Prüfgeräte für kleine Mengen erzielen große Wirkung in kleinen Mengen

Jul 06, 2023

In den letzten Jahren haben die Vereinigten Staaten etwa 8,5 Millionen Barrel Erdöl pro Tag importiert (und exportiert)[1]. Geht man davon aus, dass ein Barrel 75 US-Dollar wert ist (der Preis für ein Barrel Rohöl am 1. März 2023), dann beträgt die von den USA gehandelte Erdölmenge insgesamt rund 230 Milliarden US-Dollar pro Jahr. Unter der Annahme dieser Zahlen entspricht ein Fehler von 1 % bei der Messung von Erdölprodukten 2,3 Milliarden Dollar pro Jahr. Es liegt auf der Hand, dass die Genauigkeit dieser Messungen daher von entscheidender Bedeutung ist.

Um den kontinuierlichen Flüssigkeitsfluss zu messen, der durch eine Produktionsrohrleitung fließt, wird in dieser Rohrleitung ein Messgerät installiert. Aber wie kann man die Genauigkeit des Messgeräts regelmäßig überprüfen, ohne das Messgerät zu entfernen, den Produktfluss zu unterbrechen oder den Dosiervorgang zu unterbrechen? Die Antwort ist ein Volumenverschiebungsprüfer.

Viele petrochemische Anlagen verfügen über eine permanente Rohrprüfung. Ein Rohrprüfer ist ein Volumenverdrängungsprüfer, bei dem anstelle eines Kolbens eine Kugel als Verdränger verwendet wird. Im Allgemeinen benötigen Rohrprüfgeräte ein relativ großes Rohrsegment, um genaue Messergebnisse zu erzielen. Daher sind sie große Anlagen und nicht für den mobilen Einsatz geeignet. Doch aufgrund der Weiterentwicklung der Technologie sind Prüfgeräte für kleine Mengen mittlerweile eine praktikable Alternative. Sie sind kleiner als Rohrprüfgeräte und können daher mobil eingesetzt werden. Dadurch eignet sich der Small Volume Prover (SVP) für den Einsatz in örtlichen Eichämtern.

Im Februar 2023 wurden Mitarbeiter des NIST OWM eingeladen, einer Kalibrierung eines Prüfgeräts für kleine Mengen durch das staatliche Metrologielabor EC Heffron des Landwirtschaftsministeriums von Michigan beizuwohnen. Ziel war es, mehr über die in den staatlichen Metrologielaboren eingesetzten Kalibrierverfahren zu erfahren und die kritischen Faktoren zu ermitteln, die bei diesen Verfahren eine Rolle spielen. Das Michigan State Metrology Lab kalibriert pro Jahr etwa 15 SVPs mit einer Kapazität von 5 bis 30 Gallonen. Diese Prüfgeräte werden hauptsächlich in der petrochemischen Industrie eingesetzt.

Ein SVP wird als „Volumenverschiebungsprüfer“ bezeichnet. Das Prinzip eines Volumenverschiebungsprüfers ist ziemlich einfach. Ein Volumenverdrängungsprüfer besteht aus einem Rohr mit bekannter Kapazität, einer Vorrichtung zum Verdrängen von Flüssigkeit durch das Rohr und Sensoren, die erkennen, wann die Flüssigkeit den Anfang und das Ende ihrer Reise durch das Rohr erreicht hat.

Das SVP umfasst eine Stange, die mit zwei Sensoren ausgestattet ist, wie in Abbildung 1 als „A“ und „B“ dargestellt. Das genaue Volumen zwischen den beiden Sensoren wird bei der Kalibrierung des SVP im Labor überprüft. Das zu prüfende Messgerät erzeugt einen Impuls für jede Volumeneinheit, die durch das Messgerät fließt. Der Prüfer wird parallel zum Messgerät installiert, sodass beide die gleiche Flüssigkeitsmenge messen. Im Inneren des Prüfgeräts bewegt sich ein Verdränger mit der Flüssigkeit durch das Rohr. Wenn der Verdränger einen bestimmten Startpunkt im Rohr, Punkt A, passiert, wird ein Auslöser zum Starten einer Messung gegeben. Von diesem Moment an beginnt das mit dem Prüfgerät verbundene Messsystem mit der Zählung der vom Messgerät erzeugten Impulse. Wenn der Verdränger einen zweiten Punkt im Rohr, Punkt B, passiert, wird ein weiterer Auslöser erzeugt, um die Impulszählung zu stoppen. Die Flüssigkeit, die sich durch das Messgerät bewegt, ist nicht exakt dieselbe Flüssigkeit, die gleichzeitig vom SVP gemessen wird. Die Flüssigkeitsmengen sind jedoch gleich. Das heißt, die Flüssigkeitsmenge, die von Punkt A nach Punkt B gewandert ist, ist dieselbe wie die Flüssigkeitsmenge, die während der Zeit, die der Verdränger für die Reise von Punkt A nach Punkt B benötigte, durch das Messgerät geflossen ist. Da das genaue Volumen von Wenn der Abschnitt zwischen Punkt A und Punkt B bekannt ist, sollte dieses vorgegebene Volumen mit der Anzahl der vom Messgerät empfangenen Impulse multipliziert mit dem Volumen pro Messgerätimpuls übereinstimmen.

