L'année dernière, plus de 25 000 milliards de pieds cubes de gaz naturel ont été livrés à des clients aux États-Unis, et quand il a changé de mains, presque chaque pied cube a été mesuré à l'aide de débitmètres à gaz. La précision de ces compteurs a une importance commerciale énorme, et le NIST a un programme de recherche de longue date pour améliorer l'étalonnage des débitmètres. La portée de ce programme s'est maintenant littéralement étendue sous la forme d'un banc d'essai nouvellement arrivé connu officieusement sous le nom de Big Blue Ball.

Typiquement, l'étalonnage des débitmètres consiste à faire circuler un flux de gaz à travers le compteur testé puis dans un réservoir de collecte pendant un intervalle de temps mesuré. La précision du facteur d'étalonnage du débitmètre dépend d'une faible incertitude de mesure de la masse collectée dans le réservoir. La quantité de gaz collecté est généralement déterminée en utilisant :(1) le volume connu avec précision du réservoir multiplié par (2) le changement de densité du gaz dans le réservoir de collecte avant et après le processus de remplissage. La détermination de la densité nécessite de mesurer la pression et la température moyenne du gaz collecté.

Malheureusement, la température moyenne du gaz collecté est difficile à déterminer. Lorsque le gaz sous pression s'écoule dans un grand réservoir, le flux génère une distribution de température non uniforme dans tout le réservoir de collecte. Peu de temps après l'arrêt du flux, le gaz le plus chaud se retrouve près du haut du réservoir et le gaz le plus froid se retrouve près du fond. Cette situation rend difficile la mesure de la température moyenne par des moyens conventionnels. Une lecture rapide de quelques thermomètres est intrinsèquement inexacte, et les gradients de température dans les grands réservoirs persistent pendant des heures ou des jours.

Pour contourner le problème du gradient de température, Le NIST étalonne de nombreux petits débitmètres, un à la fois, puis les utilise en parallèle pour étalonner des compteurs plus gros. Les petits compteurs sont calibrés à l'aide d'un petit réservoir de collecte thermostaté pour éliminer rapidement les gradients de température. Cependant, les étalonnages multiples sont longs et laborieux, et donc cher.

Il y a deux ans, les scientifiques du laboratoire de mesure physique du NIST ont attaqué ce problème avec succès en concevant et en démontrant l'utilisation de la « thermométrie acoustique » pour mesurer avec précision et rapidement la température moyenne. Ils ont prouvé les principes en utilisant du gaz argon pur dans un petit réservoir. Maintenant, ils intensifient la thermométrie acoustique en utilisant un grand récipient sphérique à haute pression comme volume de collecte. Étant donné que le terme « grand récipient sphérique à haute pression » est une bouchée, il a été affectueusement rebaptisé le Big Blue Ball.

« Nous travaillons à un moyen d'étalonner les compteurs pour les grands débits à haute pression, tels que ceux utilisés pour mesurer le gaz naturel circulant à l'intérieur des pipelines interétatiques, " dit Michael Moldover, chef du groupe de métrologie des fluides du NIST, "Le Big Blue Ball nous permet de multiplier les tests de preuve de principe par un facteur 20 en pression, de 0,35 MPa à 7 MPa (3,5 atmosphères à 70 atm), et d'un facteur 6 en volume, de 300 litres à 1800 litres. Finalement, le volume sera augmenté d'un autre facteur de 3, voire 10."

La balle bleue est prêtée à Gaithersburg du NIST, Maryland., Campus, grâce à un accord de coopération en recherche et développement (CRADA) avec Colorado Engineering Experiment Station, Inc. (CEESI). Le CEESI est un laboratoire indépendant qui étalonne les débitmètres, compris ceux utilisés dans les gazoducs.

Finalement, Le groupe de Moldover attend, Le CEESI et d'autres laboratoires d'étalonnage utiliseront leur technique sur leurs sites pour des réservoirs et compteurs beaucoup plus grands.

