Measurement of clean water flow in closed conduits — Velocity-area method using current-meters in full conduits and under regular flow conditions

ISO 3354:2008 specifies a method for the determination of the volume flow-rate in a closed conduit by means of the velocity-area method using propeller-type current-meters under the following conditions: a) the velocity distribution is regular; b) the fluid is water which is clean or considered to be clean; c) the conduit is full; d) the flow is steady. ISO 3354:2008 deals in particular with the technology and calibration of propeller-type current-meters, the measurement of local velocities and the calculation of the flow-rate by velocity integration.

Mesurage de débit d'eau propre dans les conduites fermées — Méthode d'exploration du champ des vitesses dans les conduites en charge et dans le cas d'un écoulement régulier, au moyen de moulinets

L'ISO 3354:2008 spécifie une méthode de détermination du débit-volume par exploration du champ des vitesses au moyen de moulinets à hélice dans une conduite fermée, dans les conditions suivantes: la répartition des vitesses doit être régulière, le fluide doit être de l'eau propre ou considérée comme telle, la conduite doit être en charge et le régime doit être permanent. L'ISO 3354:2008 traite en particulier de la technologie et de l'étalonnage des moulinets, du mesurage des vitesses locales et du calcul du débit par intégration de ces vitesses.

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Status
Published
Publication Date
09-Jul-2008
Current Stage
9093 - International Standard confirmed
Start Date
27-Jan-2012
Completion Date
07-Dec-2017
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ISO 3354:2008 - Measurement of clean water flow in closed conduits -- Velocity-area method using current-meters in full conduits and under regular flow conditions
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ISO 3354:2008 - Mesurage de débit d'eau propre dans les conduites fermées -- Méthode d'exploration du champ des vitesses dans les conduites en charge et dans le cas d'un écoulement régulier, au moyen de moulinets
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 3354
Third edition
2008-07-15
Measurement of clean water flow in
closed conduits — Velocity-area method
using current-meters in full conduits and
under regular flow conditions
Mesurage de débit d'eau propre dans les conduites fermées —
Méthode d'exploration du champ des vitesses dans les conduites en
charge et dans le cas d'un écoulement régulier, au moyen de moulinets
Reference number
ISO 3354:2008(E)
ISO 2008
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ISO 3354:2008(E)
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Published in Switzerland
ii © ISO 2008 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 3354:2008(E)
Contents Page

Foreword............................................................................................................................................................. v

1 Scope ......................................................................................................................................................1

2 Normative references ............................................................................................................................1

3 Terms and symbols ...............................................................................................................................2

3.1 Terms ......................................................................................................................................................2

3.2 Symbols ..................................................................................................................................................3

4 Principle..................................................................................................................................................4

4.1 General....................................................................................................................................................4

4.2 Measurement of the measuring cross-section ...................................................................................5

4.3 Measurement of local velocities...........................................................................................................6

4.4 Location and number of measuring points in the cross-section .....................................................7

5 Description of the current-meter..........................................................................................................9

6 Requirements for the use of current-meters ......................................................................................9

6.1 Selection of the measuring cross-section ..........................................................................................9

6.2 Devices for improving flow conditions..............................................................................................10

6.3 Calibration of the current-meter.........................................................................................................11

6.4 Limits of use.........................................................................................................................................11

6.5 Inspection and maintenance of current-meters ...............................................................................13

7 Setting of current-meters into the conduit........................................................................................13

7.1 Setting of current-meters....................................................................................................................13

7.2 Mounting in a circular cross-section.................................................................................................13

7.3 Mounting in a rectangular cross-section ..........................................................................................14

8 Determination of the mean axial fluid velocity by graphical integration of the velocity area .....16

8.1 General..................................................................................................................................................16

8.2 Circular cross-sections.......................................................................................................................16

8.3 Rectangular cross-sections................................................................................................................18

9 Determination of the mean axial fluid velocity by numerical integration of the velocity

area........................................................................................................................................................20

9.1 General..................................................................................................................................................20

9.2 Circular cross-sections.......................................................................................................................21

9.3 Rectangular cross-sections................................................................................................................22

10 Determination of the mean axial fluid velocity by arithmetical methods.......................................23

10.1 General..................................................................................................................................................23

10.2 Log-linear method................................................................................................................................23

10.3 Log-Chebyshev method......................................................................................................................25

11 Uncertainty in the measurement of flow-rate ...................................................................................27

11.1 General..................................................................................................................................................27

11.2 Sources of error in local velocity measurements ............................................................................27

11.3 Sources of error in estimation of flow-rate .......................................................................................28

11.4 Propagation of errors ..........................................................................................................................29

11.5 Presentation of results........................................................................................................................29

11.6 Calculation of uncertainty...................................................................................................................30

Annex A (normative) Measuring sections other than circular or rectangular sections ............................33

Annex B (normative) Corrections for blockage effect...................................................................................38

© ISO 2008 – All rights reserved iii
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ISO 3354:2008(E)

Annex C (normative) Recommendations for the selection of the type of current-meter and

mounting strut..................................................................................................................................... 39

Annex D (normative) Example of measuring point distribution along a radius for velocity

measurement in a conduit of circular cross-section in the case of the graphical and

numerical methods ............................................................................................................................. 41

Annex E (normative) Determination of boundary layer coefficient, m, for extrapolation near the

wall........................................................................................................................................................ 43

Annex F (normative) Definition of terms and procedures used in the uncertainty calculation ............... 45

Annex G (normative) Student's t distribution................................................................................................ 48

Annex H (informative) Examples of values of component uncertainties.................................................... 49

Annex J (informative) Example of calculation of the uncertainty in the flow-rate measurement

using current-meters .......................................................................................................................... 51

iv © ISO 2008 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 3354:2008(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies

(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO

technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been

established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and

non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the

International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.