Ein SVP verwendet einen Kolben als Verdränger. Der Kolben ist mit einer Welle verbunden, die außerhalb des Gehäuses endet. Am Kolbenschaft ist ein Auslöser montiert, der die Sensoren an der angrenzenden Sensorleiste aktiviert, wenn sich der Kolben entlang des Schafts bewegt. Der Abstand (d) zwischen den Sensoren definiert das kalibrierte Volumen innerhalb des Gehäuses (Abbildung 2).

Der Kolben verfügt über eine Dichtung, um sicherzustellen, dass keine Flüssigkeit unbeabsichtigt durch den Kolben gelangt (während sich der Kolben über das kalibrierte Volumen bewegt). Der Kolben verfügt über ein Tellerventil, das sich öffnet, wenn der Kolben in die Ausgangsposition zurückgezogen wird. Dadurch wird der Flüssigkeitsfluss nicht unterbrochen.

Das Michigan State Metrology Laboratory wendet für die Kalibrierung seiner SVPs die NIST-Standardarbeitsanweisung 26 an. Das Ziel besteht darin, das Innenvolumen des kleinen Volumenprüfers zwischen den beiden Triggerpunkten (das kalibrierte Volumen) zu kalibrieren. Am Ende des Kalibrierungsprozesses wird das kalibrierte Volumen dann mit dem bei der letzten Kalibrierung ermittelten Volumen verglichen, um etwaige Abweichungen zu erkennen, die auf einen Defekt im Prüfgerät hinweisen könnten. Die angewandte Toleranz für die Wiederholgenauigkeit beträgt 0,02 %.

Es ist wichtig, dass der Durchfluss und die Konsistenz der während des Kalibrierungsprozesses verwendeten Flüssigkeit während der gesamten Messung konsistent sind. Für das Kalibrierungsverfahren verwendet das Michigan State Lab entmineralisiertes Wasser, das in einem 2.000-Gallonen-Tank (7.500 Liter) gelagert wird, um einen ausreichend konstanten Druck zu gewährleisten. Vor der eigentlichen Kalibrierung wird der Prüfer mit Wasser gefüllt und die gesamte Luft entlüftet. Sehen Sie in Abbildung 3 einen mobilen SVP, der auf einem Fahrzeuganhänger montiert ist.

Mit freundlicher Genehmigung des Michigan State Metrology Laboratory

Beim Start der Messung fließt Wasser durch das System und drückt den Kolben langsam nach vorne. Zunächst hat der Sensorauslöser am Kolbenschaft den Startsensor noch nicht erreicht und aus dem System austretendes Wasser wird abgelassen. Wenn der Auslöser den ersten Sensor erreicht (dh der Kolben hat den Anfang des kalibrierten Volumens erreicht), wird das aus dem System austretende Wasser automatisch in einen Tank umgeleitet, wo es gesammelt wird. Wenn der Auslöser den zweiten Sensor erreicht (dh der Kolben hat das Ende des kalibrierten Volumens erreicht), wird das austretende Wasser automatisch zurück zum Abfluss geleitet. Bei einem konstanten Durchfluss entspricht die im Tank gesammelte Wassermenge genau der Wassermenge, die im kalibrierten Volumen im Prüfgerät enthalten ist.

Das Labor verwendet eine gravimetrische Methode, um die Wassermenge im Tank zu bestimmen. Der Tank wird vor und nach dem Befüllen mit Wasser auf einer Waage gewogen. Als Massenkomparator für den Kalibriervorgang wird eine 600-kg-x-0,1-g-Waage verwendet, um die höchstmögliche Genauigkeit zu gewährleisten (Abbildung 4).

Mit freundlicher Genehmigung des Michigan Metrology Laboratory

Die Differenz zwischen den beiden Gewichten ist das Gewicht des Wassers im Tank. Das Gewicht des Wassers wird gemäß den in NIST SOP 26 bereitgestellten Berechnungen in ein Volumen umgewandelt. Es werden Korrekturen für die Temperatur und den Druck des Wassers im Prüfgerät vorgenommen. Zu diesem Zweck hat das Labor einen kalibrierten Drucksensor an einem Zugangspunkt am Prüfgerät angebracht und einen kalibrierten Temperatursensor in einem Schutzrohr im Gehäuse des Prüfgeräts platziert.

Idealerweise wird der Kalibrierungsvorgang mit einer Durchflussrate durchgeführt, die der des Prüfgeräts im Feldeinsatz ähnelt. Dies ist jedoch für viele staatliche Laborbetriebe nicht immer möglich. Ein 20-Gallonen-Gärschrank (ähnlich dem Gärschrank, der bei unserem Besuch kalibriert wurde) hat eine normale Betriebsdurchflussrate von etwa 500 Gallonen pro Minute. Mit dem Testaufbau im Michigan State Lab beträgt die maximal erreichbare Durchflussrate etwa 3 Gallonen pro Minute.

