ISO 5167-5:2022
(Main)Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full — Part 5: Cone meters
Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full — Part 5: Cone meters
This document specifies the geometry and method of use (installation and operating conditions) of cone meters when they are inserted in a conduit running full to determine the flow rate of the fluid flowing in the conduit. As the uncertainty of an uncalibrated cone meter might be too high for a particular application, it might be deemed essential to calibrate the flow meter in accordance with Clause 7. This document also provides background information for calculating the flow rate and is applicable in conjunction with the requirements given in ISO 5167‑1. This document is applicable only to cone meters in which the flow remains subsonic throughout the measuring section and where the fluid can be considered as single-phase. Uncalibrated cone meters can only be used within specified limits of pipe size, roughness, β, and Reynolds number, Re. This document is not applicable to the measurement of pulsating flow. It does not cover the use of uncalibrated cone meters in pipes sized less than 50 mm or more than 500 mm, or where the pipe Reynolds numbers are below 8 × 104 or greater than 1,2 × 107. A cone meter is a primary device which consists of a cone-shaped restriction held concentrically in the centre of the pipe with the nose of the cone upstream. The design of cone meter defined in this document has one or more upstream pressure tappings in the wall, and a downstream pressure tapping positioned in the back face of the cone with the connection to a differential pressure transmitter being a hole through the cone to the support bar, and then up through the support bar. Alternative designs of cone meters are available; however, at the time of writing, there is insufficient data to fully characterize these devices, and therefore, these meters shall be calibrated in accordance with Clause 7.
Mesurage de débit des fluides au moyen d'appareils déprimogènes insérés dans des conduites en charge de section circulaire — Partie 5: Cônes de mesure
Le présent document spécifie la géométrie et le mode d’emploi (conditions d’installation et d’utilisation) de cônes de mesure insérés dans une conduite en charge dans le but de déterminer le débit du fluide s’écoulant dans cette conduite. Étant donné que l’incertitude d’un cône de mesure non étalonné risque d’être trop élevée pour une application particulière, l’étalonnage du débitmètre conformément à l’Article 7 peut être considéré comme essentiel. Le présent document fournit également des informations de fond nécessaires au calcul du débit et il est applicable conjointement avec les exigences stipulées dans l’ISO 5167‑1. Le présent document est applicable uniquement aux cônes de mesure pour lesquels l’écoulement reste subsonique dans tout le tronçon de mesurage et où le fluide peut être considéré comme monophasique. Les cônes de mesure non étalonnés ne peuvent être utilisés que dans des limites spécifiées de diamètre de conduite, de rugosité, de valeur de β et de nombre de Reynolds, Re. Le présent document n’est pas applicable au mesurage d’un écoulement pulsé. Elle ne couvre pas l’utilisation de cônes de mesure non étalonnés dans des conduites de diamètre inférieur à 50 mm ou supérieur à 500 mm, ni les cas où les nombres de Reynolds associés à la tuyauterie sont inférieurs à 8 × 104 ou supérieurs à 1,2 × 107. Un cône de mesure est un élément primaire composé d’une restriction conique maintenue de manière concentrique au centre de la conduite, le nez du cône étant situé en amont. La conception d’un cône de mesure définie dans le présent document comprend une ou plusieurs prises de pression amont dans la paroi et une prise de pression aval positionnée dans la face arrière du cône. Le raccordement à un transmetteur de pression différentielle se fait par un trou dans le cône menant à la barre de support, puis vers le haut à travers la barre de support. D’autres conceptions de cônes de mesure sont possibles; cependant, au moment de la rédaction de cette norme, les données permettant de caractériser complètement ces appareils étaient insuffisantes et ces derniers doivent donc être étalonnés conformément à l’Article 7.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 5167-5
Second edition
2022-10
Measurement of fluid flow by means of
pressure differential devices inserted
in circular cross-section conduits
running full —
Part 5:
Cone meters
Mesurage de débit des fluides au moyen d'appareils déprimogènes
insérés dans des conduites en charge de section circulaire —
Partie 5: Cônes de mesure
Reference number
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Principles of the method of measurement and computation . 2
5 Cone meters . 3
5.1 Field of application . 3
5.2 General shape . 3
5.3 Material and manufacture . 7
5.4 Pressure tappings . 8
5.5 Discharge coefficient, C . 8
5.5.1 Limits of use . 8
5.5.2 Discharge coefficient of the cone meter . 8
5.6 Expansibility (expansion) factor, ε . 9
5.7 Uncertainty of the discharge coefficient, C . 9