International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.

The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards

adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an

International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent

rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.

This International Standard was prepared by Technical Committee ISO/TC 30, Measurement of fluid flow in

closed conduits, Subcommittee SC 5, Velocity and mass methods.

This third edition results from the reinstatement of ISO 3354:1988 which was withdrawn in 2003 and with

which it is technically identical.
© ISO 2008 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 3354:2008(E)
Measurement of clean water flow in closed conduits —
Velocity-area method using current-meters in full conduits
and under regular flow conditions
1 Scope

This International Standard specifies a method for the determination of the volume flow-rate in a closed

conduit by means of the velocity-area method using propeller-type current-meters under the following

conditions:
a) the velocity distribution is regular (see 6.1.2);
b) the fluid is water which is clean or considered to be clean ;
c) the conduit is full;
d) the flow is steady .

It deals in particular with the technology and calibration of propeller-type current-meters, the measurement of

local velocities and the calculation of the flow-rate by velocity integration.
2 Normative references

The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated

references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced

document (including any amendments) applies.
ISO 3455, Hydrometry — Calibration of current-meters in straight open tanks
ISO 4006, Measurement of fluid flow in closed conduits — Vocabulary and symbols

ISO 5168, Measurement of fluid flow — Procedures for the evaluation of uncertainties

ISO 7194, Measurement of fluid flow in closed conduits — Velocity-area methods of flow measurement in

swirling or asymmetric flow conditions in circular ducts by means of current-meters or Pitot static tubes

1) This method may be applied to other single-phase fluids but special precautions should be taken in this case.

2) The steady flows observed in conduits are in practice flows in which quantities such as velocity, pressure, density and

temperature vary in time about mean values independent of time; these are actually “mean steady flows”.

© ISO 2008 – All rights reserved 1
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ISO 3354:2008(E)
3 Terms, definitions and symbols

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 4006 and the following apply.

3.1 Terms
3.1.1
current-meter

device provided with a rotor the rotational frequency of which is a function of the local velocity of the fluid in

which the device is immersed

NOTE 1 This International Standard is concerned only with propeller-type current-meters, i.e. current-meters the rotor

of which is a propeller rotating around an axis approximately parallel to the direction of flow.

NOTE 2 Obviously this definition does not prohibit the use of self-compensating propellers (see 6.1.5), the merit of

which is, in particular, that they can be used at a rather high angle relative to the local direction of the flow. However, the

use of cup-type current-meters is not allowed for the purposes of this International Standard.

3.1.2
stationary array

set of current-meters mounted on one or more fixed supports which sample simultaneously the whole

measuring cross-section
3.1.3
peripheral flow-rate

the volume flow-rate in the area located between the pipe wall and the contour defined by the velocity

measuring points which are closest to the wall
3.1.4
mean axial fluid velocity

ratio of the volume flow-rate (the integral over a cross-section of the conduit of the axial components of the

local fluid velocity) to the area of the measuring cross-section
3.1.5
relative velocity

ratio of the flow velocity at the considered point to a reference velocity measured at the same time, which is

either the velocity at a particular point (e.g. at the centre of a circular conduit) or the mean axial fluid velocity in

the measuring section
3.1.6
straight length

portion of a conduit whose axis is straight, and in which the cross-sectional area and cross-sectional shape

are constant; the cross-sectional shape is usually circular or rectangular, but could be annular or any other

regular shape
3.1.7
irregularity

any pipe fitting or configuration of a conduit which renders the conduit different from a straight length or which

produces a considerable difference in wall roughness

NOTE In the case of the method of measurement specified in this International Standard, those irregularities which

create the most serious disturbances are generally bends, valves, gates and sudden widening of the cross-section.

3.1.8
hydraulic diameter

diameter equal to four times the hydraulic radius, i.e. four times the ratio of the wetted cross-sectional area to

the wetted perimeter

EXAMPLE In a conduit of circular cross-section running full, the hydraulic diameter is equal to the geometric

diameter.
2 © ISO 2008 – All rights reserved
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ISO 3354:2008(E)
3.1.9
index of asymmetry

〈for circular ducts〉 ratio of the standard deviation of the mean velocities calculated along each radius (i.e.

along each radial line from the pipe centre to the wall along which velocity measuring positions are located) to

the mean axial fluid velocity calculated for the pipe, i.e.
1/ 2
⎢⎥UU−
∑ i
U 1
i i=1
Y==
UU n−1
where

U is the mean velocity, calculated, in accordance with the integration method agreed, from the

individual point velocity measurements on the ith radius (see 8.2 and 9.2);

