大气中的甲烷
1.1 大气中的甲烷
甲烷(CH4)是大气中的痕量气体,40%通过自然来源排入大气(例如湿地),约60%的排放来自人类活动,如畜牧、水稻种植、化石燃料利用、垃圾填埋和生物质燃烧等。
2018年大气甲烷创下新高,约为十亿分之1869(ppb),目前是工业化前水平的259%。对于CH4,2017年至2018年的增长量高于2016年至2017年的观测值以及过去十年的平均值。下图中给出了大气中甲烷的一般含量以及2014年中国地表甲烷分布的模拟数据。
对于大气中的甲烷对检测的影响,可以确定一下前提:
1.大气甲烷在广域范围分布是不均匀的。
2. 大气甲烷在检测区域(几百米或更近的距离)中是均匀分布的。
式中,A是仪器的响应值;C是待测物质的浓度;a是校准曲线的截距;k是灵敏度,即校准曲线的斜率。
由此,可以得出下面的结论:
1. 一个在无甲烷环境中标定零点的仪器,可以检出大气中甲烷的浓度,以15米检测距离,2ppm的大气中甲烷浓度,仪器示数应为30ppm·m。
2. 由于使用ppm.m作为浓度单位,在越远的检测距离上,叠加的大气甲烷浓度越高,比如100米距离上,叠加的大气甲烷浓度可以达到300ppm·m。
由于大气中甲烷的实际存在并在检测区域中相对稳定,但与距离有关,仪器厂商一般会提供本底(大气中存在的甲烷浓度)滤除功能。可能是一个按键或者内部的算法处理,帮助用户过滤无需关心的浓度信息,关注泄漏区域比周边浓度高的检测事实。这就是有些仪器在没有检测到泄漏的时候示数为零的原因。
但是需要注意的是,如果一台仪器对准一个反射面不动,大气中甲烷带来的示数应该是稳定的,上下波动的数值往往是仪器的噪声。
1.2 检测中的噪声
在现实世界中,噪声是无处不在的,一台激光检测设备可以获取100米外微量的甲烷浓度,这本身就是一个在海量噪声中提取微弱信号的过程。
这些噪声的来源多样,有固有的热噪声、1/f噪声、多界面插入和反射无不均匀带来光路多径效应引入的干涉噪声等等,这里不展开描述。但是有一点是明确的,检测距离越远、检测环境越复杂,噪声越大。
以高层住宅检测为例:由于穿透玻璃检测,检测目标一般位于100米以外,设备的检测噪声水平一般在数百ppm·m左右,可以粗略的认为在这个浓度之下的检测都是不确定且不可靠的。注意,这几乎与叠加的大气甲烷含量相比拟,所以大气中的甲烷是事实存在的,但是在遥测仪的巡检环境中,它并不是一个关键的影响因素。
一台现实中的检测仪器在实际的检测环境下。近距离、检测环境好的时候,以更低的报警限,努力发现更小浓度的泄漏;而在远距离,检测条件差的时候,提高报警限,去尽可能的规避噪声和误报发现泄漏。