每年，为了满足环境保护局(EPA)制定的要求，燃煤电厂的烟囱排放必须由独立第三方进行审核。NIST研究人员希望帮助审核员改进这些测量，而不会使审核时间更长或更复杂。

几年前，NIST团队设计了用于感测排放流量的新探头和新的测量方法，与类似探头相比，该方法提高了精度，同时还将烟囱流量的测量速度加快了五倍。

尽管新探测器前景广阔，但在实际烟囱的实际测试中，NIST研究人员发现了两个重大设计问题。

现在，该团队已经解决了剩下的两个问题，这意味着新探头是成为烟囱审计中使用的新标准探头的良好候选者。

NIST研究员AaronJohnson表示：“这些是阻碍烟囱测试应用经济实用的新设计和测试协议的最后一个主要障碍。”“我们对这一最新进展感到高兴，并致力于支持推荐流程的后续步骤。”

审计人员用来监测烟囱排放的探头称为皮托管，这是一种细长的空心圆柱体，用于测量烟气排放的速率。审核员将皮托管水平插入烟囱并测量几个不同位置的流速。

审核员最常使用的皮托管类型称为S探头。它有两个面向相反方向的孔或端口。气体流速越快，两端口之间的压差越大;测量压力差可以让审核员计算出流速。

S探针不需要校准(尽管许多堆栈测试仪会校准其S探针)。并且测量可以相当快地完成。但由于S探头只有两个端口，其精度存在一些限制。

烟囱排放物通常含有涡流和漩涡，使测量过程变得复杂，因为流量不一定在测试点直接向上流动。由于S探头只有两个端口，因此它们只能进行一维或最多二维测量，因此它们可能会丢失大量有关流量的信息。因此，当流体存在明显涡流时，S探头可能会出现显着误差。

从理论上讲，另一种可以为审核员提供更好测量结果的探头是3D探头。它有五个端口而不是两个，并且能够进行3D测量，这为审计人员提供了有关烟囱内复杂流动的更多信息。

但3D探针及其经EPA批准的相关测试协议可能难以使用：它们的端口比S探针小得多，更容易被烟囱碎片堵塞。此外，烟囱测试仪在每次测量期间必须手动旋转探头，因为探头的准确性依赖于直接指向流体的头部。但由于烟囱内存在复杂的涡流和漩涡，这是一个耗时的过程。

因此，很少有烟囱测试人员使用这些探头，而青睐精度较低但更用户友好的S探头。

“业界重视强有力的调查，”约翰逊说。“如果审计师必须摆弄它才能获得良好的测量结果，他们就不会使用它。”

为了解决探头要么准确要么易于使用但不能两者兼顾的问题，NIST创建了另一种类型的皮托管，由NIST物理学家IosifShinder设计。它有一个半球形表面和五个孔，可以进行3D测量。但与之前能够进行3D测量的型号不同，NIST探头在校准后可以准确测量流量，而无需审核员在堆栈中执行复杂的探头旋转。

其结果是皮托管足够坚固，可以在现场使用，提供高精度测量，并且比传统的3D探头测量速度快五倍，传统的3D探头测量需要堆栈测试仪在堆栈中旋转探头。

但也有一些警告。在真实的烟囱中测试新探头后，研究人员发现探头尖端的五个端口很容易被灰烬和水滴堵塞。这种堵塞需要测试人员在使用过程中净化管道，这会增加审核时间。

NIST现在已经解决了这个问题，方法是将探针表面的孔放大几倍，将其尺寸从约2至3毫米增加到6.5毫米(约四分之一英寸)。

NIST设计中的另一个问题是，与更简单的S探头不同，每个NIST探头都必须经过严格校准(在风洞中总共进行3000次单独测量)，然后才能进入现场。

“这比商业用途的校准程度要高得多，”Shinder说。“我们需要简化校准过程，否则这些皮托管对社区没有用处。”

NIST的解决方案涉及使用统计技巧来确定校准真正需要的数据。最后，他们发现仅130个“明智选择”的点(风洞中角度和空气速度的组合)就足以达到他们想要的高精度。

作为标准来源的组织美国机械工程师协会(ASME)目前正在起草一份文件标准，以促进EPA采用这种新的NIST探头设计进行烟囱流量测量，这将使其成为官方建议审计员。NIST设计还获得了专利。

研究结果发表在《空气与废物管理协会杂