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Les cheminées des centrales au charbon sont équipées de moniteurs qui mesurent en continu la concentration des émissions de gaz de combustion, qui comprennent le dioxyde de carbone, Mercure, dioxyde de soufre et oxydes d'azote, ainsi que le débit des fumées. Par la loi fédérale, les capteurs de débit intégrés doivent être calibrés, c'est-à-dire vérifiée pour l'exactitude - lors de l'audit annuel.

Pour effectuer l'étalonnage annuel, les auditeurs utilisent de petits appareils portables appelés tubes de Pitot. Les techniciens d'audit escaladent la cheminée - généralement plusieurs dizaines de mètres (centaines de pieds) de hauteur - et insèrent leurs sondes Pitot horizontalement dans les gaz qui remontent la cheminée. Ils effectuent plusieurs relevés du débit en différents points d'une section transversale de la cheminée, qui mesure généralement 7 ou 8 mètres (25 pieds) de diamètre.

Le type de capteur le plus couramment utilisé pour ce travail est de loin une « sonde S ». Il a deux trous, ou ports. Un port fait directement face au flux de gaz et détecte la pression qui s'accumule dans le tube. L'autre port fait face à la direction opposée. Plus le débit est rapide, plus la différence de pression entre les deux ports est élevée; mesurer cette différence de pression permet aux auditeurs de calculer la vitesse du flux.

Les sondes S ne nécessitent pas d'étalonnage, mais chaque mesure peut prendre plusieurs minutes, puisque le technicien doit faire tourner manuellement le capteur jusqu'à ce qu'un côté soit directement tourné vers le flux. Ceci est compliqué car le flux ne se déplace pas nécessairement directement vers le haut au point testé. A la base de la pile, les gaz de combustion se déplacent généralement autour d'un virage serré, ce qui crée des tourbillons et des tourbillons compliqués qui ne disparaissent pas même dans les grandes cheminées.

L'utilisation des sondes S est si laborieuse qu'un étalonnage annuel sur site peut prendre un jour ou plus. "Et la centrale perd de l'argent tout le temps que les auditeurs sont là, ils veulent donc que les techniciens entrent et sortent le plus rapidement possible, " a déclaré Johnson.

Pour accélérer ce processus, les scientifiques du NIST ont réalisé trois innovations. D'abord, ils ont créé deux nouveaux modèles de tubes de Pitot, avec cinq trous au lieu de deux, qui fonctionnent mieux que les sondes S et peuvent offrir des avantages par rapport aux autres modèles à cinq trous de tubes de Pitot actuellement utilisés.

Les sondes, conçu par le physicien du NIST Iosif Shinder, se présentent sous deux formes :hémisphérique et conique.

Seconde, les scientifiques ont développé un schéma d'étalonnage pour leurs nouveaux capteurs qui ne nécessite pas qu'un technicien fasse tourner la sonde à l'intérieur d'une cheminée pour trouver la véritable direction du flux pour chaque mesure. Donc, bien que les capteurs devraient être calibrés avant utilisation, ils prendraient beaucoup moins de temps à utiliser lors d'un audit réel.

Troisième, Jim Filla du NIST a développé un logiciel compatible avec un système automatisé disponible dans le commerce pour mesurer le débit en temps réel.

La vraie affaire

Jusqu'à maintenant, les performances des nouvelles sondes n'avaient été mesurées que dans les installations d'essai du NIST, qui comprend un simulateur de cheminée à l'échelle et une soufflerie. Mais les laboratoires du NIST ne peuvent pas reproduire tous les aspects d'une véritable centrale électrique, comme la présence de suie dans le flux de la cheminée.

"C'est une chose de le tester dans notre soufflerie, " Johnson a déclaré. "C'est une autre de se préparer à le tester dans une pile à 120 degrés F."

La première course sur le terrain, en juillet 2018, a eu lieu dans une usine de gaz naturel, où le débit est relativement simple à mesurer.

La deuxième, en septembre 2018, a été menée dans une centrale à charbon avec un flux particulièrement compliqué.

La centrale au charbon avait une plate-forme fermée où les tubes de Pitot étaient insérés dans la cheminée. Mais la plate-forme de l'usine de gaz naturel était ouverte aux éléments. Et à environ 45 mètres (145 pieds) dans les airs, "les choses tremblent, " a déclaré Joey Boyd, technicien du NIST. " Pendant que vous travaillez, la pile se balance, et le sol en dessous de vous bouge."

Lorsque les chercheurs du NIST ont analysé les données, leurs résultats étaient prometteurs, d'accord à 2 % près avec leurs résultats de laboratoire.

"Les sondes ont aussi bien fonctionné dans la cheminée que dans les installations d'essai du NIST, " a déclaré Johnson.

Les futurs tests sur le terrain aideront les chercheurs à résoudre le plus gros problème qu'ils ont rencontré :le colmatage des capteurs, dans lequel les orifices des tubes de Pitot se bouchent d'eau et de particules et doivent être rincés avant qu'un test puisse continuer.

Aussi, le travail leur a appris qu'ils devaient écrire un logiciel spécial de signalisation à leur équipement chaque fois qu'il y avait une "purge - un souffle d'air à haute pression à travers la sonde de Pitot qui pourrait endommager une partie clé de l'appareil si certaines vannes n'étaient pas fermées à temps .