Die Genauigkeit des Kalibrierungsfaktors des Durchflussmessers

27. Februar 2017

vom National Institute of Standards and Technology

Im vergangenen Jahr wurden mehr als 25 Billionen Kubikfuß Erdgas an Kunden in den Vereinigten Staaten geliefert, und als das Unternehmen den Besitzer wechselte, wurde fast jeder Kubikfuß mit Gasdurchflussmessern gemessen. Die Genauigkeit dieser Messgeräte ist von enormer kommerzieller Bedeutung, und NIST verfügt über ein langjähriges Forschungsprogramm zur Verbesserung der Kalibrierung von Durchflussmessern. Der Umfang dieses Programms hat sich nun im wahrsten Sinne des Wortes erweitert, und zwar in Form eines neu eingeführten Testfelds, das informell als „Big Blue Ball“ bekannt ist.

Typischerweise erfordert die Kalibrierung von Durchflussmessern, dass während eines gemessenen Zeitintervalls ein Gasstrom durch das zu prüfende Messgerät und dann in einen Sammeltank geleitet wird. Die Genauigkeit des Kalibrierungsfaktors des Durchflussmessers hängt von einer Messung der im Tank gesammelten Masse mit geringer Unsicherheit ab. Die Menge des gesammelten Gases wird üblicherweise bestimmt durch: (1) das genau bekannte Volumen des Tanks multipliziert mit (2) der Dichteänderung des Gases im Sammeltank vor und nach dem Füllvorgang. Die Dichtebestimmung erfordert die Messung des Drucks und der Durchschnittstemperatur des gesammelten Gases.

Leider lässt sich die Durchschnittstemperatur des gesammelten Gases nur schwer bestimmen. Wenn unter Druck stehendes Gas in einen großen Tank strömt, erzeugt die Strömung eine ungleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Sammeltank. Kurz nachdem der Fluss stoppt, landet das wärmste Gas oben im Tank und das kälteste Gas unten. Diese Situation macht es schwierig, die Durchschnittstemperatur mit herkömmlichen Mitteln zu messen. Das sofortige Ablesen einiger weniger Thermometer ist von Natur aus ungenau und die Temperaturgradienten in großen Tanks bleiben stunden- oder tagelang bestehen.

Um das Temperaturgradientenproblem zu umgehen, kalibriert NIST viele kleine Durchflussmesser nacheinander und verwendet sie dann parallel zur Kalibrierung größerer Messgeräte. Die Kalibrierung der kleinen Messgeräte erfolgt über einen kleinen Auffangbehälter, der thermostatisiert ist, um Temperaturgradienten schnell zu beseitigen. Allerdings sind die mehrfachen Kalibrierungen zeit- und arbeitsintensiv und daher teuer.

Vor zwei Jahren haben Wissenschaftler am NIST-Labor für physikalische Messungen dieses Problem erfolgreich angegangen, indem sie den Einsatz der „akustischen Thermometrie“ zur genauen und schnellen Messung der Durchschnittstemperatur entwickelt und demonstriert haben. Sie bewiesen die Prinzipien mit reinem Argongas in einem kleinen Tank. Jetzt erweitern sie die akustische Thermometrie mithilfe eines großen kugelförmigen Hochdruckgefäßes als Sammelvolumen. Da der Begriff „großes kugelförmiges Hochdruckgefäß“ weit hergeholt ist, wurde es liebevoll in „Big Blue Ball“ umbenannt.

„Wir arbeiten an einer Möglichkeit, Messgeräte für große Durchflüsse bei hohen Drücken zu kalibrieren, wie sie beispielsweise zur Messung des Erdgasflusses in zwischenstaatlichen Pipelines verwendet werden“, sagt Michael Moldover, Leiter der Fluid Metrology Group des NIST. „Der Big Blue Ball ermöglicht es uns.“ Skalieren Sie den Druck der Proof-of-Principle-Tests um den Faktor 20 von 0,35 MPa auf 7 MPa (3,5 Atmosphären auf 70 atm) und das Volumen um den Faktor 6 von 300 Liter auf 1800 Liter Die Lautstärke wird um einen weiteren Faktor 3 oder sogar 10 erhöht.“

Der blaue Ball ist dank einer kooperativen Forschungs- und Entwicklungsvereinbarung (CRADA) mit Colorado Engineering Experiment Station, Inc. (CEESI) an den NIST-Campus in Gaithersburg, Maryland, ausgeliehen. CEESI ist ein unabhängiges Labor, das Durchflussmesser kalibriert, auch solche, die in Erdgaspipelines verwendet werden.

Letztlich, so erwartet Moldovers Gruppe, werden CEESI und andere Kalibrierungslabore ihre Technik an ihren Standorten für viel größere Tanks und Messgeräte einsetzen.

