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美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员开发了一种新的、可靠的方法来精确测量气体流入和流出容器的速率。这项技术利用声波来确定气体的平均温度，利用微波来确定容器的体积，可以特别好地测量大型容器的气体流动和泄漏。
该方法可以使工作人员更准确地校准天然气管道中使用的气体流量计。2016年，美国管道中的天然气价值超过900亿美元，因此这些测量的准确性对天然气消费者和供应商来说都是一个关键问题。
NIST研究员Jodie Pope说:“我们相信，声学技术一旦完善，就可以作为NIST的新标准，并有可能在世界各地采用。”
为了确定从容器中流出的气体量，研究人员需要知道几个量，包括容器的体积、气体的压力和温度。
在目前由NIST开发的测量气体流量的方法中，现在是校准流量计的国家标准，工人们通过将容器浸入温控水浴中来确定气体的温度。由于该技术允许有足够的时间使气体温度与水浴温度达到平衡，因此可以高精度地确定气体温度。
然而，测量从大型容器中流出的气体的温度存在一个问题，因为这些容器不容易浸入水浴中。另一种替代方法——依赖于放置在容器内的大量温度传感器——可能不切实际，因为传感器数量太多，每个传感器都需要单独校准。
为了使用当前的国家标准校准大流量气体，计量学家必须使用自举策略:他们校准多个测量相对较小流量和压力的流量计，然后将仪表平行安装，以实现更大的流量和压力，这需要多个步骤，最多需要48次校准。这种方法增加了测量的成本和不确定性。
新方法利用声波来测定大型容器内的平均气体温度。波普说，这种技术不需要额外的温度传感器，即使温度随着气体体积的变化而变化，它也是可靠的。由于这些优点，该技术可以显著减少校准链中的步骤数，从而降低最终流量测量的不确定性。
为了演示这项新技术，NIST团队在圆柱形容器的一端安装了一个声源(扬声器)，在系统的另一端安装了一个麦克风。麦克风接收声波，这些声波经过修改，然后反馈到系统中，以增强和加强源波。
这种结构被称为正反馈回路，在气体的自然频率或共振频率上产生一种自我持续的声学振荡，就像管风琴在特定频率下的回响一样。共振频率取决于气体中的声速，而声速又与气体的平均温度成正比。通过跟踪共振频率，声波可以测量气体的平均温度，而不需要水浴或大量的温度传感器。
即使容器内气体的温度发生了变化(当气体流入或流出容器时就会发生这种变化)，声学系统锁定共振频率的能力也能确保始终知道气体的瞬时温度。例如，当气体离开容器时，剩余气体的温度下降。但由于气体的谐振频率随着温度的降低而同步降低，系统能够记录较低的温度。
研究人员将精确的温度测量与使用微波测量的气体体积以及气体压力结合起来，以确定流速。
NIST研究员基思·吉利斯说，声学技术的一个优点是相对简单。“没有活动部件;唯一在移动的是气体。”
在声学方法成为标准之前，研究人员必须用更大的容器和气体流量来测试这项技术。
这项研究发表在《科学仪器评论》杂志上。
更多信息:Jodie G. Pope等人，使用声学共振跟踪动态测量气体流量，科学仪器评论(2023)。DOI: 10.1063/5.0143819期刊信息:科学仪器评论
国家提供
国家标准与技术研究所
本文由NIST重新发布。点击此处阅读原文。
引用:探索一种测量气体流量的新方法(2023,3月31日)，检索自2023年4月4日https://techxplore.com/news/2023-03-gas.html此文档
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