Vorig jaar, meer dan 25 biljoen kubieke voet aardgas werd geleverd aan klanten in de Verenigde Staten, en toen het van eigenaar veranderde, bijna elke kubieke voet werd gemeten met behulp van gasstroommeters. De nauwkeurigheid van die meters is van enorm commercieel belang, en NIST heeft een al lang bestaand onderzoeksprogramma om de kalibratie van de flowmeter te verbeteren. De reikwijdte van dat programma is nu letterlijk uitgebreid in de vorm van een nieuw aangekomen testbed dat informeel bekend staat als de Big Blue Ball.

Typisch, het kalibreren van stromingsmeters houdt in dat een gasstroom door de te testen meter en vervolgens gedurende een gemeten tijdsinterval in een verzameltank wordt geleid. De nauwkeurigheid van de kalibratiefactor van de flowmeter hangt af van een lage onzekerheidsmeting van de in de tank verzamelde massa. De hoeveelheid opgevangen gas wordt gewoonlijk bepaald aan de hand van:(1) het exact bekende volume van de tank vermenigvuldigd met (2) de verandering in dichtheid van het gas in de opvangtank voor en na het vulproces. De dichtheidsbepaling vereist het meten van de druk en de gemiddelde temperatuur van het verzamelde gas.

Helaas, de gemiddelde temperatuur van het opgevangen gas is moeilijk vast te stellen. Wanneer gas onder druk in een grote tank stroomt, de stroom genereert een niet-uniforme temperatuurverdeling door de verzameltank. Kort nadat de stroom stopt, het warmste gas komt bij de bovenkant van de tank terecht en het koelste gas komt bij de bodem terecht. Deze situatie maakt het moeilijk om de gemiddelde temperatuur met conventionele middelen te meten. Een snelle aflezing van een paar thermometers is inherent onnauwkeurig, en de temperatuurgradiënten in grote tanks houden uren of dagen aan.

Om het temperatuurgradiëntprobleem te omzeilen, NIST kalibreert veel kleine flowmeters, een per keer, en gebruikt ze vervolgens parallel om grotere meters te kalibreren. De kleine meters worden gekalibreerd met behulp van een kleine verzameltank die is voorzien van een thermostaat om temperatuurgradiënten snel te elimineren. Echter, de meervoudige kalibraties zijn tijdrovend en arbeidsintensief, en dus duur.

Twee jaar geleden, wetenschappers van NIST's Physical Measurement Laboratory vielen dit probleem met succes aan door het gebruik van "akoestische thermometrie" te bedenken en te demonstreren om nauwkeurig en snel de gemiddelde temperatuur te meten. Ze bewezen de principes met puur argongas in een kleine tank. Nutsvoorzieningen, ze schalen akoestische thermometrie op met een groot bolvormig hogedrukvat als verzamelvolume. Aangezien de term "groot bolvormig hogedrukvat" een mondvol is, het werd liefkozend omgedoopt tot de Big Blue Ball.

"We werken aan een manier om meters te kalibreren voor grote stromen bij hoge druk, zoals die worden gebruikt voor het meten van aardgas dat in interstate pijpleidingen stroomt, " zegt Michael Moldover, leider van de Fluid Metrology Group van NIST, "De Big Blue Ball stelt ons in staat om de proof-of-principle-tests op te schalen met een factor 20 in druk, van 0,35 MPa tot 7 MPa (3,5 atmosfeer tot 70 atm), en met een factor 6 in volume, van 300 liter tot 1800 liter. Eventueel, het volume wordt met nog een factor 3 opgeschaald, of zelfs 10."

De blauwe bal is uitgeleend aan NIST's Gaithersburg, MD, campus, dankzij een Cooperative Research and Development Agreement (CRADA) met Colorado Engineering Experiment Station, Inc. (CEESI). CEESI is een onafhankelijk laboratorium dat flowmeters kalibreert, inclusief die welke worden gebruikt in aardgaspijpleidingen.

uiteindelijk, De groep van Moldover verwacht, CEESI en andere kalibratielaboratoria zullen hun techniek op hun locaties gebruiken voor veel grotere tanks en meters.

