Förra året, upp till 25 biljoner kubikfot naturgas levererades till kunder i USA, och när det bytte ägare, nästan varje kubikfot mättes med hjälp av gasflödesmätare. Mätarnas noggrannhet har enorm kommersiell betydelse, och NIST har ett mångårigt forskningsprogram för att förbättra flödesmätarens kalibrering. Omfattningen av det programmet har nu bokstavligen utökats i form av en nyanlängd testbädd som informellt kallas Big Blue Ball.

Vanligtvis, kalibrering av flödesmätare innebär att en gasström strömmar genom mätaren som testas och sedan in i en uppsamlingstank under ett uppmätt tidsintervall. Noggrannheten hos flödesmätarens kalibreringsfaktor beror på en låg osäkerhetsmätning av massan som samlas in i tanken. Mängden uppsamlad gas bestäms vanligen med hjälp av:(1) tankens exakt kända volym multiplicerad med (2) förändringen i gasens densitet i uppsamlingstanken före och efter påfyllningsprocessen. Densitetsbestämningen kräver att trycket och medeltemperaturen för den uppsamlade gasen mäts.

Tyvärr, medeltemperaturen för den uppsamlade gasen är svår att fastställa. När trycksatt gas strömmar in i en stor tank, flödet genererar en ojämn temperaturfördelning genom uppsamlingstanken. Strax efter att flödet stannade, den varmaste gasen hamnar nära toppen av tanken och den kallaste gasen hamnar nära botten. Denna situation gör det svårt att mäta medeltemperaturen på konventionellt sätt. En snabb läsning av några termometrar är i sig felaktig, och temperaturgradienterna i stora tankar kvarstår i timmar eller dagar.

För att kringgå problemet med temperaturgradient, NIST kalibrerar många små flödesmätare, en i taget, och använder dem sedan parallellt för att kalibrera större mätare. De små mätarna kalibreras med en liten uppsamlingstank som är termostaterad för att snabbt eliminera temperaturgradienter. Dock, de flera kalibreringarna är tidskrävande och arbetskrävande, och därför dyrt.

Två år sedan, forskare vid NIST:s fysiska mätlaboratorium attackerade detta problem framgångsrikt genom att utforma och demonstrera användningen av "akustisk termometri" för att exakt och snabbt mäta medeltemperaturen. De bevisade principerna med hjälp av ren argongas i en liten tank. Nu, de skalar upp akustisk termometri med hjälp av ett stort högtrycks sfäriskt kärl som uppsamlingsvolym. Eftersom termen "stort högtrycks sfäriskt kärl" är en munsbit, den döptes kärleksfullt till Big Blue Ball.

"Vi arbetar mot ett sätt att kalibrera mätare för stora flöden vid höga tryck, såsom de som används för att mäta naturgas som flyter inuti mellanstatliga rörledningar, "säger Michael Moldover, ledare för NIST:s Fluid Metrology Group, "The Big Blue Ball tillåter oss att skala upp principprövningstesterna med en faktor 20 i tryck, från 0,35 MPa till 7 MPa (3,5 atmosfärer till 70 atm), och med en faktor 6 i volym, från 300 liter till 1800 liter. Så småningom, volymen skalas upp med en annan faktor 3, eller till och med 10. "

Den blå bollen är utlånad till NIST:s Gaithersburg, Md., campus, tack vare ett kooperativt forsknings- och utvecklingsavtal (CRADA) med Colorado Engineering Experiment Station, Inc. (CEESI). CEESI är ett oberoende laboratorium som kalibrerar flödesmätare, inklusive de som används i naturgasledningar.

I sista hand, Moldovers grupp förväntar sig, CEESI och andra kalibreringslaboratorier kommer att använda sin teknik på sina platser för mycket större tankar och mätare.