U is the mean axial fluid velocity calculated from all the individual point velocity measurements

throughout the cross-section;
n is the number of radii along which measurements are made
3.1.10
regular velocity distribution

distribution of velocities which sufficiently approaches a fully developed velocity distribution to permit an

accurate measurement of the flow-rate to be made
3.2 Symbols
Symbol Quantity Dimension SI unit
2 2
area of the measuring cross-section
L m
distance along a measuring line in a rectangular cross-section L m
a, a′
from the extreme measuring point to the nearest wall
D pipe diameter L m
propeller diameter L m
a a
e uncertainty (absolute value)
— —
a a
e random uncertainty
— —
a a
e systematic uncertainty
— —
E relative uncertainty — —
E relative random uncertainty — —
E relative systematic uncertainty — —
H length of the smaller side of the cross-section of a rectangular L m
conduit
h distance from a given measuring point to the reference wall, in L m
the direction parallel with the smaller side of the cross-section
k equivalent uniform roughness L m
L length of the larger side of the cross-section of a rectangular L m
conduit
© ISO 2008 – All rights reserved 3
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ISO 3354:2008(E)
Symbol Quantity Dimension SI unit
l distance from a given measuring point to the reference wall, in L m
the direction parallel with the larger side of the cross-section
boundary layer coefficient — —
n frequency of rotation of a propeller r/s
p number of measuring points along a radius (circular cross- — —
section) or a straight line (rectangular cross-section)
3 −1 3
q volume flow-rate
L T m /s
R pipe radius L m
r measuring circle radius L m
* — —
r measuring circle relative radius, rr= R
Re Reynolds number — —
U mean axial fluid velocity m/s
u mean velocity along a measurement circumference or line m/s
v local velocity of the fluid m/s
v local velocity of the fluid at the centre-line of the pipe m/s
Y index of asymmetry of the flow — —
y distance from a measuring point to the nearest wall L m
— —
relative interval between two measuring points, yl=−l L
y ( )
ii−1
polar angle of a measuring point (in a circular cross-section) — rad
λ universal coefficient for pipe head loss — —
The dimensions and units are those of the quantity to which the symbol refers.
4 Principle
4.1 General
The principle of the method consists of

a) measuring the dimensions of the measuring section, which shall be chosen to be normal to the conduit

axis; this measurement is for defining the area of the cross-section (see 4.2);

b) defining the position of the measuring points in this cross-section, where the number of measuring points

shall be sufficient to permit adequate determination of the velocity distribution (see 4.3);

c) measuring the axial component of the velocity at these measuring points;
d) determining the mean axial fluid velocity from the preceding measurements;

e) calculating the volume flow-rate, which is equal to the product of the cross-sectional area and the mean

axial fluid velocity.

However, for certain cross-sections of particular shape, the treatment of the measurement leads directly to the

flow-rate determination without a preliminary calculation of the cross-sectional area and mean axial fluid

velocity (see Annex A).
4 © ISO 2008 – All rights reserved
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ISO 3354:2008(E)

The error resulting from the use of the velocity-area method is dependent, among other factors, on the shape

of the velocity profile and on the number and position of the measuring points.

The method of measurement and the requirements defined in this International Standard aim at achieving (at

the 95 % confidence level) an uncertainty in flow-rate not greater than ± 2 % provided that the correction for

blockage effect (see 6.4.3 and Annex B) has been applied.

However, this method is valid only if the flow is not affected by excessive swirl or asymmetry; criteria are given

in 6.1.2 so that an estimate can be made of whether or not the flow is regular enough for this International

Standard to be applicable and whether the uncertainty lies within the required range. If not, reference should

be made to ISO 7194.

In general, if any of the requirements of this International Standard are not fulfilled, this method may still be

applied but the uncertainty in the flow-rate measurement will be larger.

Moreover, only circular and rectangular cross-sections are specifically dealt with in this International Standard,

to cover the large majority of practical cases. Nevertheless, directions on how to proceed for certain other

cross-sections of particular shape are given in Annex A.

This International Standard presents three methods for determining the mean axial fluid velocity as follows.

4.1.1 Graphical integration of the velocity area (see Clause 8)

This method consists of plotting the velocity profile on a graph and evaluating the area under the curve which

is bounded by the measuring points closest to the wall. To the value thus obtained is added a term

representing the peripheral flow-rate (see 3.1.3) which is calculated on the assumption that the velocity profile

in this zone satisfies a power law.

For this method, the measuring points may be located at whichever positions are required in order to obtain a

satisfactory knowledge of the velocity profile.
4.1.2 Numerical integration of the velocity area (see Clause 9)

The only difference between this method and the previous method (4.1.1) lies in the fact that the graphical

velocity profile is replaced by an algebraic curve and the integration is carried out mathematically.

4.1.3 Arithmetical methods (see Clause 10)

The arithmetical methods assume that the velocity distribution follows a particular law; the mean velocity in the

conduit is then given by a linear combination of the individual velocities measured at the locations specified by

the method.

For the arithmetical methods described in Clause 10, the assumption is made that in the peripheral zone the

velocity distribution follows a logarithmic law as a function of the distance from the wall.

4.2 Measurement of the measuring cross-section
4.2.1 Circular cross-sections

The mean diameter of the conduit is taken as equal to the arithmetic mean of measurements carried out on at

least four diameters which are at approximately equal angles to one another in the measuring section. If the

difference between the lengths of two consecutive diameters is greater than 0,5 %, the number of measured

diameters shall be doubled.
© ISO 2008 – All rights reserved 5
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ISO 3354:2008(E)
4.2.2 Rectangular cross-sections

The smaller side and larger side of the conduit shall both be measured at least on each straight line passing

through the measuring points. If the difference between the widths (or heights) corresponding to two

successive measuring lines is greater than 1 %, the number of measured widths (or heights) shall be doubled.

