Spooktellingen in luidruchtige gasleidingen

Het meetwiel, ook wel rotor genoemd

De Gasunie verkocht in 2005 een kleine honderd miljard kubieke meter gas. De kleinste structurele foutmeting levert op dit volume al snel een enorme afwijking op - van gas dat teveel of te weinig in rekening gebracht is. Geen wonder dat het bedrijf er belang bij heeft om het fenomeen ‘spooktellingen’ nader te bekijken. Promovenda ir. Petra Stoltenkamp (29) onderzocht hoe het kan dat gasmeters in beweging komen terwijl er geen gas stroomt.

In het gasdistributienet in Nederland zitten meetstations. Het gas passeert in zo’n station niet door één grote meter, maar door een reeks parallel geschakelde kleinere gasmeters. Deze opstelling heeft als achtergrond dat het zo ook bij zeer lage stromingen mogelijk is om nauwkeurig te meten. Er gaat dan een aantal meters dicht, zodat de stroming over slechts één of enkele kleine meters loopt. Maar dat is dan wel een stroming die voor die kleine meters nog redelijk fors is, en dus goed meetbaar.
In die meetstations treedt echter een vreemd verschijnsel op. De meters die zijn afgesloten geven onder bepaalde omstandigheden toch een stroming aan. Spooktellingen, zo heet dit verschijnsel. De oorzaak zit in geluidsgolven, ofwel: in pulsaties. Die kunnen in gasdistributiesystemen nogal eens voorkomen, bijvoorbeeld door het trillen van de pompen. Petra Stoltenkamp heeft nu het antwoord op de vraag hoe deze geluidsgolven het meetwiel in de zogenaamde axiale turbinedebietmeters in beweging kunnen brengen.
Om dit te onderzoeken bouwde ze een in tweeën gedeelde kast met links en rechts een luidspreker erop gemonteerd. De geluidsgolven kunnen alleen van compartiment 1 naar compartiment 2 door een verhoging in het midden van de kast. Daar wordt de lucht op en neer over een rand geforceerd die dezelfde vorm heeft als de randen van de bladen van een meetwiel. Met speciale apparatuur maakte Stoltenkamp zichtbaar wat het geluid bij de rand doet. Wat bleek? Aan het ene uiteinde van het blad treedt iets meer zuiging op dan aan het andere uiteinde. Met als gevolg: een kracht. En die zorgt ervoor dat het meetwiel beweegt.
Oorzaak voor het verschil in zuiging zit in de vorm van het blad: dat is namelijk aan een uiteinde afgerond, en aan het andere scherp. De lucht die passeert langs de scherpe kant, gaat minder scherp de bocht om doordat de stroming de rand niet kan volgen. En genereert daardoor aan de andere kant van het blad minder zuiging dan de lucht die passeert langs de afgeronde kant. De oplossing voor spooktellingen lijkt dus simpel: gebruik een meetwiel waarvan de bladen aan beide kanten scherp zijn. Of afgerond. Uit proeven van Stoltenkamp bleek inderdaad daad een meetwiel met een dergelijke vorm niet beweegt als er geen stroming is - wat voor pulsaties er ook zijn.
Stoltenkamp onderzocht niet alleen spooktellingen, ze onderzocht bijvoorbeeld ook wat er gebeurt als er pulsaties zijn terwijl het gas wel stroomt. Komen die pulsaties boven een bepaalde frequentie, dan kan het meetwiel door zijn massatraagheid de stroomveranderingen niet meer volgen. Dus geeft de meter een verkeerde uitslag. Dat kan soms een behoorlijke foutmarge opleveren. In de praktijk zal zo’n situatie echter nooit lang bestaan. “Bij zulke hoge pulsaties heb je zoveel lawaai in je systeem, dat je allang hebt ingegrepen”, weet de 29-jarige onderzoekster. Ze ontwikkelde en beproefde een formule die de uitslag van de meter corrigeert voor pulsaties. Implementatie ervan is echter lastig: een meter vertaalt normaalgesproken de draaiing van het meetwiel naar een volume, en kijkt niet naar andere parameters. Wil je het effect van pulsaties verdisconteren, dan moet je die apart gaan meten.
De vorm van het meetwiel - de rotor, in vaktermen - stond centraal in het werk van Stoltenkamp, samen met het fundamentele begrip van wat er nu precies voor krachtenspel speelt rond de bladen. Aan die kennis ontbreekt het bij meterfabrikanten veelal, is de ervaring van de onderzoekster. “Hun kennis is echt gebaseerd op ‘trial & error’. Ze kijken nooit naar de oorzaken.” /.

Een axiale turbinedebietmeter

Ir. Petra Stoltenkamp promoveerde afgelopen maandag op haar proefschrift Dynamics of Turbine Flow Meters. Ze deed haar onderzoek bij de Gasdynamica-groep van de faculteit Technische Natuurkunde.