5.8 Uncertainty of the expansibility (expansion) factor, ε . 9
5.9 Pressure loss . 9
6 Installation requirements .10
6.1 General . 10
6.2 Minimum upstream and downstream straight lengths for installations between
various fittings and the cone meter . 10
6.2.1 General . 10
6.2.2 Single 90° bend . 11
6.2.3 Two 90° bends in perpendicular planes . 11
6.2.4 Concentric expander . 11
6.2.5 Partially closed valves . 11
6.3 Additional specific installation requirements for cone meters . 11
6.3.1 Circularity and cylindricality of the pipe . 11
6.3.2 Roughness of the upstream and downstream pipe. 11
6.3.3 Positioning of a thermowell . 11
7 Flow calibration of cone meters .12
7.1 General .12
7.2 Test facility . 12
7.3 Meter installation . . 12
7.4 Design of the test programme .12
7.5 Reporting the calibration results . 13
7.6 Uncertainty analysis of the calibration . 13
7.6.1 General .13
7.6.2 Uncertainty of the test facility . 13
7.6.3 Uncertainty of the discharge coefficient of the cone meter .13
Annex A (informative) Table of expansibility (expansion) factor .14
Bibliography .15
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ISO 5167-5:2022(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.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
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. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO's adherence to the WTO principles in the Technical
Barriers to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information.
The committee responsible for this document is ISO/TC 30, Measurement of fluid flow in closed conduits,
Subcommittee SC 2, Pressure differential devices, in collaboration with the European Committee for
Standardization (CEN) Technical Committee CEN/SS F05, Measuring instruments, in accordance with
the Agreement on technical cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).
This second edition of ISO 5167-5 cancels and replaces the first edition (ISO 5167-5:2016), which has
been technically revised.
The main changes are as follows:
— this document is consistent with ISO/IEC Guide 98-3;
— errors in Figure 2 and in 5.2.7 have been corrected;
— the expansibility uncertainty is given as a relative uncertainty for ease of use with ISO 5167-1 (the
calculated flow rate uncertainty is unchanged).
A list of all parts in the ISO 5167 series can be found on the ISO website.
iv
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ISO 5167-5:2022(E)
Introduction
ISO 5167, consisting of six parts, covers the geometry and method of use (installation and operating
conditions) of orifice plates, nozzles, Venturi tubes, cone meters and wedge meters when they are
inserted in a conduit running full to determine the flow rate of the fluid in the conduit. It also gives
necessary information for calculating the flow rate and its associated uncertainty. ISO 5167 (all parts)
also provides methodology for bespoke calibration of differential pressure meters.
ISO 5167 (all parts) is applicable only to pressure differential devices in which the flow remains
subsonic throughout the measuring section and where the fluid can be considered as single-phase, but
is not applicable to the measurement of pulsating flow. Furthermore, each of these devices can only be
used within specified limits of pipe size and Reynolds number, or alternatively they can be used across
their calibrated range.
ISO 5167 (all parts) deals with devices for which direct calibration experiments have been made
sufficient in number, spread, and quality to enable coherent systems of application to be based on their
results and coefficients to be given with certain predictable limits of uncertainty.
The devices introduced into the pipe are called primary devices. The term primary device also includes
the pressure tappings. All other instruments or devices required to facilitate the instrument readings
are known as secondary devices, and the flow computer that receives these readings and performs
the algorithms is known as a tertiary device. ISO 5167 (all parts) covers primary devices; secondary
devices (see ISO 2186) and tertiary devices will be mentioned only occasionally.
Aspects of safety are not dealt with in ISO 5167 (all parts). It is the responsibility of the user to ensure
that the system meets applicable safety regulations.
v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 5167-5:2022(E)
Measurement of fluid flow by means of pressure
differential devices inserted in circular cross-section
conduits running full —
Part 5:
Cone meters
1 Scope
This document specifies the geometry and method of use (installation and operating conditions) of
cone meters when they are inserted in a conduit running full to determine the flow rate of the fluid
flowing in the conduit.
As the uncertainty of an uncalibrated cone meter might be too high for a particular application, it might
be deemed essential to calibrate the flow meter in accordance with Clause 7.
This document also provides background information for calculating the flow rate and is applicable in
conjunction with the requirements given in ISO 5167-1.