4.3 Measurement of local velocities
4.3.1 General

The flow velocity at a point of the measuring section is determined by measuring the rotational frequency of a

current-meter placed at that point and by entering this value in the calibration equation of the current-meter.

The current-meter rotational frequency may be obtained:

⎯ either by counting the number of propeller rotations which occur within a predetermined period; or

⎯ by measuring the time required by the propeller to perform a specified number of rotations.

Another method that may be used is that whereby the velocity is determined by direct measurement of the

signal frequency.

For both methods, various measuring points in the cross-section may be explored simultaneously or

successively (see 4.3.2 and 4.3.3).
4.3.2 Simultaneous measurements

When several current-meters are used simultaneously, the method by measuring the time requires more

sophisticated counting equipment than the method by counting the number of revolutions, but it is more

accurate. The latter method may actually lead to an error since if a time interval is chosen, it may not

correspond to a whole number of rotations.

As local velocities are generally subject to long-term fluctuations, it is necessary to provide a sufficient period

of measurement for determining the mean velocity correctly. This period of time may be determined by

measuring the same flow-rate during gradually increasing intervals of time. The time of measurement, t, to be

adopted shall be such that the values of the mean velocity in the cross-section, obtained for measuring times

equal to t and t + ∆t, shall not vary by more than x %. For example, ∆t could be about 30 s and x chosen to be

0,1 %. Time, t, may vary according to the mean fluid velocity.
4.3.3 Non-simultaneous measurements

In cases where all velocity measurements points are not sampled simultaneously, it is essential that the shape

of the velocity profile in the measuring cross-section remain stable and be unaffected by possible variations in

the flow-rate during the measuring period. The steadiness of flow-rate shall then be checked and point

velocities possibly corrected by means of a continuous measurement, during the whole duration of gauging, of

the velocity at a reference point.

If only one measuring device is available, the steadiness of the flow-rate shall be checked by frequently

repeating measurements at the reference point.

However, note that velocity profile fluctuations do not necessarily create flow-rate fluctuations. In such a case

the use of a reference point velocity may lead to errors and it is preferable to check that the flow-rate is steady

by means of any pressure-difference device (e.g. standardized or non-standardized pressure-difference flow-

meter, a piezometric control on a convergence, a device on a bend, a spiral casing, a device for indicating a

peculiar pressure loss) even if it is not calibrated, provided that its reliability and adequate sensitivity have

been ascertained.
6 © ISO 2008 – All rights reserved
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ISO 3354:2008(E)

When the curve of the reference velocity, v , has been plotted against time, this curve is used to relate all

velocity measurements to the same reference flow-rate, q (preferably that which corresponds to the mean of

the reference velocity measurements). For comparatively small changes in the reference velocity, the velocity,

v , measured at any point at time, t, can be corrected by multiplying by the ratio of the reference velocity, v ,

i,t r,0
corresponding to the flow-rate, q , to reference velocity, v , at time, t :
0 r,t
r,0
vv=
ii,0 ,t
r,t
where v is the velocity at point i to be used for the integration.
i,0
4.3.4 Checking the velocity distribution

Even when the mean axial fluid velocity is calculated by a method which does not require plotting of the

velocity profile, it is recommended, in order to be confident that the velocity distribution is regular, that this

plotting be carried out, or at least that its regularity be checked by some other means.

In the same way, when several measurements are made on the same cross-section at different flow-rates, it is

recommended that the velocity profiles be plotted in a non-dimensional manner [i.e. by using the relative

velocities (see 3.1.5)] to check their consistency with one another and hence to ensure that there are no

abnormal features at particular flow-rates (thus, the profiles shall not change erratically as the flow-rate varies

over a wide range of Reynolds numbers).

It may also be useful to plot the velocity distribution curves as indicated above in order to detect any error in

the measurement of a local velocity. The doubtful measurement shall be repeated whenever possible; when

this cannot be done, it shall be rejected and the velocity profile drawn on the basis of the remaining data,

provided that there are independent reasons for believing that the doubtful measurement is false.

4.4 Location and number of measuring points in the cross-section
4.4.1 General

The location of the measuring points depends on the method chosen to calculate the flow-rate. The rules

relating to the methods specified in this International Standard are given in Clauses 8, 9 and 10.