"Jag tvivlar på att det finns en annan organisation i världen som kan göra vad NIST gör, "säger Eric Harman, CEESI naturgas/flerfas ingenjör. "Fördelen för naturgasindustrin kommer att vara enorm. Det är avgörande att stora naturgasmätare kalibreras exakt och varje energidollar redovisas med den bästa tillgängliga tekniken. Moldover och hans grupp omdefinierar standarden till den bästa tekniken -möjligt. Det här är en spelväxlare. "

NIST -metoden bygger på en grundläggande fysisk princip:När en ljudvåg färdas genom en gas med regioner vid olika temperaturer, ljudvågens medelhastighet bestäms av medeltemperaturen för gasen. Med hjälp av detta schema, den mycket svåra uppgiften att mäta temperatur ersätts av den mycket enklare att mäta ljudvågornas hastighet när de rör sig från sändare till mottagare.

Eftersom fysiken i den stora blå bollen är identisk med den som används för principiella tester, uppskalningen ska vara enkel. Dock, Moldovers grupp går försiktigt för att identifiera potentiella mätproblem vid ökad volym och tryck. Än så länge, forskarna har fört trycket i Big Blue Ball upp till 2 MPa (20 atm) på väg till 7 MPa (70 atm). De förutser hinder.

"Till exempel, en ljudgenerator och ljuddetektor som fungerar bra vid ett tryck på några atmosfärer kanske inte fungerar bra vid 70 atmosfärer, "Säger Moldover." När du skalar upp, vi utsätter vår generator och detektor för höghastighetsflöde och för snabba tryckförändringar; dessa påfrestningar kommer att knacka på givarna lite. Vi får se vad som händer. Vid NIST, vi går utöver principprövning för att lösa tekniska problem som en användare kan stöta på-eller åtminstone vill vi föreslå rimliga lösningar. "

Hans grupps bevis-av-princip-demonstration använde ren argongas. Men när de fyllde den blå bollen med tryckluft och kontrollerade volymen på den stora blå bollen med hjälp av mikrovågsresonanser, resultaten var inte överens med förutsägelserna. Trubblet, det verkar som, uppstod för att luften hade för mycket fukt, vilket ökade luftens dielektriska konstant och minskade mikrovågsresonansfrekvenserna från de förväntade värdena. När de torkade luften, de fick den volym som de förväntade sig. "Klart, det är en mycket viktig faktor, "Moldover säger." Om du vill kalibrera din volym ordentligt med mikrovågor, du måste tänka allvarligt på vattenhalten. "

"Tack och lov NIST stryker ut några av de potentiella skalningsfallen, "Harman säger." Att avslöja dolda gruvor innan du kliver är ofta skillnaden mellan framgång och misslyckande. Eftersom amerikanska kalibreringsanläggningar integrerar NIST:s mikrovågs- ​​och akustiska resonanstekniker, att veta att vi måste mäta luftfuktigheten i förväg gör vårt jobb mycket lättare. "

NIST har inte den infrastruktur som krävs för att testa riktigt stora flödesmätare av det slag som används i mellanstatliga rörledningar, där flödeshastigheter når 5 m3/s vid rörledningstryck upp till 7 MPa. Dock, NIST:s CRADA -partner, CEESI, har en kalibreringsanläggning som ligger bredvid en rörledning och de har uppsamlingskärl med en volym på 20 kubikmeter. Således, lärdomarna från den stora blå bollen kommer att nå industrin.

"Även om den amerikanska energisektorn kommer att dra stor nytta av NIST:s nya teknik, "Harman säger, "transporten, tillverkning, och flygindustrin kommer också att gynnas. Temperaturosäkerhetsproblem är inte bara begränsade till storskaliga primära kalibreringar; små och medelstora kalibreringar står inför samma temperaturusäkerhetsproblem. Luft, syre, kväve, argon, koldioxid, väte, och heliumkalibreringar är inte immuna mot temperaturskiktning. CEESI är glada över att NIST tar Big Blue Ball och springer med den. "