Nøjagtigheden af ​​flowmålerens kalibreringsfaktor

Sidste år, op mod 25 billioner kubikfod naturgas blev leveret til kunder i USA, og da den skiftede hænder, næsten hver kubikfod blev målt ved hjælp af gasflowmålere. Disse måleres nøjagtighed har enorm kommerciel betydning, og NIST har et mangeårigt forskningsprogram til forbedring af flowmålerens kalibrering. Omfanget af dette program er nu bogstaveligt talt udvidet i form af en nyankommet test seng kendt uformelt som den store blå bold.

Typisk, kalibrering af flowmålere indebærer at strømme en gasstrøm gennem måleren, der testes, og derefter ind i en opsamlingstank i løbet af et målt tidsinterval. Nøjagtigheden af ​​flowmålerens kalibreringsfaktor afhænger af en lav usikkerhedsmåling af den opsamlede masse i tanken. Mængden af ​​opsamlet gas bestemmes almindeligvis ved hjælp af:(1) tankens præcist kendte volumen ganget med (2) ændringen i densiteten af ​​gassen i opsamlingstanken før og efter påfyldningsprocessen. Densitetsbestemmelsen kræver måling af trykket og gennemsnitstemperaturen af ​​den opsamlede gas.

Desværre, gennemsnitstemperaturen for den opsamlede gas er svær at fastslå. Når gas under tryk strømmer ind i en stor tank, strømmen genererer en ikke-ensartet temperaturfordeling i hele opsamlingstanken. Kort efter at strømmen stopper, den varmeste gas ender nær toppen af ​​tanken, og den sejeste gas ender nær bunden. Denne situation gør det vanskeligt at måle gennemsnitstemperaturen på konventionelle måder. En hurtig aflæsning af et par termometre er i sagens natur unøjagtig, og temperaturgradienterne i store tanke vedvarer i timer eller dage.

For at omgå problemet med temperaturgradient, NIST kalibrerer mange små flowmålere, en ad gangen, og bruger dem derefter parallelt til at kalibrere større målere. De små målere er kalibreret ved hjælp af en lille opsamlingsbeholder, der er termostateret for hurtigt at eliminere temperaturgradienter. Imidlertid, flere kalibreringer er tidskrævende og arbejdskrævende og derfor dyrt.

To år siden, forskere ved NIST's Physical Measurement Laboratory angreb dette problem med succes ved at udtænke og demonstrere brugen af ​​"akustisk termometri" til nøjagtigt og hurtigt at måle gennemsnitstemperaturen. De beviste principperne ved hjælp af ren argongas i en lille tank. Nu, de opskalerer akustisk termometri ved at bruge en stor sfærisk højtryksbeholder som opsamlingsvolumen. Da udtrykket "stort højtryks sfærisk kar" er en mundfuld, den blev kærligt omdøbt til den store blå bold.

"Vi arbejder på en måde at kalibrere målere til store strømninger ved højt tryk, såsom dem, der bruges til at måle naturgas, der strømmer inde i mellemstatslige rørledninger, "siger Michael Moldover, leder af NIST's Fluid Metrology Group, "Den store blå kugle giver os mulighed for at opskalere proof-of-principle-testene med en faktor på 20 i tryk, fra 0,35 MPa til 7 MPa (3,5 atmosfærer til 70 atm), og med en faktor på 6 i volumen, fra 300 liter til 1800 liter. Til sidst, lydstyrken vil blive skaleret op med endnu en faktor på 3, eller endda 10. "

Den blå bold er udlånt til NISTs Gaithersburg, Md., universitetsområde, takket være en Cooperative Research and Development Agreement (CRADA) med Colorado Engineering Experiment Station, Inc. (CEESI). CEESI er et uafhængigt laboratorium, der kalibrerer flowmålere, herunder dem, der anvendes i naturgasrørledninger.

Ultimativt, Moldovers gruppe forventer, CEESI og andre kalibreringslaboratorier vil bruge deres teknik på deres websteder til meget større tanke og målere.