Whatever the method, the following dimensional rules shall be complied with:

⎯ the minimum distance between the current-meter axis and the wall shall be 0,75d;

⎯ the minimum distanc
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 3354
Troisième édition
2008-07-15
Mesurage de débit d'eau propre dans les
conduites fermées — Méthode
d'exploration du champ des vitesses
dans les conduites en charge et dans le
cas d'un écoulement régulier, au moyen
de moulinets
Measurement of clean water flow in closed conduits — Velocity-area
method using current-meters in full conduits and under regular flow
conditions
Numéro de référence
ISO 3354:2008(F)
ISO 2008
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 3354:2008(F)
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---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 3354:2008(F)
Sommaire Page

Avant-propos...................................................................................................................................................... v

1 Domaine d'application...........................................................................................................................1

2 Références normatives .........................................................................................................................1

3 Termes, définitions et symboles..........................................................................................................2

3.1 Termes et définitions.............................................................................................................................2

3.2 Symboles ................................................................................................................................................3

4 Principe...................................................................................................................................................4

4.1 Généralités .............................................................................................................................................4

4.2 Mesurage de la section de jaugeage ...................................................................................................5

4.3 Mesurage des vitesses locales ............................................................................................................6

4.4 Emplacement et nombre de points de mesure dans la section........................................................7

5 Description du moulinet........................................................................................................................9

6 Conditions d'utilisation des moulinets................................................................................................9

6.1 Choix de la section de mesure .............................................................................................................9

6.2 Dispositifs pour l'amélioration de l'écoulement...............................................................................11

6.3 Étalonnage du moulinet ......................................................................................................................11

6.4 Limites d'utilisation .............................................................................................................................11

6.5 Contrôle et entretien du moulinet ......................................................................................................13

7 Mise en place des moulinets dans la conduite.................................................................................13

7.1 Mise en place des moulinets ..............................................................................................................13

7.2 Montage en section circulaire ............................................................................................................14

7.3 Montage en section rectangulaire......................................................................................................14

8 Détermination de la vitesse débitante par détermination graphique du champ des

vitesses.................................................................................................................................................16

8.1 Généralités ...........................................................................................................................................16

8.2 Sections circulaires.............................................................................................................................16

8.3 Sections rectangulaires ......................................................................................................................18

9 Détermination de la vitesse débitante par intégration numérique du champ des vitesses.........20

9.1 Généralités ...........................................................................................................................................20

9.2 Sections circulaires.............................................................................................................................21

9.3 Sections rectangulaires ......................................................................................................................22

10 Détermination de la vitesse débitante par les méthodes arithmétiques........................................23

10.1 Généralités ...........................................................................................................................................23

10.2 Méthode log-linéaire............................................................................................................................23

10.3 Méthode log-Tchebycheff ...................................................................................................................25

11 Incertitude sur la mesure de débit .....................................................................................................27

11.1 Généralités ...........................................................................................................................................27

11.2 Sources d'erreur dans le mesurage des vitesses locales...............................................................27

11.3 Sources d'erreur sur l'estimation du débit........................................................................................28

11.4 Composition des erreurs ....................................................................................................................29

11.5 Présentation des résultats..................................................................................................................29

11.6 Calcul de l'incertitude..........................................................................................................................30

Annexe A (normative) Sections de mesure de formes autres que circulaires et rectangulaires .............33

Annexe B (normative) Corrections à apporter pour l'effet d'obstruction ...................................................38

Annexe C (normative) Recommandations pour le choix du type de moulinet et de perche-support......39

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ISO 3354:2008(F)

Annexe D (normative) Exemple de répartition des points de mesure le long d'un rayon pour le

mesurage de la vitesse dans une conduite de section circulaire dans le cas des

méthodes graphique et numérique ................................................................................................... 41

Annexe E (normative) Détermination du coefficient de couche limite, m, pour l'extrapolation au

voisinage de la paroi........................................................................................................................... 43

Annexe F (normative) Définition des termes et des méthodes utilisés dans l'analyse des erreurs........ 45

Annexe G (normative) Loi de t de Student..................................................................................................... 48

Annexe H (informative) Exemples de valeurs des incertitudes composantes........................................... 49

Annexe J (informative) Exemple du calcul de l'incertitude sur la mesure du débit à l'aide de

moulinets ............................................................................................................................................. 51

iv © ISO 2008 – Tous droits réservés
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ISO 3354:2008(F)
Avant-propos

L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de

normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée

aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du

comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non

gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec

la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.

Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,

Partie 2.

La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes

internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur

publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres

votants.

L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne

pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.

L'ISO 3354 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 30, Mesurage de débit des fluides dans les

conduites fermées, sous-comité SC 5, Méthodes de vitesse et massiques.

Cette troisième édition résulte du rétablissement de l’ISO 3354:1988 qui a été annulée en 2003 et dont le

contenu technique était identique.
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NORME INTERNATIONALE ISO 3354:2008(F)
Mesurage de débit d'eau propre dans les conduites fermées —
Méthode d'exploration du champ des vitesses dans les
conduites en charge et dans le cas d'un écoulement régulier, au
moyen de moulinets
1 Domaine d'application

La présente Norme internationale spécifie une méthode de détermination du débit-volume par exploration du

champ des vitesses au moyen de moulinets à hélice dans une conduite fermée, dans les conditions

suivantes:
a) la répartition des vitesses doit être régulière (voir 6.1.2);
b) le fluide doit être de l'eau propre ou considérée comme telle;
c) la conduite doit être en charge;
d) le régime doit être permanent .

Elle traite en particulier de la technologie et de l'étalonnage des moulinets, du mesurage des vitesses locales

et du calcul du débit par intégration de ces vitesses.
2 Références normatives

Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les

références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du

document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).

