El año pasado, se entregaron más de 25 billones de pies cúbicos de gas natural a clientes en los Estados Unidos, y cuando cambió de manos, casi cada pie cúbico se midió utilizando caudalímetros de gas. La precisión de esos medidores tiene una enorme importancia comercial, y el NIST tiene un programa de investigación de larga data para mejorar la calibración del caudalímetro. El alcance de ese programa ahora se ha expandido literalmente en la forma de un banco de pruebas recién llegado conocido informalmente como Big Blue Ball.

Típicamente, La calibración de los caudalímetros implica hacer fluir una corriente de gas a través del medidor bajo prueba y luego a un tanque de recolección durante un intervalo de tiempo medido. La precisión del factor de calibración del caudalímetro depende de una medición de baja incertidumbre de la masa recogida en el tanque. La cantidad de gas recolectado se determina comúnmente usando:(1) el volumen exacto conocido del tanque multiplicado por (2) el cambio en la densidad del gas en el tanque de recolección antes y después del proceso de llenado. La determinación de la densidad requiere medir la presión y la temperatura promedio del gas recolectado.

Desafortunadamente, la temperatura promedio del gas recolectado es difícil de precisar. Cuando el gas presurizado fluye hacia un tanque grande, el flujo genera una distribución de temperatura no uniforme en todo el tanque de recolección. Poco después de que el flujo se detenga, el gas más caliente termina cerca de la parte superior del tanque y el gas más frío termina cerca del fondo. Esta situación dificulta la medición de la temperatura media por medios convencionales. Una lectura rápida de algunos termómetros es intrínsecamente inexacta, y los gradientes de temperatura en tanques grandes persisten durante horas o días.

Para evitar el problema del gradiente de temperatura, NIST calibra muchos medidores de flujo pequeños, uno a la vez, y luego los usa en paralelo para calibrar medidores más grandes. Los medidores pequeños se calibran utilizando un pequeño tanque de recolección que está termostatizado para eliminar rápidamente los gradientes de temperatura. Sin embargo, las múltiples calibraciones requieren mucho tiempo y trabajo, y por lo tanto caro.

Hace dos años, Los científicos del Laboratorio de Medición Física del NIST atacaron este problema con éxito al diseñar y demostrar el uso de la "termometría acústica" para medir con precisión y rapidez la temperatura promedio. Demostraron los principios utilizando gas argón puro en un tanque pequeño. Ahora, están ampliando la termometría acústica utilizando un gran recipiente esférico de alta presión como volumen de recolección. Dado que el término "vaso esférico grande de alta presión" es un bocado, cariñosamente fue rebautizado como Big Blue Ball.

"Estamos trabajando hacia una forma de calibrar medidores para grandes caudales a altas presiones, como los que se utilizan para medir el flujo de gas natural dentro de las tuberías interestatales, "dice Michael Moldover, líder del Grupo de Metrología de Fluidos del NIST, "La Big Blue Ball nos permite ampliar las pruebas de prueba de principio en un factor de 20 en presión, de 0,35 MPa a 7 MPa (3,5 atmósferas a 70 atm), y por un factor de 6 en volumen, desde 300 litros hasta 1800 litros. Finalmente, el volumen aumentará en otro factor de 3, o incluso 10. "

La bola azul está cedida a Gaithersburg del NIST, Maryland., instalaciones, gracias a un Acuerdo de Investigación y Desarrollo Cooperativo (CRADA) con la Estación Experimental de Ingeniería de Colorado, Inc. (CEESI). CEESI es un laboratorio independiente que calibra caudalímetros, incluidos los utilizados en gasoductos.

Por último, El grupo de Moldover espera, CEESI y otros laboratorios de calibración utilizarán su técnica en sus sitios para tanques y medidores mucho más grandes.

