La precisión del factor de calibración del caudalímetro.

27 de febrero de 2017

por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología

El año pasado, se entregaron más de 25 billones de pies cúbicos de gas natural a clientes en los Estados Unidos y, cuando cambió de manos, casi cada pie cúbico se midió con medidores de flujo de gas. La precisión de esos medidores tiene una enorme importancia comercial y el NIST tiene un programa de investigación de larga data para mejorar la calibración de los medidores de flujo. El alcance de ese programa ahora se ha expandido literalmente en la forma de un banco de pruebas recién llegado conocido informalmente como Big Blue Ball.

Por lo general, la calibración de medidores de flujo implica hacer fluir una corriente de gas a través del medidor bajo prueba y luego hacia un tanque de recolección durante un intervalo de tiempo medido. La precisión del factor de calibración del caudalímetro depende de una medida de baja incertidumbre de la masa recogida en el depósito. La cantidad de gas recolectado comúnmente se determina utilizando: (1) el volumen conocido con precisión del tanque multiplicado por (2) el cambio en la densidad del gas en el tanque de recolección antes y después del proceso de llenado. La determinación de la densidad requiere medir la presión y la temperatura promedio del gas recolectado.

Desafortunadamente, la temperatura promedio del gas recolectado es difícil de precisar. Cuando el gas presurizado fluye hacia un tanque grande, el flujo genera una distribución de temperatura no uniforme en todo el tanque de recolección. Poco después de que se detiene el flujo, el gas más caliente termina cerca de la parte superior del tanque y el gas más frío termina cerca del fondo. Esta situación dificulta la medición de la temperatura media por medios convencionales. Una lectura rápida de unos pocos termómetros es intrínsecamente inexacta y los gradientes de temperatura en los tanques grandes persisten durante horas o días.

Para evitar el problema del gradiente de temperatura, el NIST calibra muchos medidores de flujo pequeños, uno a la vez, y luego los usa en paralelo para calibrar medidores más grandes. Los medidores pequeños se calibran utilizando un pequeño tanque de recolección termostatizado para eliminar rápidamente los gradientes de temperatura. Sin embargo, las calibraciones múltiples requieren mucho tiempo y mano de obra y, por lo tanto, son costosas.

Hace dos años, los científicos del Laboratorio de Medición Física del NIST abordaron este problema con éxito al idear y demostrar el uso de la "termometría acústica" para medir con precisión y rapidez la temperatura promedio. Demostraron los principios usando gas argón puro en un tanque pequeño. Ahora, están ampliando la termometría acústica utilizando un gran recipiente esférico de alta presión como volumen de recolección. Dado que el término "recipiente esférico grande de alta presión" es un bocado, se le cambió el nombre cariñosamente a Big Blue Ball.

"Estamos trabajando para encontrar una forma de calibrar medidores para grandes flujos a altas presiones, como los que se usan para medir el gas natural que fluye dentro de las tuberías interestatales", dice Michael Moldover, líder del Grupo de Metrología de Fluidos del NIST, "La Gran Bola Azul nos permite escalar las pruebas de prueba de principio por un factor de 20 en presión, de 0,35 MPa a 7 MPa (3,5 atmósferas a 70 atm), y por un factor de 6 en volumen, de 300 litros a 1800 litros. el volumen aumentará por otro factor de 3, o incluso 10".

La bola azul está prestada al campus de NIST en Gaithersburg, Maryland, gracias a un Acuerdo de Investigación y Desarrollo Cooperativo (CRADA) con Colorado Engineering Experiment Station, Inc. (CEESI). CEESI es un laboratorio independiente que calibra caudalímetros, incluidos los utilizados en gasoductos de gas natural.

En última instancia, el grupo de Moldover espera que CEESI y otros laboratorios de calibración utilicen su técnica en sus sitios para tanques y medidores mucho más grandes.

