Theo bài đăng ở tạp chí NIST. Ngày 31 tháng 03 năm 2023.
Các nhà nghiên cứu tại NIST đã phát triển một cách mới – và âm thanh – để đo chính xác tốc độ khí chảy vào và ra khỏi bể chứa. Kỹ thuật này, sử dụng sóng âm để xác định nhiệt độ trung bình của khí và vi sóng để xác định thể tích của bể chứa. Phương pháp này có thể cho phép công nhân hiệu chuẩn chính xác hơn các đồng hồ đo lưu lượng khí được sử dụng trong đường ống dẫn khí đốt tự nhiên.
Giá trị của khí đốt tự nhiên trong các đường ống của Hoa Kỳ đã vượt quá 90 tỷ đô la trong năm 2016, vì vậy độ chính xác của các phép đo này là mối quan tâm chính đối với cả người tiêu dùng và nhà cung cấp khí đốt tự nhiên. “Chúng tôi tin rằng kỹ thuật âm thanh, một khi được hoàn thiện, có thể được áp dụng như một tiêu chuẩn mới tại NIST và có khả năng trên toàn thế giới”, nhà nghiên cứu Jodie Pope của NIST cho biết. Trong một phương pháp mới để đo lưu lượng khí, các nhà nghiên cứu NIST đã theo dõi nhiệt độ thay đổi của khí bằng sóng âm. Một loa được đặt ở một đầu của buồng chứa đầy khí sẽ gửi sóng âm thanh qua khí để tạo thành sóng đứng, hoặc sóng cộng hưởng, được phát hiện bởi micrô. Khi khí thoát ra khỏi tàu, khí còn lại nguội đi, được phát hiện bởi sự thay đổi tần số cộng hưởng của sóng âm. Để xác định lượng khí chảy ra khỏi tàu, các nhà nghiên cứu cần biết một số đại lượng, bao gồm thể tích của tàu và áp suất và nhiệt độ của khí.
Trong phương pháp đo lưu lượng khí hiện tại, được phát triển tại NIST và hiện là tiêu chuẩn quốc gia để hiệu chuẩn đồng hồ đo lưu lượng, công nhân xác định nhiệt độ của khí bằng cách nhấn chìm bể cần đo trong bể nước được kiểm soát nhiệt độ. Bởi vì kỹ thuật này cần đủ thời gian để nhiệt độ của khí đạt đến trạng thái cân bằng với nhiệt độ của bể nước, nhiệt độ khí có thể được xác định với độ chính xác cao.
Tuy nhiên, việc đo nhiệt độ khí chảy từ các bể lớn đặt ra một vấn đề vì các thùng chứa không thể dễ dàng chìm trong bồn nước. Một giải pháp thay thế – dựa vào nhiều cảm biến nhiệt độ được đặt bên trong bể – có thể không thực tế do số lượng cảm biến có hạn và mỗi cảm biến sẽ yêu cầu việc hiệu chuẩn riêng.
Để hiệu chỉnh lưu lượng khí lớn bằng cách sử dụng tiêu chuẩn quốc gia hiện tại, các nhà đo lường phải sử dụng chiến lược “nối dài”: Họ hiệu chuẩn nhiều đồng hồ đo lưu lượng đo lưu lượng và áp suất tương đối nhỏ, sau đó gắn song song các đồng hồ đo để đạt được lưu lượng và áp suất lớn hơn trong nhiều bước đòi hỏi tới 48 quy trình hiệu chuẩn. Quy trình này tăng cao cả chi phí và độ không chắc chắn cho các phép đo.
Phương pháp mới sử dụng sóng âm để xác định nhiệt độ khí trung bình trong các bể lớn. Kỹ thuật này, không đòi hỏi thêm cảm biến nhiệt độ, là đáng tin cậy ngay cả khi nhiệt độ thay đổi theo thể tích của khí, Pope nói. Do những ưu điểm này, kỹ thuật này có thể làm giảm đáng kể số bước trong chuỗi hiệu chuẩn và do đó làm giảm độ không chắc chắn trong phép đo lưu lượng cuối cùng.
Để chứng minh kỹ thuật mới, nhóm NIST đã gắn một nguồn sóng âm thanh (loa) ở một đầu của bình hình trụ và micrô ở đầu đối diện của hệ thống. Micrô nhận sóng âm thanh, được sửa đổi và sau đó được đưa trở lại hệ thống để củng cố và tăng cường sóng nguồn.
Sự sắp xếp này, được gọi là vòng phản hồi tích cực, tạo ra dao động âm thanh tự duy trì ở tần số tự nhiên hoặc cộng hưởng của khí, giống như cách một ống cơ quan vang dội ở các tần số cụ thể. Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào tốc độ âm thanh trong khí, do đó tỷ lệ thuận với nhiệt độ trung bình của khí. Bằng cách theo dõi tần số cộng hưởng, sóng âm thanh đo nhiệt độ trung bình của khí – mà không cần tắm nước hoặc một số lượng lớn cảm biến nhiệt độ.
Ngay cả khi nhiệt độ của khí trong bình thay đổi, điều này sẽ xảy ra khi khí chảy vào hoặc ra khỏi thùng chứa, khả năng khóa tần số cộng hưởng của hệ thống âm thanh đảm bảo rằng nhiệt độ tức thời của khí luôn được biết đến. Ví dụ, khi khí thoát ra khỏi bể, nhiệt độ của khí còn lại giảm. Nhưng vì tần số cộng hưởng của khí giảm đồng nghĩa với nhiệt độ khí tổng thể giảm, hệ thống có thể ghi lại giá trị nhiệt độ thấp hơn này.
Các nhà nghiên cứu đã kết hợp các phép đo nhiệt độ chính xác của họ với các phép đo thể tích khí, sử dụng lò vi sóng và áp suất khí, để xác định tốc độ dòng chảy. Một ưu điểm của kỹ thuật âm thanh là nó tương đối đơn giản, nhà nghiên cứu Keith Gillis của NIST cho biết. “Không có bộ phận chuyển động; Thứ duy nhất đang chuyển động là khí.” Trước khi phương pháp âm thanh có thể trở thành một tiêu chuẩn, các nhà nghiên cứu sẽ phải thử nghiệm kỹ thuật này với các tàu và dòng khí lớn hơn.