"Ik betwijfel of er een andere organisatie in de wereld is die zou kunnen doen wat NIST doet, " zegt Eric Harman, CEESI Aardgas/Meerfasige ingenieur. "Het voordeel voor de aardgasindustrie zal enorm zijn. Het is van cruciaal belang dat grote aardgasmeters nauwkeurig worden gekalibreerd en dat elke energiedollar wordt verantwoord met behulp van de best beschikbare technologie. Moldover en zijn groep herdefiniëren die norm naar de beste technologie -mogelijk. Dit is een game changer."

De NIST-methode is gebaseerd op een fundamenteel natuurkundig principe:wanneer een geluidsgolf door een gas reist met gebieden met verschillende temperaturen, de gemiddelde snelheid van de geluidsgolf wordt bepaald door de gemiddelde temperatuur van het gas. Met behulp van dit schema, de zeer moeilijke taak van het meten van temperatuur wordt vervangen door de veel eenvoudigere taak van het meten van de snelheid van geluidsgolven terwijl ze van zender naar ontvanger gaan.

Omdat de fysica in de Big Blue Ball identiek is aan die voor proof-of-principle-tests, opschalen moet eenvoudig zijn. Echter, De groep van Moldover gaat voorzichtig te werk om mogelijke meetproblemen bij verhoogd volume en druk te identificeren. Tot dusver, de onderzoekers hebben de druk in de Big Blue Ball op 2 MPa (20 atm) gebracht op weg naar 7 MPa (70 atm). Ze anticiperen op obstakels.

"Bijvoorbeeld, een geluidsgenerator en geluidsdetector die goed werken bij een druk van enkele atmosfeer, presteren mogelijk niet goed bij 70 atmosfeer, "Moldover zegt. "Bij het opschalen, we stellen onze generator en detector bloot aan snelle stroming en aan snelle drukveranderingen; deze spanningen zullen de transducers een beetje doen kloppen. We zullen zien wat er gebeurt. Bij NIST, we gaan verder dan proof-of-principle om technische problemen op te lossen die een gebruiker kan tegenkomen - of we willen in ieder geval plausibele oplossingen voorstellen."

De proof-of-principle demonstratie van zijn groep gebruikte puur argongas. Maar toen ze de blauwe bal vulden met perslucht en het volume van de grote blauwe bal controleerden met microgolfresonanties, de resultaten waren het niet eens met de voorspellingen. Het probleem, het lijkt, ontstaan ​​doordat de lucht te veel vocht bevatte, die de diëlektrische constante van de lucht verhoogde en de microgolfresonantiefrequenties van de verwachte waarden verlaagde. Toen ze de lucht droogden, ze kregen het volume dat ze verwachtten. "Duidelijk, dat is een zeer belangrijke factor, ", zegt Moldover. "Als je je volume goed wilt kalibreren met behulp van magnetrons, je moet serieus nadenken over het watergehalte."

"Godzijdank strijkt NIST enkele van de potentiële valkuilen van de opschaling glad, "Zegt Harman. "Verborgen landmijnen blootleggen voordat je stapt, is vaak het verschil tussen succes en mislukking. Aangezien Amerikaanse kalibratiefaciliteiten de microgolf- en akoestische resonantietechnieken van NIST integreren, wetende dat we de vochtigheid van tevoren moeten meten, maakt ons werk veel gemakkelijker."

NIST heeft niet de infrastructuur die nodig is om echt grote debietmeters te testen, zoals gebruikt in interstate pijpleidingen, waar debieten 5 m3/s bereiken bij leidingdrukken tot 7 MPa. Echter, NIST's CRADA-partner, CEESI, heeft een kalibratiefaciliteit naast een pijpleiding en ze hebben opvangvaten met een inhoud van 20 kubieke meter. Dus, de lessen die zijn getrokken uit de grote blauwe bal zullen de industrie bereiken.

"Hoewel de Amerikaanse energiesector enorm zal profiteren van de nieuwe technologie van NIST, "Harman zegt, "het vervoer, productie, en de lucht- en ruimtevaartindustrie zullen ook profiteren. Temperatuuronzekerheidsproblemen zijn niet alleen beperkt tot grootschalige primaire kalibraties; kleine en middelgrote kalibraties hebben dezelfde temperatuuronzekerheidsproblemen. Lucht, zuurstof, stikstof, argon, kooldioxide, waterstof, en heliumkalibraties zijn niet immuun voor temperatuurstratificatie. CEESI is verheugd dat NIST de Big Blue Ball neemt en ermee rent."