"Dudo que haya otra organización en el mundo que pueda hacer lo que está haciendo el NIST", dice Eric Harman, ingeniero de gas natural/multifase de CEESI. "El beneficio para la industria del gas natural será inmenso. Es fundamental que los grandes medidores de gas natural estén calibrados con precisión y cada dólar de energía se contabilice utilizando la mejor tecnología disponible. Moldover y su grupo están redefiniendo ese estándar a la mejor tecnología -posible. Esto es un cambio de juego".

El método NIST se basa en un principio físico fundamental: cuando una onda de sonido viaja a través de un gas con regiones a diferentes temperaturas, la velocidad promedio de la onda de sonido está determinada por la temperatura promedio del gas. Usando este esquema, la muy difícil tarea de medir la temperatura se reemplaza por la mucho más simple de medir la velocidad de las ondas de sonido a medida que se mueven del transmisor al receptor.

Debido a que la física en Big Blue Ball es idéntica a la utilizada para las pruebas de prueba de principio, la ampliación debería ser sencilla. Sin embargo, el grupo de Moldover se está moviendo cuidadosamente para identificar posibles problemas de medición a mayor volumen y presión. Hasta ahora, los investigadores han llevado la presión en la Gran Bola Azul hasta 2 MPa (20 atm) en camino a 7 MPa (70 atm). Se anticipan a los obstáculos.

"Por ejemplo, un generador de sonido y un detector de sonido que funcionan bien a una presión de unas pocas atmósferas podrían no funcionar bien a 70 atmósferas", dice Moldover. "Al aumentar la escala, estamos exponiendo nuestro generador y detector a un flujo de alta velocidad y a cambios rápidos de presión; estas tensiones golpearán un poco los transductores. Veremos qué sucede. En NIST, vamos más allá de la prueba de -principio para resolver problemas de ingeniería que un usuario podría encontrar, o al menos queremos sugerir soluciones plausibles".

La demostración de prueba de principio de su grupo usó gas argón puro. Pero cuando llenaron la bola azul con aire comprimido y comprobaron el volumen de la gran bola azul mediante resonancias de microondas, los resultados no coincidieron con las predicciones. Al parecer, el problema surgió porque el aire tenía demasiada humedad, lo que aumentó la constante dieléctrica del aire y disminuyó las frecuencias de resonancia de microondas de los valores esperados. Cuando secaron el aire, obtuvieron el volumen que esperaban. "Claramente, ese es un factor muy importante", dice Moldover. "Si desea calibrar adecuadamente su volumen usando microondas, debe pensar seriamente en el contenido de agua".

"Gracias a Dios, el NIST está resolviendo algunos de los posibles problemas de ampliación", dice Harman. "Descubrir las minas terrestres ocultas antes de dar un paso suele ser la diferencia entre el éxito y el fracaso. Dado que las instalaciones de calibración de EE. UU. integran las técnicas de resonancia acústica y de microondas del NIST, saber que tenemos que medir la humedad antes de tiempo hace que nuestro trabajo sea mucho más fácil".

El NIST no tiene la infraestructura necesaria para probar caudalímetros realmente grandes del tipo que se usa en las tuberías interestatales, donde los caudales alcanzan los 5 m3/s a presiones de tubería de hasta 7 MPa. Sin embargo, el socio CRADA de NIST, CEESI, tiene una instalación de calibración ubicada junto a una tubería y tienen recipientes de recolección con volúmenes de 20 metros cúbicos. Así, las lecciones aprendidas de la gran bola azul llegarán a la industria.

"Si bien el sector energético de EE. UU. se beneficiará enormemente de la nueva tecnología del NIST", dice Harman, "las industrias del transporte, la fabricación y la aeroespacial también se beneficiarán. Los problemas de incertidumbre de la temperatura no se limitan solo a calibraciones primarias a gran escala; pequeñas y medianas Las calibraciones de tamaño enfrentan los mismos problemas de incertidumbre de temperatura. Las calibraciones de aire, oxígeno, nitrógeno, argón, dióxido de carbono, hidrógeno y helio no son inmunes a la estratificación de temperatura. CEESI está encantado de que NIST esté tomando la Gran Bola Azul y corriendo con ella. "

Proporcionado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología