境下的完全防水。 同時又分別進行了16 m、26 m、36 m 水位環(huán)境下為期兩天的防水性實驗，滲水速率如表1 所示。 由表可見，隨著水位的增加，即水壓強增加，滲水速率會有一定的增加。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，因此在短期測量時，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任務。

表1 不同水位環(huán)境下的滲水速率

2.1.2 多層膜結構的消壓特性測試實驗

從上述的防水實驗可知當裝置長期處于高水壓環(huán)境時，單層的防水透氣膜會失去防水能力，但經過實驗發(fā)現(xiàn)，經過一層防水透氣膜的阻隔，水壓力會被減弱。 為了進一步研究裝置的防水特性，以及為高水壓環(huán)境下的防水透氣結構提供思路，進行了多層膜結構的消壓特性測試實驗。

取出裝置內部的傳感器與相應電路板和數(shù)據傳輸線，僅保留泥水氣分離結構和導氣軟管，并多加了一層防水透氣膜層。 各個膜層之間的腔室內放入研制的小型水壓傳感器，長度約80 mm，直徑26 mm。

實驗裝置的總體結構如圖8 所示。 其中水壓傳感器是完全密封的，數(shù)據自動存儲在內部Flash 中，等實驗結束后可以導出數(shù)據。

圖8 消壓實驗裝置結構圖

將裝置投入36 m 水深的管道內，每隔6 h 觀察導氣軟管是否進水。 一旦導氣軟管出現(xiàn)進水現(xiàn)象，說明三層防水透氣膜已經完全被滲透，立即結束實驗，并將水壓傳感器的數(shù)據導出，繪制曲線如圖9所示。

圖9 裝置內水壓變化曲線

為了便于分析圖9 中的腔室內水壓力的變化曲線，將圖8 中環(huán)境水壓設為P0，第一層膜與第二層膜構成的腔體命名為C1，腔內水壓設為P1，將第二層膜與第三層膜構成的腔體命名為C2，腔內水壓設為P2。 以P1變化曲線為例，曲線大致可以分為四個部分，對應圖9 中劃分的四個階段。 第一階段，C1內水未被注滿，P1值基本為0。 第二階段，C1被水充滿，但由于剛注滿水時P1較小，還不能突破第二層膜體，但第一層膜體兩側由于較大的水壓差，仍舊存在滲水現(xiàn)象，水不斷在C1內聚集，P1開始攀升，當P1到達一定值時，第二層膜體也開始滲水。 第三階段，由于此時存在泄壓通道，P1上升速度變慢，直到流入C1的水流速和流出C1的水流速達到平衡時，P1穩(wěn)定在一個數(shù)值。 第四階段，當C2也被水注滿時，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的變化過程重復前述P1的前三個階段。 由于整體流入量大于整體流出量，水再次在C1內聚集，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到平衡，P1、P2達到平衡狀態(tài)。

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

2.2 裝置甲烷檢測實驗與分析

為了檢驗裝置對甲烷濃度氣體濃度的精確測量能力，設計搭建了如圖10 所示的甲烷濃度檢測測試平臺。 在裝有多層膜結構的探桿的底部同時灌入高壓水和不同濃度的甲烷氣，在電腦端上位機軟件讀取并記錄甲烷濃度的變化，以濃度為0.691%的甲烷氣體測試結果為例。 從圖11 可見，從通入甲烷氣到裝置檢測出準確的甲烷濃度數(shù)值的響應時間不超過40 s，絕對誤差不超過0.019%。 因此多層膜結構對設備檢測甲烷濃度的響應時間和精度的影響均在可接受范圍之內。

圖10 甲烷濃度檢測測試平臺

圖11 0.691%甲烷濃度檢測過程

通入不同濃度的標準甲烷氣體，記錄裝置穩(wěn)定后檢測出的甲烷濃度值，每個濃度做三次實驗，避免實驗的偶然性，所得數(shù)據求均值，實驗結果如表2 所示。 根據式(12)計算測量的絕對誤差。

表2 不同濃度甲烷氣體檢測結果 單位:%

分析表中數(shù)據，最大絕對誤差為1%。 誤差產生的原因可能是甲烷氣瓶充氣過程中導致腔內壓力上升，影響了甲烷氣體的吸收系數(shù)。 但從總體的測量結果上看，誤差在可接受范圍內，達到了預期設計的功能。