"Dudo que haya otra organización en el mundo que pueda hacer lo que está haciendo el NIST, "dice Eric Harman, Ingeniero CEESI Gas Natural / Multifásico. "El beneficio para la industria del gas natural será inmenso. Es fundamental que los grandes medidores de gas natural se calibren con precisión y cada dólar de energía se contabilice utilizando la mejor tecnología disponible. Moldover y su grupo están redefiniendo ese estándar a la mejor tecnología -posible. Esto es un cambio de juego ".

El método NIST se basa en un principio físico fundamental:cuando una onda de sonido viaja a través de un gas con regiones a diferentes temperaturas, La velocidad media de la onda de sonido está determinada por la temperatura media del gas. Usando este esquema, La muy difícil tarea de medir la temperatura es reemplazada por la mucho más simple de medir la velocidad de las ondas sonoras cuando se mueven de un transmisor a otro.

Debido a que la física de Big Blue Ball es idéntica a la utilizada para las pruebas de prueba de principio, la ampliación debería ser sencilla. Sin embargo, El grupo de Moldover se está moviendo con cuidado para identificar posibles problemas de medición a mayor volumen y presión. Hasta aquí, los investigadores han llevado la presión en la Big Blue Ball hasta 2 MPa (20 atm) en el camino a 7 MPa (70 atm). Se anticipan a los obstáculos.

"Por ejemplo, un generador de sonido y un detector de sonido que funcionan bien a una presión de unas pocas atmósferas podrían no funcionar bien a 70 atmósferas, "Moldover dice". Cuando se amplía, estamos exponiendo nuestro generador y detector a un flujo de alta velocidad ya cambios rápidos de presión; estas tensiones golpearán un poco los transductores. Veremos que pasa. En NIST, vamos más allá de la prueba de principio para resolver los problemas de ingeniería que puede encontrar un usuario, o al menos queremos sugerir soluciones plausibles ".

La demostración de prueba de principio de su grupo utilizó gas argón puro. Pero cuando llenaron la bola azul con aire comprimido y comprobaron el volumen de la gran bola azul usando resonancias de microondas, los resultados discreparon de las predicciones. El problema, aparece, surgió porque el aire tenía demasiada humedad, lo que aumentó la constante dieléctrica del aire y disminuyó las frecuencias de resonancia de microondas de los valores esperados. Cuando secaron el aire obtuvieron el volumen que esperaban. "Claramente, ese es un factor muy importante, "Moldover dice." Si desea calibrar correctamente su volumen con microondas, hay que pensar seriamente en el contenido de agua ".

"Gracias a Dios, el NIST está solucionando algunos de los posibles problemas de ampliación, "Dice Harman." Descubrir minas terrestres ocultas antes de dar un paso es a menudo la diferencia entre el éxito y el fracaso. Dado que las instalaciones de calibración de EE. UU. Integran las técnicas de resonancia acústica y microondas del NIST, saber que tenemos que medir la humedad con anticipación hace que nuestro trabajo sea mucho más fácil ".

El NIST no cuenta con la infraestructura necesaria para probar caudalímetros realmente grandes del tipo que se utiliza en las tuberías interestatales. donde los caudales alcanzan los 5 m3 / s a ​​presiones de tubería de hasta 7 MPa. Sin embargo, Socio CRADA de NIST, CEESI, cuenta con una instalación de calibración ubicada junto a una tubería y cuentan con recipientes de recolección con volúmenes de 20 metros cúbicos. Por lo tanto, las lecciones aprendidas de la gran bola azul llegarán a la industria.

"Si bien el sector energético de EE. UU. Se beneficiará enormemente de la nueva tecnología de NIST, "Harman dice, "el transporte, fabricación, y las industrias aeroespaciales también se beneficiarán. Los problemas de incertidumbre de la temperatura no se limitan solo a calibraciones primarias a gran escala; las calibraciones pequeñas y medianas enfrentan los mismos problemas de incertidumbre de temperatura. Aire, oxígeno, nitrógeno, argón, dióxido de carbono, hidrógeno, y las calibraciones de helio no son inmunes a la estratificación de temperatura. CEESI está encantada de que el NIST se lleve la Gran Bola Azul y corra con ella ".