Ano passado, mais de 25 trilhões de pés cúbicos de gás natural foram entregues a clientes nos Estados Unidos, e quando mudou de mãos, quase cada pé cúbico foi medido usando medidores de vazão de gás. A precisão desses medidores tem enorme importância comercial, e o NIST tem um programa de pesquisa de longa data para melhorar a calibração do medidor de vazão. O escopo desse programa agora se expandiu literalmente na forma de um ambiente de teste recém-chegado conhecido informalmente como Big Blue Ball.

Tipicamente, calibrar medidores de vazão envolve o fluxo de um fluxo de gás através do medidor em teste e, em seguida, em um tanque de coleta durante um intervalo de tempo medido. A precisão do fator de calibração do medidor de vazão depende de uma medição de baixa incerteza da massa coletada no tanque. A quantidade de gás coletado é comumente determinada usando:(1) o volume precisamente conhecido do tanque multiplicado por (2) a mudança na densidade do gás no tanque de coleta antes e depois do processo de enchimento. A determinação da densidade requer a medição da pressão e da temperatura média do gás coletado.

Infelizmente, a temperatura média do gás coletado é difícil de definir. Quando o gás pressurizado flui para um tanque grande, o fluxo gera uma distribuição de temperatura não uniforme em todo o tanque de coleta. Logo após o fluxo parar, o gás mais quente acaba perto do topo do tanque e o gás mais frio acaba perto do fundo. Esta situação dificulta a medição da temperatura média por meios convencionais. Uma leitura imediata de alguns termômetros é inerentemente imprecisa, e os gradientes de temperatura em grandes tanques persistem por horas ou dias.

Para contornar o problema do gradiente de temperatura, O NIST calibra muitos medidores de fluxo pequenos, um por vez, e então os usa em paralelo para calibrar medidores maiores. Os pequenos medidores são calibrados usando um pequeno tanque de coleta termostatizado para eliminar rapidamente os gradientes de temperatura. Contudo, as múltiplas calibrações são demoradas e trabalhosas, e, portanto, caro.

Dois anos atrás, os cientistas do Laboratório de Medição Física do NIST atacaram esse problema com sucesso, criando e demonstrando o uso da "termometria acústica" para medir com precisão e rapidez a temperatura média. Eles provaram os princípios usando gás argônio puro em um pequeno tanque. Agora, eles estão ampliando a termometria acústica usando um grande vaso esférico de alta pressão como o volume de coleta. Uma vez que o termo "grande vaso esférico de alta pressão" é um bocado, foi carinhosamente rebatizado de Big Blue Ball.

"Estamos trabalhando em uma maneira de calibrar medidores para grandes fluxos em altas pressões, como aqueles usados ​​para medir o fluxo de gás natural dentro de gasodutos interestaduais, "diz Michael Moldover, líder do Grupo de Metrologia de Fluidos do NIST, "A Big Blue Ball nos permite aumentar os testes de prova de princípio por um fator de 20 na pressão, de 0,35 MPa a 7 MPa (3,5 atmosferas a 70 atm), e por um fator de 6 em volume, de 300 litros a 1800 litros. Eventualmente, o volume será aumentado por outro fator de 3, ou mesmo 10. "

A bola azul foi emprestada ao Gaithersburg do NIST, Md., campus, graças a um Acordo Cooperativo de Pesquisa e Desenvolvimento (CRADA) com a Colorado Engineering Experiment Station, Inc. (CEESI). O CEESI é um laboratório independente que calibra medidores de vazão, incluindo aqueles usados ​​em gasodutos.

Em última análise, O grupo de Moldover espera, O CEESI e outros laboratórios de calibração usarão sua técnica em seus locais para tanques e medidores muito maiores.