This document is applicable only to cone meters in which the flow remains subsonic throughout the
measuring section and where the fluid can be considered as single-phase. Uncalibrated cone meters can
only be used within specified limits of pipe size, roughness, β, and Reynolds number, Re. This document
is not applicable to the measurement of pulsating flow. It does not cover the use of uncalibrated cone
meters in pipes sized less than 50 mm or more than 500 mm, or where the pipe Reynolds numbers are
4 7
below 8 × 10 or greater than 1,2 × 10 .
A cone meter is a primary device which consists of a cone-shaped restriction held concentrically in
the centre of the pipe with the nose of the cone upstream. The design of cone meter defined in this
document has one or more upstream pressure tappings in the wall, and a downstream pressure tapping
positioned in the back face of the cone with the connection to a differential pressure transmitter being
a hole through the cone to the support bar, and then up through the support bar.
Alternative designs of cone meters are available; however, at the time of writing, there is insufficient
data to fully characterize these devices, and therefore, these meters shall be calibrated in accordance
with Clause 7.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements 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 4006, Measurement of fluid flow in closed conduits — Vocabulary and symbols
ISO 5167-1, Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-
section conduits running full — Part 1: General principles and requirements
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 4006, ISO 5167-1, and the
following apply.
1
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ISO 5167-5:2022(E)
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
beta edge
maximum circumference of the cone
4 Principles of the method of measurement and computation
The principle of the method of measurement is based on the installation of the cone meter into a pipeline
in which a fluid is running full. Flow through a cone meter produces a differential pressure between the
upstream and downstream tappings.
The mass flow rate can be determined by Formulae (1) and (2):
C π
2
q = εβ()Dp2Δ ρ (1)
m 1
4 4
1−β
and
2
d
c
β =−1 (2)
2
D
where d is the diameter of the cone in the plane of the beta edge. This assumes that the diameter of
c
the pipe at the upstream tapping, D , is equal to the diameter of the pipe at the beta edge, D. Figure 1
TAP
shows that as the cone diameter increases, β decreases.
a
Direction of flow.
Figure 1 — Cone meter showing different values of β
The uncertainty can be calculated using the procedure given in ISO 5167-1:2022, Clause 8.
2
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Similarly, the value of the volume flow rate can be calculated since
q
m
q = (3)
V
ρ
where ρ is the fluid density at the temperature and pressure for which the volume is stated.
Computation of the flow rate, which is a purely arithmetic process, is performed by replacing the
different items on the right-hand side of Formula (1) by their numerical values. Formula (4) in 5.6 (or the
computed values in Table A.1) gives cone meter expansibility factors, ε. The values in Table A.1 are not
intended for precise interpolation. Extrapolation is not permitted. However, the discharge coefficient,
C, is generally dependent on the Reynolds number, Re, which is itself dependent on q , and has to be
m
obtained by iteration (see ISO 5167-1:2022, Annex A for guidance regarding the choice of iteration
procedure and initial estimates).
The diameters, d and D, mentioned in Formulae (1) and (2) are the values of the diameters at working
c
conditions. Measurements taken at any other conditions should be corrected for any possible expansion
or contraction of the primary device and the pipe due to the values of the temperature and pressure of
the fluid during the measurement.
As the cone meter flow rate calculation is particularly sensitive to the pipe and cone diameter values
used, the user shall ensure that these are correctly entered into the flow computation calculations. For
example, care shall be taken to use the measured internal diameter rather than a nominal value.
It is necessary to know the density and the viscosity of the fluid at working conditions. In the case
of a compressible fluid, it is also necessary to know the isentropic exponent of the fluid at working
conditions.
5 Cone meters
5.1 Field of application
Uncalibrated cone meters can be used in pipes with diameters between 50 mm and 500 mm and with
0,45 ≤ β ≤ 0,75. Cone meters with β > 0,75 shall be calibrated. Cone meters with values of β < 0,45 are
not normally manufactured.
There are limits to the roughness and Reynolds number which shall be addressed.
5.2 General shape
5.2.1 Figure 2 shows a section through the centreline of a cone meter. Figure 4 shows other sections
through the meter to aid in the metrology of the cone meter. The letters used in the text refer to those
shown in Figure 2 and Figure 4.
The cone meter is made up of a pipe section of diameter, D, which houses the cone assembly with cone
diameter, d , the support structure for the cone, and the tappings for differential pressure measurement.
c
The cone assembly is installed such that the cone centreline is concentric to the centreline of the pipe
section, as per 5.2.13.
3
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Key
1 body pipe
2 cone element
3 support strut
4 high pressure tapping
5 low pressure tapping
6 cone nose
a
Direction of flow.
