La précision du facteur d'étalonnage du débitmètre

27 février 2017

par l'Institut national des normes et de la technologie

L'année dernière, plus de 25 billions de pieds cubes de gaz naturel ont été livrés à des clients aux États-Unis, et lorsqu'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 énorme importance commerciale, et le NIST a un programme de recherche de longue date pour améliorer l'étalonnage des débitmètres. La portée de ce programme s'est littéralement élargie sous la forme d'un nouveau banc d'essai connu officieusement sous le nom de Big Blue Ball.

En règle générale, l'étalonnage des débitmètres implique l'écoulement d'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 recueillie dans le réservoir. La quantité de gaz collecté est généralement déterminée en utilisant : (1) le volume précisément connu du réservoir multiplié par (2) la variation 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 cerner. 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 débit, 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 imprécise 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 plusieurs petits débitmètres, un à la fois, puis les utilise en parallèle pour étalonner des débitmètres plus grands. 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 prennent du temps et demandent beaucoup de main-d'œuvre, et donc coûteux.

Il y a deux ans, des scientifiques du Laboratoire de mesure physique du NIST se sont attaqués à ce problème avec succès en concevant et en démontrant l'utilisation de la "thermométrie acoustique" pour mesurer avec précision et rapidité 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. Puisque le terme "grand récipient sphérique à haute pression" est une bouchée, il a été affectueusement renommé 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", déclare Michael Moldover, chef du groupe de métrologie des fluides du NIST, "La grande boule bleue nous permet de démultiplier 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 par un facteur 6 en volume, de 300 litres à 1800 litres. le volume sera augmenté d'un autre facteur de 3, voire 10."

La balle bleue est prêtée au campus du NIST à Gaithersburg, dans le Maryland, grâce à un accord de recherche et développement coopératif (CRADA) avec Colorado Engineering Experiment Station, Inc. (CEESI). CEESI est un laboratoire indépendant qui étalonne les débitmètres, y compris ceux utilisés dans les canalisations de gaz naturel.

En fin de compte, le groupe de Moldover s'attend à ce que CEESI et d'autres laboratoires d'étalonnage utilisent leur technique sur leurs sites pour des réservoirs et des compteurs beaucoup plus grands.

"Je doute qu'il existe une autre organisation dans le monde qui puisse faire ce que fait le NIST", déclare Eric Harman, ingénieur CEESI Natural Gas/Multiphase. "Les avantages pour l'industrie du gaz naturel seront immenses. Il est essentiel que les grands compteurs de gaz naturel soient calibrés avec précision et que chaque dollar d'énergie soit comptabilisé en utilisant la meilleure technologie disponible. Moldover et son groupe redéfinissent cette norme pour la meilleure technologie -possible. Cela change la donne."

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.

Étant donné que la physique de la Big Blue Ball est identique à celle utilisée pour les tests de preuve de principe, la mise à l'échelle devrait être simple. Cependant, le groupe de Moldover agit avec précaution pour identifier les problèmes de mesure potentiels à un volume et une pression accrus. Jusqu'à présent, les chercheurs ont porté la pression dans la Big Blue Ball à 2 MPa (20 atm) sur le chemin de 7 MPa (70 atm). Ils anticipent les obstacles.

"Par exemple, un générateur de sons et un détecteur de sons qui fonctionnent bien à une pression de quelques atmosphères pourraient ne pas bien fonctionner à 70 atmosphères", explique 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 vont un peu renverser les transducteurs. Nous verrons ce qui se passera. 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 lorsqu'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 n'étaient pas conformes aux prévisions. Le problème, semble-t-il, est survenu parce que l'air avait trop d'humidité, ce qui augmentait la constante diélectrique de l'air et diminuait les fréquences de résonance des micro-ondes par rapport aux valeurs attendues. Lorsqu'ils ont séché l'air, ils ont obtenu le volume qu'ils attendaient. "De toute évidence, c'est un facteur très important", a déclaré Moldover. "Si vous voulez bien calibrer votre volume à l'aide de micro-ondes, vous devez réfléchir sérieusement à la teneur en eau."

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

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

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

Fourni par l'Institut national des normes et de la technologie