"Duvido que haja outra organização no mundo que possa fazer o que o NIST está fazendo, "diz Eric Harman, Engenheiro do CEESI Gás Natural / Multifásico. "O benefício para a indústria de gás natural será imenso. É fundamental que grandes medidores de gás natural sejam calibrados com precisão e cada dólar de energia seja contabilizado usando a melhor tecnologia disponível. Moldover e seu grupo estão redefinindo esse padrão para a melhor tecnologia -possível. Isso é uma virada de jogo. "

O método NIST é baseado em um princípio físico fundamental:quando uma onda sonora viaja através de um gás com regiões em diferentes temperaturas, a velocidade média da onda sonora é determinada pela temperatura média do gás. Usando este esquema, a tarefa muito difícil de medir a temperatura é substituída pela muito mais simples, de medir a velocidade das ondas sonoras à medida que se movem do transmissor para o receptor.

Como a física no Big Blue Ball é idêntica à usada para testes de prova de princípio, o aumento de escala deve ser simples. Contudo, O grupo de Moldover está se movendo com cuidado para identificar possíveis problemas de medição com aumento de volume e pressão. Até aqui, os pesquisadores aumentaram a pressão na Big Blue Ball para 2 MPa (20 atm) no caminho para 7 MPa (70 atm). Eles antecipam obstáculos.

"Por exemplo, um gerador de som e detector de som que funcionam bem em uma pressão de algumas atmosferas podem não funcionar bem em 70 atmosferas, "Moldover diz." Ao aumentar a escala, estamos expondo nosso gerador e detector a fluxo de alta velocidade e a mudanças rápidas de pressão; essas tensões irão derrubar os transdutores um pouco. Veremos o que acontece. No NIST, vamos além da prova de princípio para resolver problemas de engenharia que um usuário pode encontrar - ou pelo menos queremos sugerir soluções plausíveis. "

A demonstração de princípio de seu grupo usou gás argônio puro. Mas quando eles encheram a bola azul com ar comprimido e verificaram o volume da grande bola azul usando ressonâncias de microondas, os resultados discordaram das previsões. O problema, parece, surgiu porque o ar tinha muita umidade, que aumentou a constante dielétrica do ar e diminuiu as frequências de ressonância de microondas dos valores esperados. Quando eles secaram o ar, eles obtiveram o volume que esperavam. "Claramente, isso é um fator muito significativo, "Moldover diz." Se você quiser calibrar corretamente seu volume usando microondas, você tem que pensar seriamente sobre o conteúdo de água. "

"Graças a Deus, o NIST está resolvendo algumas das armadilhas potenciais de aumento de escala, "Harman diz." Descobrir minas terrestres escondidas antes de pisar é frequentemente a diferença entre o sucesso e o fracasso. Como as instalações de calibração dos EUA integram as técnicas de microondas e ressonância acústica do NIST, saber que temos que medir a umidade com antecedência torna nosso trabalho muito mais fácil. "

O NIST não tem a infraestrutura necessária para testar medidores de vazão realmente grandes do tipo usado em dutos interestaduais, onde as taxas de fluxo atingem 5 m3 / s em pressões de tubulação de até 7 MPa. Contudo, Parceiro CRADA do NIST, CEESI, possui uma instalação de calibração localizada próxima a um duto e possui vasos de coleta com volumes de 20 metros cúbicos. Assim, as lições aprendidas com a grande bola azul chegarão à indústria.

"Embora o setor de energia dos EUA se beneficie muito da nova tecnologia do NIST, "Harman diz, "o transporte, fabricação, e as indústrias aeroespaciais também devem se beneficiar. Os problemas de incerteza de temperatura não se limitam apenas a calibrações primárias em grande escala; calibrações de pequeno e médio porte enfrentam os mesmos problemas de incerteza de temperatura. Ar, oxigênio, azoto, argônio, dióxido de carbono, hidrogênio, e as calibrações de hélio não são imunes à estratificação de temperatura. O CEESI está entusiasmado que o NIST está pegando a Big Blue Ball e correndo com ela. "