ISO 3455, Hydrométrie — Étalonnage des moulinets en bassins découverts rectilignes

ISO 4006, Mesure de débit des fluides dans les conduites fermées — Vocabulaire et symboles

ISO 5168, Mesure de débit des fluides — Procédures pour le calcul de l'incertitude

ISO 7194, Mesurage de débit des fluides dans les conduites fermées — Mesurage de débit dans les

conduites circulaires dans le cas d'un écoulement giratoire ou dissymétrique par exploration du champ des

vitesses au moyen de moulinets ou de tubes de Pitot doubles

1) Cette méthode est applicable à d'autres fluides monophasiques mais dans ce cas, des précautions particulières

doivent être prises.

2) Les écoulements permanents observés dans les conduites sont, en pratique, des écoulements pour lesquels les

grandeurs telles que vitesse, pression, masse volumique et température, varient dans le temps autour de valeurs

moyennes indépendantes du temps; ce sont, en fait, des «écoulements permanents en moyenne».

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ISO 3354:2008(F)
3 Termes, définitions et symboles

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 4006 ainsi que les

suivants s'appliquent.
3.1 Termes et définitions
3.1.1
moulinet

appareil muni d'un rotor dont la vitesse de rotation est fonction de la vitesse locale du fluide dans lequel il est

immergé

NOTE 1 La présente Norme internationale ne traite que des moulinets à hélice, c'est-à-dire des moulinets dont le rotor

est constitué par une hélice tournant autour d'un axe sensiblement parallèle à l'écoulement.

NOTE 2 Cette définition n'interdit évidemment pas l'emploi d'hélices autocomposantes (voir 6.1.5), dont le mérite est

précisemment de pouvoir être utilisées sous une inclinaison relativement importante par rapport à la direction locale de

l'écoulement. Par contre, l'emploi de moulinets à coupelles n'est pas autorisé dans le cadre de la présente norme.

3.1.2
batterie fixe

ensemble de moulinets montés sur un ou plusieurs supports fixes et explorant simultanément toute la section

de mesure
3.1.3
débit pariétal

débit-volume qui s'écoule dans la zone située dans la paroi de la conduite et le contour défini par les points de

mesure de la vitesse les plus proches de la paroi
3.1.4
vitesse débitante

rapport du débit-volume (intégrale dans la section de mesurage de la composante axiale des vitesses locales)

à l'aire de la section de mesure
3.1.5
vitesse relative

rapport de la vitesse de l'écoulement au point considéré à une vitesse de référence mesurée au même

moment, celle-ci pouvant être, soit la vitesse en un point particulier (par exemple au centre d'une conduite

circulaire), soit la vitesse débitante dans la section de mesure
3.1.6
longueur droite

tronçon de conduite dont l'axe est rectiligne et dont la surface et la forme de la section droite sont constantes;

la forme de cette section est généralement circulaire ou rectangulaire, mais peut être annulaire ou de toute

autre forme régulière
3.1.7
singularité

tout élément ou configuration d'une conduite qui fait que cette conduite n'a pas une longueur droite ou qui

entraîne une variation très importante de rugosité à la paroi

NOTE Dans le cadre de la présente Norme internationale, les singularités qui créent les perturbations les plus

gênantes pour le mesurage sont généralement les coudes, les robinets et vannes, les élargissements brusques, etc.

3.1.8
diamètre hydraulique

diamètre égal à quatre fois le rayon hydraulique, c'est-à-dire quatre fois le quotient de l'aire de la section

mouillée par le périmètre mouillé

EXEMPLE Pour une conduite en charge de section circulaire, le diamètre hydraulique est donc égal au diamètre

géométrique.
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ISO 3354:2008(F)
3.1.9
indice de dissymétrie

〈pour les conduites circulaires〉 quotient de l'écart-type des vitesses moyennes calculées le long de chaque

rayon (c'est-à-dire de chaque ligne radiale allant du centre de la conduite à la paroi le long de laquelle sont

situés les points de mesure de la vitesse) par la vitesse débitante dans la conduite, soit:

1/ 2
⎢⎥UU−
∑ i
U 1
i i=1
Y==
UU n−1

U est la vitesse moyenne calculée conformément à la méthode d'intégration retenue, à partir des

vitesses mesurées en chaque point du rayon i (voir 8.2 et 9.2);

U est la vitesse débitante calculée à partir de toutes les vitesses locales mesurées dans la section;

n est le nombre de rayons le long desquels sont faites les mesures.
3.1.10
répartition régulière des vitesses

répartition des vitesses s'approchant suffisamment d'une répartition pleinement établie pour permettre une

mesure précise du débit
3.2 Symboles
Symbole Grandeur Dimension Unité SI
2 2
A aire de la section de mesurage
L m
a, a′ distance à la paroi la plus proche du point de mesurage extrême, L m
le long d'une droite de mesurage en section rectangulaire
diamètre de la conduite L m
d diamètre de l'hélice L m
e a a
incertitude (valeur absolue)
a a
e incertitude aléatoire
a a
e incertitude systématique
E incertitude relative — —
E incertitude aléatoire relative — —
E incertitude systématique relative — —
côté court de la section d'une conduite rectangulaire L m
h distance d'un point de mesure à la paroi d'origine, parallèlement L m
au côté court
k rugosité uniforme équivalente L m
L côté long de la section d'une conduite rectangulaire L m
l distance d'un point de mesure à la paroi d'origine, parallèlement L m
au côté long
m coefficient de couche limite — —
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ISO 3354:2008(F)
Symbole Grandeur Dimension Unité SI
n fréquence de rotation de l'hélice r/s
p nombre de points de mesurage sur un rayon (section circulaire) — —
ou sur une droite (section rectangulaire)
3 −1
q débit-volume
m /s
L T
R rayon de la conduite L m
r rayon d’une circonférence de mesurage L m
— —
rayon relatif d’une circonférence de mesurage rr= R
Re nombre de Reynolds — —
U vitesse débitante m/s
vitesse moyenne le long d’une circonférence ou d’une droite de m/s
mesurage
vitesse locale du fluide m/s
v vitesse locale au centre de la conduite m/s
Y indice de dissymétrie de l’écoulement — —
y distance d’un point de mesurage à la paroi la plus proche L m
— —
intervalle relatif entre deux points de mesurage yl=−( l )L
ii−1
angle polaire d’un point de mesurage (en section circulaire) — rad
coefficient universel de perte de charge — —
Les dimensions et unités sont celles de la grandeur considérée.
4 Principe
4.1 Généralités
Le principe de la méthode consiste