"Je doute qu'il y ait une autre organisation dans le monde qui puisse faire ce que fait le NIST, " dit Eric Harman, Ingénieur CEESI Gaz Naturel/Multiphasé. « Les avantages pour l'industrie du gaz naturel seront immenses. Il est essentiel que les grands compteurs de gaz naturel soient étalonnés avec précision et que chaque dollar d'énergie soit comptabilisé en utilisant la meilleure technologie disponible. Moldover et son groupe redéfinissent cette norme à la meilleure technologie. -possible. C'est un changement de jeu. "

La méthode NIST est basée sur un principe physique fondamental :lorsqu'une onde sonore traverse un gaz avec des régions à différentes températures, la vitesse moyenne de l'onde sonore est déterminée par la température moyenne du gaz. En utilisant ce schéma, la tâche très difficile de mesurer la température est remplacée par celle, beaucoup plus simple, de mesurer la vitesse des ondes sonores lorsqu'elles se déplacent de l'émetteur au récepteur.

Parce que la physique dans la Big Blue Ball est identique à celle utilisée pour les tests de preuve de principe, la mise à l'échelle doit être simple. Cependant, Le groupe de Moldover se déplace prudemment pour identifier les problèmes de mesure potentiels à un volume et une pression accrus. Jusque là, les chercheurs ont porté la pression dans la Big Blue Ball jusqu'à 2 MPa (20 atm) sur le chemin de 7 MPa (70 atm). Ils anticipent les obstacles.

"Par exemple, un générateur de son et un détecteur de son qui fonctionnent bien à une pression de quelques atmosphères peuvent ne pas bien fonctionner à 70 atmosphères, " dit Moldover. " Lors de la mise à l'échelle, nous exposons notre générateur et notre détecteur à un débit à grande vitesse et à des changements de pression rapides ; ces contraintes renverseront un peu les transducteurs. Nous allons voir ce qui se passe. Au NIST, nous allons au-delà de la preuve de principe pour résoudre les problèmes d'ingénierie qu'un utilisateur pourrait rencontrer, ou du moins nous voulons suggérer des solutions plausibles."

La démonstration de preuve de principe de son groupe a utilisé du gaz argon pur. Mais quand ils ont rempli la boule bleue d'air comprimé et vérifié le volume de la grosse boule bleue à l'aide de résonances micro-ondes, les résultats étaient en désaccord avec les prédictions. Le problème, il semble, surgi parce que l'air avait trop d'humidité, ce qui a augmenté la constante diélectrique de l'air et diminué les fréquences de résonance des micro-ondes par rapport aux valeurs attendues. Quand ils ont séché l'air, ils ont obtenu le volume qu'ils attendaient. "Clairement, c'est un facteur très important, " dit Moldover. " Si vous voulez calibrer correctement votre volume à l'aide de micro-ondes, il faut penser sérieusement à la teneur en eau."

"Dieu merci, le NIST est en train d'aplanir certains des pièges potentiels de la mise à l'échelle, " Dit Harman. "Découvrir les mines terrestres cachées avant de marcher fait souvent la différence entre le succès et l'échec. Comme les installations d'étalonnage américaines intègrent les techniques de résonance acoustique et hyperfréquence du NIST, savoir que nous devons mesurer l'humidité à l'avance rend notre travail beaucoup plus facile."

Le NIST n'a pas l'infrastructure requise pour tester de très gros débitmètres du type utilisé dans les pipelines interétatiques, où les débits atteignent 5 m3/s à des pressions de canalisation jusqu'à 7 MPa. Cependant, partenaire CRADA du NIST, CEESI, dispose d'une installation d'étalonnage située à côté d'un pipeline et possède des récipients de collecte d'un volume de 20 mètres cubes. Ainsi, les leçons tirées de la grande boule bleue parviendront à l'industrie.

« Alors que le secteur énergétique américain bénéficiera grandement de la nouvelle technologie du NIST, " Harman dit, "le transport, fabrication, et les industries aérospatiales devraient également en bénéficier. Les problèmes d'incertitude de température ne se limitent pas aux étalonnages primaires à grande échelle; les étalonnages de petite et moyenne taille sont confrontés aux mêmes problèmes d'incertitude de température. Air, oxygène, azote, argon, gaz carbonique, hydrogène, et les étalonnages à l'hélium ne sont pas à l'abri de la stratification de la température. Le CEESI est ravi que le NIST prenne le Big Blue Ball et fonctionne avec. »