NOTE 50 mm ≤ L ≤ 2D, as defined in 5.4.7.
Figure 2 — Geometric profile of cone meter
5.2.2 The design of the nose of the cone (for example see Figure 3) can be constructed as a machined
component or from an elbow. The nose shall be downstream of the plane of the centreline of the
upstream tapping(s). It is recommended that the nose be as short as practicable.
These designs shown in Figure 3 should not be considered exclusive.
4
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a) Flat b) Pointed c) Curved d) Elbow
Figure 3 — Examples of different cone nose designs
5.2.3 The pipe diameter, D, shall be measured at plane A of Figure 4. The number of measurements
shall be a minimum of four equally spaced around the pipe internal circumference. The arithmetic
mean value of these measurements shall be taken as the value of D in the calculations.
5.2.4 The pipe diameter shall also be measured at plane C of Figure 4 (shown as D in Figure 2). The
TAP
number of measurements at this plane shall be at least equal to the number of pressure tappings (with
a minimum of four).
5.2.5 No diameter at any point between plane C and 1D downstream of plane A from Figure 4 shall
differ from the pipe diameter, D, by more than 1,0 %.
5
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Key
1 cone nose
a
Direction of flow.
Figure 4 — Metrology data for a cone meter
5.2.6 The internal surface of the pipe section from plane C to plane A from Figure 4 shall be clean and
-3
smooth, and the roughness criterion, Ra, should be as small as possible and shall be less than 10 D.
5.2.7 The cone assembly shall generally consist of a circular bifrustum (two truncated cones joined
at their widest points). The upstream frustum shall have a single internal angle, θ , of 22,5° ± 5° to the
1
centreline of the frusta. The downstream frustum shall have a single internal angle, θ , of 64° ± 2,5° to
2
the centreline of the frusta.
5.2.8 The cone diameter, d , shall be measured at plane A of Figure 4. There shall be a minimum of
c
four measurements equally spaced around the cone external circumference.
The arithmetic mean value of these measurements shall be taken as the value of d in the calculations.
c
No diameter shall differ by more than 0,1 % from the value of the mean diameter. This requirement
is satisfied when the difference in length of any of the measured diameters conforms to the said
requirement with respect to the mean of the measured diameters.
5.2.9 The beta edge shall not be sharp. The radius of curvature, R , at the beta edge as shown in
1
Figure 5, shall be less than the smaller of 0,2 mm and 0,000 5 d .
c
6
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5.2.10 The cone shall be such that two diameters situated on the same plane perpendicular to the axis
of revolution do not differ from the mean diameter by more than 0,1 %.
Figure 5 — Radius of curvature, R , at the beta edge shown, as examples, for fabricated and
1
machined cones
5.2.11 The cone surface shall be clean and smooth, and the roughness criterion, Ra, shall be as small as
-4
possible and shall always be less than 5 × 10 d .
c
5.2.12 The supporting structure for the cone shall present as small a restriction to the flow as
practical, whilst ensuring that the structural integrity of the cone meter is not impaired over the range
of conditions anticipated. The cone assembly may optionally include gussets that provide additional
mechanical support.
5.2.13 The lateral and angular deviations of the cone from the centreline of the pipe section shall be
measured.
The distance between the widest part of the cone and the adjacent pipe internal wall shall be measured
(see plane A of Figure 4, labelled K , K , K , K ). There shall be a minimum of four measurements equally
1 2 3 4
spaced around the external circumference of the cone. The difference between each measurement and
the mean of those measurements shall be no greater than 5,0 %.
The distance between the cone nose and the adjacent pipe internal wall shall also be measured (see
plane B of Figure 4, labelled J , J , J , J ). There shall be a minimum of four measurements equally spaced
1 2 3 4
around the external circumference of the cone. The difference between each measurement and the
mean of those measurements shall be no greater than 5,0 %.
The angular deviation of the cone shall be measured and should be no greater than 2,0° in either the
horizontal (θ ) or vertical (θ ) from the pipe centreline at the cone nose, as shown in Figure 4.
HORZ VERT
The lateral deviation of the cone shall be measured and should be no greater than 0,01D in either the
horizontal or vertical from the pipe centreline at the cone nose, as shown in Figure 4.
5.2.14 Consideration shall be taken in the design of the cone meter and its installation to ensure that
the effects of pressure, temperature, and resonance over the entire range of conditions that the flow
meter may see over its operational life do not result in mechanical failure.
In applications where flow conditions produce significant vibration, the use of gussets is recommended.