2.3 裝置實地實驗與結果分析

為進一步驗證裝置的可行性，在寧波(江北)高新技術產業(yè)園建設施工區(qū)域進行實地的淺層氣檢測實驗。 通過鉆探取樣檢測方式確認其地下31 m～33 m處富含淺層氣。 本次實地實驗的測量點距離前期的鉆探點相距約15 m，鉆入深度約36 m。 現(xiàn)場實驗如圖12 所示。

實驗前先由鉆機在地表打孔，打入深度約30 m。 再將裝置與連接管拼接。 而信號傳輸線由PVC 透明軟管保護，軟管穿過各個連接桿內部的中空通道引出。 引出信號線與電腦端連接，實時檢測甲烷濃度。 最終整體長度約為36 m，緩慢下壓到測量點的孔內，觀察甲烷濃度的變化。 當裝置壓入深度約為33 m 時，開始檢測出微量的甲烷氣體，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。 在實時檢測16 h 后回收裝置，在回收過程中，仍舊保持裝置對甲烷濃度的檢測，結果發(fā)現(xiàn)回收過程中，檢測出甲烷濃度有突然上升的現(xiàn)象，在16 min 內，甲烷濃度由2%上升到2.33%。 裝置檢測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)測量點出現(xiàn)了淺層氣噴溢現(xiàn)象，如圖14 所示。 結合回收過程中甲烷濃度突然上升的現(xiàn)象，推測裝置未打入淺層氣團內，恰好卡在氣團外壁，因此僅逸出少量淺層氣。當回收裝置后，由于淺層氣團外壁被裝置鉆出小口，淺層氣開始大量噴溢，同時裝置在回收過程中檢測到甲烷濃度的突然上升。 雖然本次實地實驗因為裝置沒有打入合適的地層而沒有識別出淺層氣中真正的甲烷濃度，但是裝置仍舊檢測出了逸出的少量淺層氣，其防水性能與甲烷氣體濃度檢測性能均達到了預期。

圖14 淺層氣噴溢

3 結論

通過對檢測環(huán)境的分析和防水透氣膜原理的研究，科學合理地選擇了50 μm 的多孔陶瓷和PTFE薄膜作為泥水氣分離結構的主要材料，實現(xiàn)對環(huán)境淺層氣的有效提取。 同時通過對現(xiàn)有文獻中的甲烷濃度檢測方式的分析，確定了高精度小體積的NDIR甲烷氣體傳感器作為核心檢測裝置，同時分析了NDIR 氣體濃度檢測原理，建立了檢測模型，并對檢測數(shù)據進行卡爾曼濾波處理，減小噪聲引起的誤差。

通過搭建的模擬高水壓實驗平臺進行的防水實驗發(fā)現(xiàn)，單層膜體的防水性能有一定極限，當水壓超過一定程度時，膜體會出現(xiàn)滲水現(xiàn)象；同時當水壓升高時，其滲水速率會有一定程度上升，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。 因此在短時間檢測過程中，裝置仍可以保持較好的防水性能。 在進一步的防水透氣膜的消壓實驗中發(fā)現(xiàn)，在經過多層膜體阻礙后，水壓力會有一定程度消散，在實驗中的三層膜體結構下，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，在實驗過程中，水注滿第一個腔體需要約2 天時間，而注滿第二個腔體則需要約4 天時間，這一現(xiàn)象可以為后續(xù)在高水壓環(huán)境下實現(xiàn)較長時間檢測提供了思路。

通過實驗室模擬的甲烷濃度檢測測試，選取了各個濃度的甲烷進行實驗驗證，結果顯示裝置檢測精度高，在濃度低于5%的甲烷氣體檢測中，誤差不超過0.1%，在高濃度的甲烷氣體檢測中，誤差不超過1%，且響應時間不超過40 s。 最終本裝置在寧波高新技術產業(yè)園建設施工區(qū)，進行了連續(xù)16 h 的實地測試，雖然由于裝置沒有準確的插入淺層氣層導致沒有檢測到高濃度的甲烷氣體，但仍能準確獲取環(huán)境中游離的微量淺層氣，識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，檢測結果與現(xiàn)象符合。