a) à mesurer les dimensions de la section de jaugeage qui aura été choisie perpendiculairement à l’axe de

la conduite; ce mesurage a pour but de définir l'aire de cette section (voir 4.2),

b) à définir dans cette section la position des points de mesurage, qui devront être choisis en nombre

suffisant pour connaître la répartition des vitesses de façon satisfaisante (voir 4.3),

c) à mesurer la composante axiale de la vitesse en ces points de mesure,
d) à déterminer la vitesse débitante à partir des mesures précédentes,

e) à calculer le débit-volume égal au produit de l'aire de la section par la vitesse débitante.

Toutefois, pour certaines sections de forme particulière, le traitement des mesures conduit directement à la

détermination du débit sans passer par la détermination préalable de l'aire de la section et de la vitesse

débitante (voir Annexe A).

L'erreur que l'on commet en utilisant la méthode d'exploration du champ des vitesses dépend, entre autres

facteurs, de la forme du profil des vitesses ainsi que du nombre et de l'emplacement des points de mesure.

4 © ISO 2008 – Tous droits réservés
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ISO 3354:2008(F)

La méthode de mesure et les exigences définies dans la présente Norme internationale visent à obtenir une

incertitude (au niveau de probabilité de 95 %) sur le débit au plus égale à ± 2 %, à condition que la correction

correspondant à l'effet d'obstruction (voir 6.4.3 et Annexe B), ait été apportée.

Ceci suppose toutefois que l'écoulement ne présente ni giration ni dissymétrie excessives; on trouvera en

6.1.2 des critères permettant de juger si l'écoulement est suffisamment régulier pour que la présente Norme

internationale soit applicable et que l'incertitude reste dans la gamme requise. Dans le cas contraire, on se

référera à l'ISO 7194.

Quand certaines conditions mentionnées dans la présente Norme internationale ne sont pas satisfaites, la

méthode reste généralement applicable, mais l'incertitude sur le débit est alors plus grande.

Par ailleurs, seuls sont traités dans la présente Norme internationale les cas des sections circulaires et

rectangulaires qui couvrent la très grande majorité des cas pratiques. On trouvera cependant à l'Annexe A,

des indications sur la façon d'opérer dans certaines sections de forme plus particulière.

La présente Norme internationale expose trois types suivants de méthodes de détermination de la vitesse

débitante.
4.1.1 Intégration graphique du champ des vitesses (voir Article 8)

Cette méthode consiste à tracer sur un graphique le profil des vitesses et à le planimétrer dans la région de la

conduite limitée par les points de mesure les plus proches de la paroi. À la valeur ainsi obtenue, on ajoute un

terme correspondant au débit pariétal (voir 3.1.3) calculé à partir de l'hypothèse que le profil des vitesses

dans cette zone suit une loi de puissance.

Dans cette méthode, les points de mesure peuvent être placés librement, mais doivent permettre une

connaissance satisfaisante du champ des vitesses.
4.1.2 Intégration numérique du champ des vitesses (voir Article 9)

La seule différence entre cette méthode et la précédente (4.1.1) consiste dans le fait que le graphique du

profil des vitesses est remplacé par une courbe algébrique et que l'intégration est effectuée de manière

analytique.
4.1.3 Méthodes arithmétiques (voir Article 10)

Les méthodes arithmétiques supposent que la répartition des vitesses suit une loi particulière; la vitesse

moyenne dans la conduite est alors donnée par une combinaison linéaire des vitesses individuelles mesurées

en des points dont la position est spécifiée par la méthode.

Les méthodes arithmétiques décrites dans l'Article 10 admettent, dans la zone pariétale, une loi logarithmique

de répartition des vitesses en fonction de la distance à la paroi.
4.2 Mesurage de la section de jaugeage
4.2.1 Sections circulaires

Le diamètre moyen de la conduite est pris égal à la moyenne arithmétique des mesures obtenues suivant au

moins quatre diamètres de la section de jaugeage faisant entre eux des angles sensiblement égaux. Si la

différence entre les longueurs de deux diamètres successifs est supérieure à 0,5 %, le nombre de diamètres

mesurés doit être doublé.
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ISO 3354:2008(F)
4.2.2 Sections rectangulaires

Le côté long et le côté court de la section rectangulaire doivent être mesurés sur au moins chaque droite

passant par les points de mesure. Si la différence entre les largeurs (ou les hauteurs) correspondant à deux

droites de mesure consécutives est supérieure à 1 %, le nombre de largeurs (ou de hauteurs) mesurées doit

être doublé.
4.3 Mesurage des vitesses locales
4.3.1 Généralités

La vitesse de l'écoulement en un point de la section de jaugeage est déterminée en mesurant la vitesse de

rotation d'un moulinet placé en ce point et en portant cette valeur dans l'équation d'étalonnage du moulinet.