„Ich bezweifle, dass es eine andere Organisation auf der Welt gibt, die das tun könnte, was NIST tut“, sagt Eric Harman, CEESI-Ingenieur für Erdgas/Mehrphasen. „Der Nutzen für die Erdgasindustrie wird immens sein. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass große Erdgaszähler genau kalibriert werden und jeder Energiedollar mit der besten verfügbaren Technologie verrechnet wird. Moldover und seine Gruppe definieren diesen Standard neu und machen ihn zur besten Technologie.“ -möglich. Das ist ein Game Changer.“

Die NIST-Methode basiert auf einem grundlegenden physikalischen Prinzip: Wenn sich eine Schallwelle durch ein Gas mit Regionen unterschiedlicher Temperatur bewegt, wird die Durchschnittsgeschwindigkeit der Schallwelle durch die Durchschnittstemperatur des Gases bestimmt. Mit diesem Schema wird die sehr schwierige Aufgabe der Temperaturmessung durch die viel einfachere Aufgabe ersetzt, die Geschwindigkeit der Schallwellen auf ihrem Weg vom Sender zum Empfänger zu messen.

Da die Physik im Big Blue Ball mit der für Proof-of-Principle-Tests verwendeten Physik identisch ist, sollte die Skalierung unkompliziert sein. Moldovers Gruppe arbeitet jedoch sorgfältig daran, potenzielle Messprobleme bei erhöhtem Volumen und erhöhtem Druck zu identifizieren. Bisher haben die Forscher den Druck im Big Blue Ball auf 2 MPa (20 atm) und später auf 7 MPa (70 atm) erhöht. Sie antizipieren Hindernisse.

„Zum Beispiel funktionieren ein Schallgenerator und ein Schalldetektor, die bei einem Druck von einigen Atmosphären gut funktionieren, bei 70 Atmosphären möglicherweise nicht gut“, sagt Moldover. „Bei der Skalierung setzen wir unseren Generator und Detektor einem Hochgeschwindigkeitsfluss und schnellen Druckänderungen aus. Diese Belastungen werden die Wandler ein wenig durcheinander bringen. Wir werden sehen, was passiert. Bei NIST gehen wir über den Beweis hinaus.“ -Prinzip, um technische Probleme zu lösen, auf die ein Benutzer stoßen könnte – oder zumindest möchten wir plausible Lösungen vorschlagen.“

Die Proof-of-Principle-Demonstration seiner Gruppe verwendete reines Argongas. Doch als sie die blaue Kugel mit Druckluft füllten und das Volumen der großen blauen Kugel mithilfe von Mikrowellenresonanzen überprüften, stimmten die Ergebnisse nicht mit den Vorhersagen überein. Das Problem entstand offenbar dadurch, dass die Luft zu viel Feuchtigkeit enthielt, was die Dielektrizitätskonstante der Luft erhöhte und die Mikrowellenresonanzfrequenzen von den erwarteten Werten absenkte. Als sie die Luft trockneten, erhielten sie die erwartete Lautstärke. „Das ist eindeutig ein sehr wichtiger Faktor“, sagt Moldover. „Wenn Sie Ihr Volumen mithilfe von Mikrowellen richtig kalibrieren möchten, müssen Sie ernsthaft über den Wassergehalt nachdenken.“

„Gott sei Dank beseitigt NIST einige der potenziellen Fallstricke bei der Ausweitung“, sagt Harman. „Verborgene Landminen aufzudecken, bevor man sie betritt, ist oft der Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg. Da US-Kalibrierungseinrichtungen die Mikrowellen- und akustischen Resonanztechniken des NIST integrieren, erleichtert das Wissen, dass wir die Luftfeuchtigkeit im Voraus messen müssen, unsere Arbeit erheblich.“

NIST verfügt nicht über die erforderliche Infrastruktur, um wirklich große Durchflussmesser zu testen, wie sie in zwischenstaatlichen Pipelines verwendet werden, wo Durchflussraten 5 m3/s bei Pipelinedrücken von bis zu 7 MPa erreichen. Allerdings verfügt der CRADA-Partner von NIST, CEESI, über eine Kalibrierungsanlage neben einer Pipeline und verfügt über Sammelbehälter mit einem Volumen von 20 Kubikmetern. So werden die Lehren aus dem großen blauen Ball auch in der Industrie ankommen.

„Während der US-Energiesektor stark von der neuen Technologie des NIST profitieren wird“, sagt Harman, „werden auch die Transport-, Fertigungs- und Luft- und Raumfahrtindustrie profitieren. Temperaturunsicherheitsprobleme beschränken sich nicht nur auf Primärkalibrierungen im großen Maßstab, sondern auch auf kleine und mittlere.“ Bei Kalibrierungen in der Größenordnung von 100 bis 150 mm bestehen die gleichen Probleme mit der Temperaturunsicherheit. Kalibrierungen von Luft, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Kohlendioxid, Wasserstoff und Helium sind nicht immun gegen Temperaturschichtungen. CEESI ist begeistert, dass NIST den großen blauen Ball annimmt und mitläuft. "

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