L'anno scorso, oltre 25 trilioni di piedi cubi di gas naturale sono stati consegnati ai clienti negli Stati Uniti, e quando è passato di mano, quasi ogni piede cubo è stato misurato utilizzando flussimetri di gas. La precisione di quei contatori ha un'enorme importanza commerciale, e il NIST ha un programma di ricerca di lunga data per migliorare la calibrazione del flussometro. La portata di quel programma si è ora letteralmente ampliata sotto forma di un nuovo banco di prova conosciuto informalmente come Big Blue Ball.

Tipicamente, la calibrazione dei flussimetri comporta il flusso di un flusso di gas attraverso il contatore in prova e quindi in un serbatoio di raccolta durante un intervallo di tempo misurato. L'accuratezza del fattore di calibrazione del flussometro dipende da una misura a bassa incertezza della massa raccolta nel serbatoio. La quantità di gas raccolto viene comunemente determinata utilizzando:(1) il volume noto con precisione del serbatoio moltiplicato per (2) la variazione di densità del gas nel serbatoio di raccolta prima e dopo il processo di riempimento. La determinazione della densità richiede la misurazione della pressione e della temperatura media del gas raccolto.

Sfortunatamente, la temperatura media del gas raccolto è difficile da definire. Quando il gas in pressione scorre in un grande serbatoio, il flusso genera una distribuzione della temperatura non uniforme in tutto il serbatoio di raccolta. Subito dopo che il flusso si interrompe, il gas più caldo finisce vicino alla parte superiore del serbatoio e il gas più freddo finisce vicino al fondo. Questa situazione rende difficile misurare la temperatura media con mezzi convenzionali. Una lettura tempestiva di alcuni termometri è intrinsecamente imprecisa, e i gradienti di temperatura in grandi vasche persistono per ore o giorni.

Per aggirare il problema del gradiente di temperatura, Il NIST calibra molti piccoli misuratori di portata, uno alla volta, e poi li usa in parallelo per calibrare metri più grandi. I contatori piccoli vengono tarati tramite una piccola vasca di raccolta termostatata per eliminare rapidamente i gradienti di temperatura. Però, le calibrazioni multiple sono lunghe e laboriose, e quindi costoso.

Due anni fa, gli scienziati del Physical Measurement Laboratory del NIST hanno affrontato con successo questo problema ideando e dimostrando l'uso della "termometria acustica" per misurare con precisione e rapidità la temperatura media. Hanno dimostrato i principi utilizzando gas argon puro in un piccolo serbatoio. Ora, stanno ampliando la termometria acustica utilizzando un grande recipiente sferico ad alta pressione come volume di raccolta. Poiché il termine "grande recipiente sferico ad alta pressione" è un boccone, fu affettuosamente ribattezzato Big Blue Ball.

"Stiamo lavorando per calibrare i misuratori per grandi portate ad alte pressioni, come quelli utilizzati per misurare il gas naturale che scorre all'interno di condotte interstatali, "dice Michael Moldover, leader del gruppo di metrologia dei fluidi del NIST, "Il Big Blue Ball ci consente di aumentare i test di prova di principio di un fattore 20 in termini di pressione, da 0,35 MPa a 7 MPa (3,5 atmosfere a 70 atm), e di un fattore 6 in volume, da 300 litri a 1800 litri. Infine, il volume verrà aumentato di un altro fattore 3, o anche 10."

La palla blu è in prestito al Gaithersburg del NIST, Md., città universitaria, grazie ad un accordo di cooperazione di ricerca e sviluppo (CRADA) con la Colorado Engineering Experiment Station, Inc. (CEESI). CEESI è un laboratorio indipendente che calibra flussimetri, compresi quelli utilizzati nei gasdotti.

In definitiva, Il gruppo di Moldover si aspetta CEESI e altri laboratori di calibrazione utilizzeranno la loro tecnica nei loro siti per serbatoi e misuratori molto più grandi.