Um die Leistung der Kolbendichtungen zu überprüfen, wird das Kalibrierungsverfahren bei einer hohen Durchflussrate (ca. 3 Gallonen/Min.) und dann bei einer niedrigen Durchflussrate (ca. 2 Gallonen/Min.) durchgeführt. Der Test wird fünfmal in der folgenden Durchflussreihenfolge durchgeführt: hoch – niedrig – hoch – niedrig – hoch. Der Unterschied zwischen den Ergebnissen bei hoher und niedriger Durchflussrate wird dann genau untersucht, da jede Abweichung oft ein Hinweis darauf ist, dass Flüssigkeit durch die Dichtungen des Kolbens sickert. Kommt es nach der Kalibrierung zu einer signifikanten Änderung des kalibrierten Volumens, wird das neue kalibrierte Volumen in die Messsystem-Steuerungssoftware des Prüfers eingegeben.

Messgeräte für kleine Volumina können eine vorgegebene Menge an Flüssigkeitsverdrängung genau erkennen. Wie in diesem Artikel beschrieben, müssen während des Betriebs mehrere kritische Einflussfaktoren berücksichtigt werden, um eine zuverlässige Leistung sicherzustellen.

Kontrollierter Fluss. Es ist wichtig, dass keine Flüssigkeit am Kolben vorbeisickert, wenn dieser sich entlang des kalibrierten Volumens im Prüfgerät bewegt. Eine Dichtung um den Kolben verhindert das Eindringen von Flüssigkeit zwischen Kolben und Gehäuse. Eine weitere Dichtung am Tellerventil verhindert, dass während der Messung Flüssigkeit durch das Ventil sickert. Beide Dichtungen unterliegen einem Verschleiß. Es ist wichtig, dass die Dichtungen regelmäßig ausgetauscht werden, um eine genaue Messung zu gewährleisten. Einige Prüfgeräte verfügen über eine Leckerkennungsfunktion, die eventuelle Undichtigkeiten in den Kolbendichtungen erkennt. Andere Prüfgeräte bieten eine automatische Aufzeichnung der Anzahl der Vorgänge als Indikator für das Alter der Dichtungen, was es den Betreibern ermöglicht, einen angemessenen Lebenszyklus-Austauschplan zu planen.

Flusskonsistenz. Ein weiterer Faktor, der für die Genauigkeit der Messung eine Rolle spielt, ist die Konsistenz des Durchflusses und die Zusammensetzung der Flüssigkeit (dh die Flüssigkeit ist frei von Luftblasen und Verunreinigungen durch Inhomogenität). Da der kleine Volumenprüfer und das Messgerät an unterschiedlichen Positionen in der Rohrleitung installiert sind, misst der Prüfer nicht die gleiche Flüssigkeitsmenge wie das Messgerät während der Messung. Daher können Prüfgeräte für kleine Mengen nur in Situationen verwendet werden, in denen eine relativ konstante Zusammensetzung des Produkts vorliegt.

Temperatur. Ein dritter Faktor, der einen großen Einfluss auf die Messung hat, ist die Temperatur. Wenn die Temperatur steigt, dehnt sich das Gehäuse des Prüfgeräts aus und damit auch das kalibrierte Volumen. Tatsächlich wird die Temperatur des Gehäuses hauptsächlich durch die Temperatur der Flüssigkeit bestimmt, die durch den Prüfer fließt. Ein weiterer Ort, an dem die Temperatur eine Rolle spielt, ist die Sensorleiste. Dieser Teil befindet sich außerhalb des Raums, in dem die Flüssigkeit fließt, und ist daher anfälliger für Umwelteinflüsse. Die Temperatur der Sensorleiste ist wichtig, denn wenn die Temperatur steigt, dehnt sich die Sensorleiste aus und damit auch der Abstand zwischen den beiden Sensoren und damit auch das kalibrierte Volumen. Die Software des Prüfgeräts kompensiert während der Kalibrierung eines Messgeräts sowohl die Flüssigkeitstemperatur als auch die Temperatur der Sensorleiste.

Wir möchten dem Bundesstaat Michigan und insbesondere den Laborspezialisten des Metrologielabors EC Heffron des Bundesstaates Michigan für die Einladung, ihre Gastfreundschaft und ihren Beitrag zu diesem Newsletter danken. Klicken Sie hier, um mehr über die Michigan Laboratory Division zu erfahren, zu der sowohl das Messlabor als auch das Labor für Lebensmittelsicherheit und Viehzucht sowie deren Gewichte und Maße, die Qualität von Kraftstoffen und Umweltschutzprogramme gehören.

[1] Häufig gestellte Fragen US Energy Information Administration (EIA)