Por William Guin, Pofesional División Metrología INN 

Los investigadores del Instituto Nacional de Metrología de los EE.UU., el National Institute of Standards and Technology (NIST) han desarrollado una forma nueva y sólida de medir con precisión la velocidad a la que el gas entra y sale de un recipiente. La técnica utiliza ondas acústicas para determinar la temperatura media del gas y microondas para determinar el volumen del recipiente, permite medir especialmente bien los flujos de gas y las fugas de contenedores grandes.

Este método permitiría calibrar con mayor precisión los medidores de flujo de gas utilizados en las tuberías de gas natural. El valor económico del gas natural importado por Chile desde Argentina fue de aproximadamente unos 688 millones de dólares en 2022, por lo que la precisión de estas mediciones debe ser una preocupación para todos los involucrados en la cadena de suministro hasta que llega al consumidor final.

Los investigadores del NIST creen que la técnica acústica, una vez perfeccionada, podría adoptarse como un nuevo estándar primario en el NIST y potencialmente en el resto del mundo. Para determinar la cantidad de gas que sale de un recipiente, los investigadores necesitan conocer varias cantidades, incluido el volumen del recipiente, la presión y temperatura del gas.

En el método actual de medición del flujo de gas, desarrollado en el NIST y ahora el estándar nacional de los EE.UU., para calibrar medidores de flujo se determina la temperatura del gas sumergiendo el recipiente en un baño de agua con temperatura controlada. Debido a que la técnica deja suficiente tiempo para que la temperatura del gas alcance el equilibrio con la temperatura del baño de agua, aquella se puede determinar con alta precisión.

Sin embargo, medir la temperatura del gas que fluye desde recipientes grandes plantea un problema dado que los contenedores no se pueden sumergir fácilmente en un baño de agua. Una alternativa, es confiar en numerosos sensores de temperatura colocados dentro del recipiente, pero puede resultar poco práctica debido a la gran cantidad de sensores, cada uno de los cuales requeriría una calibración por separado.

Para calibrar grandes flujos de gas utilizando el estándar nacional actual de los EE.UU., los metrólogos deben utilizar una estrategia de arranque donde se calibran múltiples medidores que miden flujos y presiones relativamente pequeños, luego montan estos medidores en paralelo para lograr flujos y presiones mayores en múltiples pasos que requieren hasta 48 calibraciones. Este procedimiento añade costo e incertidumbre a las mediciones.

El nuevo método emplea ondas acústicas para determinar la temperatura promedio del gas en recipientes grandes. Esta técnica, que no requiere sensores de temperatura adicionales, es confiable incluso si la temperatura varía en todo el volumen del gas. Debido a estas ventajas, esta técnica podría disminuir significativamente el número de pasos en la cadena de calibración y así reducir la incertidumbre en la medición del flujo final.

Para demostrar la nueva técnica, el equipo del NIST montó una fuente de ondas sonoras en un extremo de un recipiente cilíndrico y un sensor en el extremo opuesto del sistema. El sensor recibe las ondas sonoras, que se modifican y luego se devuelven al sistema para reforzar y fortalecer las ondas fuente.

Esta disposición, conocida como circuito de retroalimentación positiva, crea una oscilación acústica autosostenida en la frecuencia natural o de resonancia del gas, de manera muy similar a como el tubo de un órgano reverbera en un conjunto particular de frecuencias. La frecuencia de resonancia depende de la velocidad del sonido en el gas, que a su vez es proporcional a la temperatura media del gas. Al seguir la frecuencia de resonancia, las ondas sonoras miden la temperatura promedio del gas, sin necesidad de un baño de agua ni de una gran cantidad de sensores de temperatura.

Incluso si la temperatura del gas en el recipiente cambia, lo que sucederá cuando el gas entre o salga del recipiente, la capacidad del sistema acústico para fijar la frecuencia de resonancia garantiza que siempre se conozca la temperatura instantánea del gas. Por ejemplo, cuando el gas sale de un recipiente, la temperatura del gas restante disminuye. Pero debido a que la frecuencia de resonancia del gas disminuye en sincronía con la disminución de la temperatura, el sistema puede registrar la temperatura más baja.

Los investigadores combinaron sus mediciones de temperatura de precisión con mediciones del volumen de gas, utilizando microondas, y la presión del gas, para determinar el caudal. Una ventaja de la técnica acústica es que es relativamente simple, no hay partes móviles y lo único que se mueve es el gas. Antes de que el método acústico pueda convertirse en un estándar, los investigadores tendrán que probar la técnica con recipientes y flujos de gas más grandes.