5.3 Material and manufacture
5.3.1 The cone meter may be manufactured from any material, provided that the cone meter is in
accordance with the foregoing description and will remain so during use.
5.3.2 For fabricated cones, the cone shall include pressure relief vent holes through the downstream
face to ensure the structural stability of the cone under rapid pressure changes.
7
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5.4 Pressure tappings
5.4.1 The upstream tapping shall be made in the form of a pipe wall pressure tapping.
5.4.2 The diameter of the upstream tapping shall be between 4 mm and 10 mm and moreover shall
never be greater than 0,1D.
It is recommended that the upstream tapping be as small as compatible with the fluid (for example with
its viscosity and contaminants).
5.4.3 The centreline of the upstream tapping(s) shall meet the centreline of the pipe.
5.4.4 At the point of break-through, the hole of the pressure tapping shall be circular. The edges shall
be flush with the pipe wall and free from burrs. The radius shall not exceed one-tenth of the diameter of
the pressure tapping.
5.4.5 The upstream pressure tapping should be cylindrical over a length at least equal to the diameter
of the tapping.
5.4.6 Conformity of the pressure tapping with the two foregoing requirements is assessed by visual
inspection.
5.4.7 The spacing between the planes perpendicular to the pipe axis of the centrelines of the upstream
pressure tapping(s) and the downstream tapping within the cone support, L, shall be a minimum of
50 mm and a maximum of 2D, as shown in Figure 2.
5.4.8 The downstream tapping through the cone shall be cylindrical and shall have its
centreline concentric to the centreline of the cone. The diameter of this tapping shall be between
0,1 × d and 0,2 × d . The hole of the pressure tapping shall be circular and the edges shall be free from
c c
burrs.
5.5 Discharge coefficient, C
5.5.1 Limits of use
A simultaneous use of extreme values for D, β, and Re shall be avoided as otherwise the uncertainties
D
given in 5.7 might increase.
For installations outside the limits defined in 5.5.2 for D, β, and Re , it is necessary to calibrate the
D
discharge coefficient for each meter in accordance with Clause 7 over its entire Reynolds number range
of operation.
The effects of Re , Ra/D, and β on C are not yet sufficiently known for it to be possible to give reliable
D
values of C outside the limits defined in this document.
5.5.2 Discharge coefficient of the cone meter
Cone meters as per Figure 2 can only be used in accordance with this document when
50 mm ≤ D ≤ 500 mm
0,45 ≤ β ≤ 0,75
8
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4 7
8 × 10 ≤ Re ≤ 1,2 × 10
D
[5]
Under these conditions, the value of the discharge coefficient, C, for an uncalibrated meter is
C = 0,82
5.6 Expansibility (expansion) factor, ε
The expansibility (expansion) factor, ε, is calculated by means of Formula (4).
Δp
4
εβ=−10,,649+0 696 (4)
()
κ p
1
[8]
Formula (4) was derived by Stewart et al. . Test results for determination of ε are only known for air.
However, Formula (4) is generally applied to cone meters for gases and vapours for which the isentropic
exponent is known.
However, Formula (4) is only applicable if p /p ≥ 0,75.
2 1
Values of the expansibility (expansion) factor for a range of isentropic exponents, pressure ratios, and β
are given for convenience in Annex A.