"Dubito che ci sia un'altra organizzazione al mondo che potrebbe fare ciò che sta facendo il NIST, "dice Eric Harman, CEESI Ingegnere Gas Naturale/Multifase. "Il vantaggio per l'industria del gas naturale sarà immenso. È fondamentale che i contatori di gas naturale di grandi dimensioni siano calibrati accuratamente e che ogni dollaro energetico sia contabilizzato utilizzando la migliore tecnologia disponibile. Moldover e il suo gruppo stanno ridefinendo tale standard per la migliore tecnologia -possibile. Questo è un punto di svolta."

Il metodo NIST si basa su un principio fisico fondamentale:quando un'onda sonora viaggia attraverso un gas con regioni a temperature diverse, la velocità media dell'onda sonora è determinata dalla temperatura media del gas. Utilizzando questo schema, il compito molto difficile di misurare la temperatura è sostituito da quello molto più semplice di misurare la velocità delle onde sonore mentre si spostano dal trasmettitore al ricevitore.

Poiché la fisica nella Big Blue Ball è identica a quella utilizzata per i test di prova del principio, lo scale-up dovrebbe essere semplice. Però, Il gruppo di Moldover si sta muovendo con attenzione per identificare potenziali problemi di misurazione a volume e pressione maggiori. Finora, i ricercatori hanno portato la pressione nella Big Blue Ball fino a 2 MPa (20 atm) sulla strada per 7 MPa (70 atm). Anticipano gli ostacoli.

"Per esempio, un generatore di suoni e un rilevatore di suoni che funzionano bene a una pressione di poche atmosfere potrebbero non funzionare bene a 70 atmosfere, " dice Moldover. "Quando si scala, stiamo esponendo il nostro generatore e rilevatore a un flusso ad alta velocità ea rapidi cambiamenti di pressione; queste sollecitazioni urteranno leggermente i trasduttori. Vedremo cosa succede. Al NIST, andiamo oltre la prova di principio per risolvere i problemi di ingegneria che un utente potrebbe incontrare, o almeno vogliamo suggerire soluzioni plausibili."

La dimostrazione di principio del suo gruppo ha utilizzato gas argon puro. Ma quando hanno riempito la palla blu con aria compressa e hanno controllato il volume della grande palla blu usando risonanze a microonde, i risultati non erano d'accordo con le previsioni. Il problema, sembra, sorse perché l'aria aveva troppa umidità, che ha aumentato la costante dielettrica dell'aria e diminuito le frequenze di risonanza delle microonde dai valori attesi. Quando asciugarono l'aria, hanno ottenuto il volume che si aspettavano. "Chiaramente, questo è un fattore molto significativo, " dice Moldover. "Se vuoi calibrare correttamente il tuo volume usando le microonde, devi pensare seriamente al contenuto di acqua."

"Grazie al cielo il NIST sta risolvendo alcune delle potenziali insidie ​​​​di scalabilità, "Dice Harman. "Scoprire mine nascoste prima di fare un passo è spesso la differenza tra successo e fallimento. Poiché le strutture di calibrazione degli Stati Uniti integrano le tecniche a microonde e di risonanza acustica del NIST, sapere che dobbiamo misurare l'umidità in anticipo rende il nostro lavoro molto più semplice."

Il NIST non dispone dell'infrastruttura necessaria per testare misuratori di portata davvero grandi del tipo utilizzato nelle condutture interstatali, dove le portate raggiungono i 5 m3/s a pressioni di condotta fino a 7 MPa. Però, Partner CRADA del NIST, CEESI, dispone di un impianto di calibrazione situato in prossimità di una condotta e dispone di serbatoi di raccolta con volume di 20 metri cubi. Così, le lezioni apprese dalla grande palla blu raggiungeranno l'industria.

"Mentre il settore energetico statunitense trarrà grandi benefici dalla nuova tecnologia del NIST, "Harman dice, "il trasporto, produzione, e anche le industrie aerospaziali ne trarranno beneficio. I problemi di incertezza della temperatura non sono solo limitati alle calibrazioni primarie su larga scala; le calibrazioni di piccole e medie dimensioni affrontano gli stessi problemi di incertezza della temperatura. Aria, ossigeno, azoto, argon, diossido di carbonio, idrogeno, e le calibrazioni dell'elio non sono immuni alla stratificazione della temperatura. CEESI è entusiasta che il NIST stia prendendo il Big Blue Ball e correndo con esso."