"Jeg tvivler på, at der er en anden organisation i verden, der kunne gøre, hvad NIST gør, " siger Eric Harman, CEESI naturgas/flerfasingeniør. "Fordelen for naturgasindustrien vil være enorm. Det er kritisk, at store naturgasmålere kalibreres præcist, og hver energidollar regnes med den bedst tilgængelige teknologi. Moldover og hans gruppe omdefinerer denne standard til den bedste teknologi -muligt. Dette er en game changer."

NIST -metoden er baseret på et grundlæggende fysisk princip:Når en lydbølge bevæger sig gennem en gas med områder ved forskellige temperaturer, lydbølgens gennemsnitshastighed bestemmes af gasens gennemsnitstemperatur. Ved hjælp af denne ordning, den meget vanskelige opgave at måle temperatur erstattes af den meget enklere at måle lydbølgernes hastighed, når de bevæger sig fra sender til modtager.

Fordi fysikken i den store blå bold er identisk med den, der blev brugt til bevis-af-princip-tests, skalering skal være ligetil. Imidlertid, Moldovers gruppe bevæger sig omhyggeligt for at identificere potentielle måleproblemer ved øget volumen og tryk. Indtil nu, forskerne har bragt trykket i den store blå bold op til 2 MPa (20 atm) på vej til 7 MPa (70 atm). De foregriber forhindringer.

"For eksempel, en lydgenerator og lyddetektor, der fungerer godt ved et tryk på et par atmosfærer, muligvis ikke fungerer godt ved 70 atmosfærer, " siger Moldover. "Når man skalerer op, vi udsætter vores generator og detektor for højhastighedsgennemstrømning og for hurtige trykændringer; disse spændinger vil banke transducerne lidt rundt. Vi får se, hvad der sker. Ved NIST, vi går ud over princippet om at løse tekniske problemer, som en bruger kan støde på-eller i det mindste vil vi foreslå sandsynlige løsninger. "

Hans gruppes proof-of-princip demonstration brugte ren argongas. Men da de fyldte den blå kugle med trykluft og kontrollerede volumen på den store blå kugle ved hjælp af mikrobølgeresonanser, resultaterne var uenige med forudsigelser. Problemet, det lader til, opstod, fordi luften havde for meget fugt, som øgede luftens dielektriske konstant og reducerede mikrobølgeresonansfrekvenserne fra de forventede værdier. Da de tørrede luften, de fik den volumen, de forventede. "Klart, det er en meget vigtig faktor, "Moldover siger." Hvis du vil kalibrere din lydstyrke korrekt ved hjælp af mikrobølger, man skal tænke alvorligt over vandindholdet. "

"Gudskelov NIST udjævner nogle af de potentielle opskaleringer, "Harman siger." At afdække skjulte landminer, før du træder, er ofte forskellen mellem succes og fiasko. Da amerikanske kalibreringsfaciliteter integrerer NIST's mikrobølge- og akustiske resonansteknikker, at vide, at vi skal måle fugtighed på forhånd, gør vores job meget lettere. "

NIST har ikke den nødvendige infrastruktur til at teste virkelig store flowmålere af den slags, der bruges i mellemstatslige rørledninger, hvor strømningshastigheder når 5 m3/s ved rørledningstryk op til 7 MPa. Imidlertid, NIST's CRADA -partner, CEESI, har et kalibreringsanlæg placeret ved siden af ​​en rørledning, og de har opsamlingsskibe med volumener på 20 kubikmeter. Dermed, erfaringerne fra den store blå bold vil nå industrien.

"Mens den amerikanske energisektor vil have stor gavn af NISTs nye teknologi, "Harman siger, "transporten, fremstilling, og luftfartsindustrien er også til gavn. Temperaturusikkerhedsproblemer er ikke kun begrænset til primære kalibreringer i stor skala; små og mellemstore kalibreringer står over for de samme problemer med temperaturusikkerhed. Luft, ilt, nitrogen, argon, carbondioxid, brint, og heliumkalibreringer er ikke immun over for temperaturstratificering. CEESI er begejstret for, at NIST tager den store blå bold og løber med den. "