La vitesse de rotation du moulinet peut être obtenue

⎯ soit en comptant le nombre de tours accomplis par l'hélice en un temps prédéterminé,

⎯ soit en mesurant le temps nécessaire pour que l'hélice accomplisse un nombre de tours prédéterminé.

Une autre méthode qui peut être utilisée est celle suivant laquelle la mesure de la vitesse est obtenue par

mesurage direct de la fréquence du signal.

Les différents points de mesure dans la section peuvent être explorés simultanément ou successivement (voir

4.3.2 et 4.3.3).
4.3.2 Mesurages simultanés

Lorsqu'on emploie simultanément plusieurs moulinets, la méthode par comptage du temps nécessite un

appareillage de comptage plus complexe que la méthode par comptage du nombre des tours, mais elle est

plus précise. En effet, on commet avec celle-ci une erreur due à l'intervalle de temps choisi qui peut ne pas

correspondre à un nombre entier de tours.

Les vitesses locales étant généralement sujettes à des fluctuations de longue période, il est nécessaire de

prévoir une durée de mesure suffisante pour déterminer correctement la vitesse moyenne. Cette durée pourra

être fixée en mesurant un même débit avec des temps successivement croissants. La durée de mesure, t, à

adopter doit être telle que les valeurs de la vitesse moyenne dans la section, obtenues avec des temps de

mesurage t et t + ∆t, ne diffèrent pas entre elles de plus de x %. Par exemple, ∆t, pourra être de l'ordre de

30 s, et x pourra être choisi égal à 0,1 %. Le temps t peut être variable selon la vitesse moyenne de

l'écoulement.
4.3.3 Mesurages non simultanés

Dans le cas où tous les points de mesure des vitesses ne sont pas explorés simultanément, il est essentiel

que la forme du profil des vitesses dans la section de jaugeage reste stable et ne soit pas affectée par les

variations éventuelles du débit pendant tout le temps du mesurage. On devra alors vérifier que l'écoulement

est permanent, et éventuellement corriger les vitesses ponctuelles, à l'aide d'un mesurage continu pendant

toute la durée du jaugeage, de la vitesse en un point de référence.

Si l'on ne dispose que d'un seul dispositif de mesure, il y a lieu de s'assurer que l'écoulement est permanent

en réitérant fréquemment le mesurage au point de référence.

Cependant, il faut signaler que des fluctuations du profil des vitesses peuvent se produire sans que cela

entraîne des fluctuations du débit. Dans un tel cas, l'emploi d'une vitesse ponctuelle de référence peut

entraîner des erreurs et il est préférable de contrôler que le débit est permanent à l'aide de tout dispositif

déprimogène (appareil déprimogène, normalisé ou non, contrôle piézométrique sur un convergent, un coude,

une bâche spirale, un dispositif indicateur de perte de charge singulière, etc.), même non étalonné, pourvu

que l'on soit assuré de sa fidélité et d'une sensibilité suffisante.
6 © ISO 2008 – Tous droits réservés
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ISO 3354:2008(F)

Ayant tracé la courbe de variation de la vitesse de référence, v , en fonction du temps, on utilisera cette

courbe pour ramener toutes les mesures d'exploration à un même débit de référence q (de préférence celui

qui correspond à la moyenne des mesures de référence). Pour des variations relativement faibles de la

vitesse de référence, on peut transposer la vitesse v , mesurée en un point quelconque i à l'instant t, en la

i,t

multipliant par le rapport entre la vitesse de référence v correspondant au débit q et la vitesse de référence

r,0 0
v à l'instant t:
r,t
r,0
vv= ⎜⎟
ii,0 ,t
r,t
où v est la vitesse au point i à utiliser pour l'intégration.
i,0
4.3.4 Contrôle de la répartition des vitesses

Même lorsque la vitesse débitante est calculée par une méthode qui ne nécessite pas de tracer le profil des

vitesses, il est recommandé, afin de s'assurer que la répartition des vitesses est régulière, de procéder à ce

tracé ou, à défaut, d'en contrôler la régularité de toute autre manière.

De la même façon, quand on effectue plusieurs mesurages dans une même section à des débits différents, il

est recommandé de tracer les profils des vitesses de manière adimensionnelle [c'est-à-dire en utilisant les

vitesses relatives (voir 3.1.5)], afin de vérifier leur bonne concordance et s'assurer ainsi qu'il n'existe pas de

profils anormaux pour certains débits (les profils ne doivent pas varier de manière erratique, quand le débit

varie, pour une large gamme de nombre de Reynolds).

Il peut également être utile de tracer les courbes de répartition des vitesses comme indiqué ci-dessus afin de

déceler une erreur éventuelle dans la mesure d'une vitesse locale. Si cela est possible, le mesurage suspecté

doit être recommencé, sinon, il doit être éliminé et le
...

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