流量计校准改进

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在去年，过25万亿立方英尺的天然气被输送到美国的客户手中，交易时几乎每立方英尺都需用气体流量计测量。这些仪表的精度具有巨大的商业重要性，NIST的一项长期研究计划目的用来改进流量计的校准。该项目的范围现在实际上已经扩展到新试验台的形式，非正式地被称为Big-Blue-Ball 大蓝球。

通常情况下，校准流量计的过程是气体需要在测量的时间间隔内经过流量计，然后流入收集罐内。流量计校准的精度取决于罐收集的气体质量测量的低不确定度。收集气体的量通常由：(1)罐的已知体积乘以(2）充气前后收集于罐中气体密度的变化而得出,密度测定需要测量收集气体的压力和平均温度。

气体温度测定

然而遇到的一个问题是，收集到的气体的平均温度很难确定。 当加压气体流入大罐时，流动的气体在整个收集罐中产生不均匀的温度分布。 流动停止后不久，温度更高的这部分气体就会在罐顶附近聚集，而温度较低的气体就会在底部汇聚。 这种情况使得难以用常规方法测量平均温度。快速读取几个温度计的读数，从根本上而言，无法实现温度的准确测量，通常大罐的温度梯度持续了几个小时甚至几天。

为了解决温度梯度问题，NIST通常校准许多个小流量计，每次校准一个，然后将它们并联同时校准更大的流量计。 用一个小的收集罐校准小流量计，保持恒温，以快速消除温度梯度。 然而，多重校准耗时、劳动量大，因此校准费用昂贵。

两年前，NIST的物理测量实验室的科学家们通过设计和使用声学测温，准确、快速地测量平均温度，*地解决了这一问题。 他们在一个小罐中使用纯氩气体验证了实验原理。 现在他们扩展声学测温方法，采用一个巨大的、高压球状容器作为收集气体的容量。 由于“巨大的、高压球状容器”一词很长，它又称为大蓝球。

大蓝球的作用

NIST流体计量组组长Michael Moldover说：“我们正在研究一种方法来校准高压下的大流量计，比如用于测量州际管道内天然气流量的仪表，大蓝球可以将原理证明测试中的压力增高20倍，从0.35MPa至7MPa(3.5至70atm)，体积扩大6倍，从300升到1800升。*终，体积可以再扩展3倍，甚至扩展至10倍。

基于与科罗拉多工程实验站(CEESI)的合作研究和开发协议(CRADA)，蓝球被租借到NIST。CEESI是一个独立的实验室，用于校准流量计，包括用于天然气管道的流量计。

Moldover的研究小组期待，CEESI和其他校准实验室将在他们各自的站点上，能够应用研究组的技术，推广到校准体积更大的罐和更大流量的仪表上。

CEESI天然气/多相工程师Eric Harman说：“我认为世界上没有其他的机构在开展这项工作，对天然气工业将带来巨大的价值。 重要的是，大型天然气仪表需要校准，每一美元价值的能源交易都须应用*的技术。 Moldover和他的团队正在将这个标准重新定义为*的技术，而这正是改变游戏规则的技术。

物理原理

该方法基于一个基本的物理原理：当声波穿过在不同温度区域的气体时，声波的平均速度由气体的平均温度决定。 使用该方案，使测量温度非常困难的任务由更简单地测量从发射器到接收器的声波速度的工作所取代。

由于大蓝球中应用的物理理论与原理验证测试中相同，因此，声学测温中压力及体积的扩展很容易实现。然而，Moldover研究小组仍在仔细地开展研究，以确定在体积和压力增加时潜在的测量问题。 到目前为止，研究人员已将大蓝球的压力提高至2MPa(20atm)，并正在开展升至7MPa(70atm)的测试，他们预计将面临难点。

“例如，在几个大气压下工作良好的声音发生器和声音检测器在70个大气压下可能表现不佳，”Moldover说，“当进一步扩展压力时，发电机和探测器暴露在高速流动和快速压力变化中，这些压力会使传感器受到轻微的冲击。我们检测在这个过程中发生哪些变化。在NIST，研究小组越原理本身的验证，以解决用户可能遇到的工程问题，或者我们希望能提出合理的解决方案。

在原理验证时使用的是纯氩气体。 但是，当他们用压缩空气填充蓝球并应用微波共振方法测定大蓝球体积时，结果与预测的不一致。 问题的出现是因为空气中的水分过多，增加了空气的介电常数，降低了微波共振频率。 当采用干燥空气时，得到了他们期望的体积值。“显然，这是一个非常重要的因素，”Moldover说，“如果想用微波正确地校准体积，必须认真考虑含水量。”

“值得一提的是，NIST正在消除一些潜在的扩大误差的影响因素，” Harman说，“在进一步开展研究前，找出这些关键的问题，正决定了一项研究的*与失败。 由于美国的校准设施整合了NIST的微波和声学共振技术，了解到必须提前测量湿度使这项工作更加容易。”

在州际管道中测试使用的那种大型的流量计，流量达到5米3、管道压力高达7M Pa的情况，NIST还没有所需的标准装置。 然而，NIST的CRADA合作伙伴克罗拉多工程实验室CEESI设置了一套管道旁的标准装置，具备了20立方米的收集容器。因此，从大蓝球中结到的一些经验和解决问题的方法，可以推广至工业界，减少给工业带来的损失。

“美国能源部门将从NIST的新技术中获益良多，” Harman说，“运输、制造业和航空航天工业也将从中受益。温度不确定问题不仅仅限于大规模的原级校准，中、小型校准面临相同的温度不确定问题。 空气、氧气、氮气、氩、二氧化碳、氢和氦的校准都受到温度分层的影响。 CEESI很高兴NIST拥有大蓝球的技术，并不断取得进展。”

立方英尺气体中的实际分子数（即质量，决定能量大小）可能因压力、温度和其他变量的变化而有很大差异。 如果其它量已知，那么气体中的平均温度可以作为随质量变化的敏感变量。 在NIST系统中，通过在一面墙和另一面墙之间微波的反弹实验，观察哪条波长在这条路径上产生共振，可实现高精度体积测量，达到了大约万分的水平。微波测量也用于热膨胀和压力膨胀。

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