Исследователи из Национального института стандартов и технологий США (NIST) разработали новый и надежный способ точного измерения скорости, с которой газ поступает в сосуд и выходит из него. Этот метод, использующий акустические волны для определения средней температуры газа и микроволны для определения объема сосуда, может особенно хорошо измерять потоки и утечки газа из больших контейнеров.

Этот метод может позволить работникам более точно калибровать расходомеры газа, используемые в трубопроводах природного газа. Денежная стоимость природного газа в трубопроводах США в 2016 году превысила 90 миллиардов долларов, поэтому точность этих измерений является ключевой проблемой как для потребителей, так и для поставщиков природного газа.

«Мы считаем, что после усовершенствования акустическая техника может быть принята в качестве нового стандарта в NIST и, возможно, во всем мире», — сказала исследователь NIST Джоди Поуп.

Чтобы определить количество газа, вытекающего из сосуда, исследователям необходимо знать несколько величин, включая объем сосуда, давление и температуру газа.

В нынешнем методе измерения расхода газа, разработанном в NIST и в настоящее время являющемся национальным стандартом для калибровки расходомеров, рабочие определяют температуру газа, погружая сосуд в водяную баню с регулируемой температурой. Поскольку этот метод дает достаточно времени для того, чтобы температура газа пришла в равновесие с температурой водяной бани, температуру газа можно определить с высокой точностью.

Однако измерение температуры газа, вытекающего из больших емкостей, представляет проблему, поскольку емкости нельзя легко погрузить в водяную баню. Альтернативный вариант — полагаться на многочисленные датчики температуры, размещенные внутри сосуда, — может быть нецелесообразным из-за огромного количества датчиков, каждый из которых требует отдельной калибровки.

Для калибровки больших потоков газа с использованием действующего национального стандарта метрологи должны использовать стратегию самонастройки: они калибруют несколько расходомеров, которые измеряют относительно небольшие потоки и давления, а затем монтируют расходомеры параллельно для достижения больших потоков и давлений в несколько этапов, что требует до 48 калибровок. Эта процедура увеличивает стоимость и неопределенность измерений.

Новый метод использует акустические волны для определения средней температуры газа в больших сосудах. По словам Поупа, этот метод, не требующий дополнительных датчиков температуры, надежен, даже если температура газа варьируется по всему объему. Благодаря этим преимуществам этот метод может значительно сократить количество шагов в цепочке калибровки и, таким образом, уменьшить неопределенность в конечном измерении расхода.

Чтобы продемонстрировать новую технику, команда NIST установила источник звуковых волн (динамик) на одном конце цилиндрического сосуда и микрофон на противоположном конце системы. Микрофон принимает звуковые волны, которые модифицируются, а затем возвращаются в систему для усиления и усиления исходных волн.

Это устройство, известное как петля положительной обратной связи, создает самоподдерживающиеся акустические колебания на естественной или резонансной частоте газа, подобно тому, как органная труба реверберирует на определенном наборе частот. Резонансная частота зависит от скорости звука в газе, которая, в свою очередь, пропорциональна средней температуре газа. Отслеживая резонансную частоту, звуковые волны измеряют среднюю температуру газа без необходимости использования водяной бани или большого количества датчиков температуры.

Даже если температура газа в сосуде изменится, что произойдет, когда газ втекает или выходит из сосуда, способность акустической системы фиксироваться на резонансной частоте гарантирует, что мгновенная температура газа всегда будет известна. Например, когда газ выходит из сосуда , температура оставшегося газа снижается. Но поскольку резонансная частота газа уменьшается синхронно с понижением температуры, система способна регистрировать более низкую температуру.

Исследователи объединили свои точные измерения температуры с измерениями объема газа с использованием микроволн и давления газа, чтобы определить скорость потока .

Одним из преимуществ акустического метода является то, что он относительно прост, сказал исследователь Национального института стандартов и технологий Кит Гиллис (Keith Gillis). «Нет движущихся частей, единственное, что движется, — это газ».

Прежде чем акустический метод станет стандартом, исследователи должны будут протестировать его на более крупных сосудах и газовых потоках.