5.7 Unc
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 5167-5
Deuxième édition
2022-10
Mesurage de débit des fluides au
moyen d'appareils déprimogènes
insérés dans des conduites en charge
de section circulaire —
Partie 5:
Cônes de mesure
Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices
inserted in circular cross-section conduits running full —
Part 5: Cone meters
Numéro de référence
ISO 5167-5:2022(F)
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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ISO 5167-5:2022(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 2
4 Principes de la méthode de mesure et mode de calcul . 2
5 Cônes de mesure . .3
5.1 Domaine d’application . 3
5.2 Forme générale . 3
5.3 Matériau et fabrication . 7
5.4 Prises de pression . 7
5.5 Coefficient de décharge, C . 7
5.5.1 Limites d’utilisation . 7
5.5.2 Coefficient de décharge du cône de mesure . 8
5.6 Coefficient de détente, ε . . 8
5.7 Incertitude du coefficient de décharge, C . 8
5.8 Incertitude du coefficient de détente, ε . 8
5.9 Perte de pression . 9
6 Exigences d’installation . 9
6.1 Généralités . 9
6.2 Longueurs droites minimales amont et aval à installer entre différents accessoires
et le cône de mesure. 10
6.2.1 Généralités . 10
6.2.2 Coude simple à 90° . 10
6.2.3 Deux coudes à 90° dans des plans perpendiculaires . 10
6.2.4 Évasement concentrique . 10
6.2.5 Robinets partiellement fermés . 10
6.3 Exigences spécifiques supplémentaires pour l’installation de cônes de mesure . 10
6.3.1 Circularité et cylindricité de la conduite . 10
6.3.2 Rugosité de la conduite amont et aval . 11
6.3.3 Positionnement d’un puits thermométrique . 11
7 Étalonnage en débit des cônes de mesure .11
7.1 Généralités . 11
7.2 Installation d’essai .12
7.3 Installation de l’appareil de mesure .12
7.4 Conception du programme d’essai .12
7.5 Consignation des résultats d’étalonnage .12
7.6 Analyse de l’incertitude de l’étalonnage .12
7.6.1 Généralités .12
7.6.2 Incertitude de l’installation d’essai . 13
7.6.3 Incertitude du coefficient de décharge du cône de mesure .13
Annexe A (informative) Tableau du coefficient de détente .14
Bibliographie .15
iii
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ISO 5167-5:2022(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 (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document
a été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2
(voir www.iso.org/directives).
L'attention est attirée 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. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion
de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos - Informations supplémentaires.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 30, Mesure de débit des fluides dans les
conduites fermées, sous-comité SC 2, Appareils déprimogènes, en collaboration avec le comité technique
CEN/SS F05, Instruments de mesure, du Comité européen de normalisation (CEN), conformément à
l’Accord de coopération technique entre l’ISO et le CEN (Accord de Vienne).
Cette deuxième édition de l’ISO 5167-5 annule et remplace la première édition (ISO 5167-5:2016), qui a
fait l’objet d’une révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— le présent document a été mis en cohérence avec le Guide ISO/IEC 98-3;
— les erreurs constatées à la Figure 2 et en 5.2.7 ont été corrigées;
— l’incertitude du coefficient de détente est donnée comme une incertitude relative pour faciliter
l’utilisation avec l’ISO 5167-1 (l’incertitude associée au débit calculée reste inchangée).
Une liste de toutes les parties de la série ISO 5167 se trouve sur le site web de l’ISO.
iv
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ISO 5167-5:2022(F)
Introduction
L’ISO 5167, qui comprend six parties, a pour objet la géométrie et le mode d’emploi (conditions
d’installation et d’utilisation) des diaphragmes, tuyères, tubes de Venturi, cônes de mesure et
débitmètres à coin insérés dans une conduite en charge dans le but de déterminer le débit du fluide
s’écoulant dans cette conduite. Elle fournit également les informations nécessaires au calcul de ce débit
et de son incertitude associée. L’ISO 5167 (toutes les parties) donne en outre une méthodologie pour
l’étalonnage sur mesure des différents appareils déprimogènes.
L’ISO 5167 (toutes les parties) est applicable uniquement aux appareils déprimogènes dans lesquels
l’écoulement reste subsonique dans tout le tronçon de mesurage et où le fluide peut être considéré
comme monophasique; elle n’est pas applicable au mesurage d’un écoulement pulsé. De plus, chacun de
ces appareils ne peut être utilisé que dans des limites spécifiées de diamètre de conduite et de nombre
de Reynolds, ou il peut être utilisé sur la plage sur laquelle il est étalonné.
L’ISO 5167 (toutes les parties) traite d’appareils pour lesquels des expériences d’étalonnage direct ont
été effectuées en nombre, étendue et qualité suffisants pour permettre de baser, sur leurs résultats, des
systèmes cohérents d’utilisation et de donner les coefficients avec une limite prévisible d’incertitude.
Les appareils interposés dans la conduite sont dénommés « éléments primaires », en comprenant
dans ce terme les prises de pression, tandis que l’on appelle « éléments secondaires » tous les autres
instruments ou dispositifs nécessaires pour faciliter les lectures d’instruments, et « éléments tertiaires »
le calculateur de débit qui reçoit ces lectures et exécute les algorithmes. L’ISO 5167 (toutes les parties)
concerne les éléments primaires et ne mentionne qu’exceptionnellement les éléments secondaires (voir
ISO 2186) et tertiaires.
Les aspects de sécurité ne sont pas traités dans l’ISO 5167 (toutes les parties). Il incombe à l’utilisateur
de s’assurer que le système respecte les réglementations applicables en matière de sécurité.
v
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NORME INTERNATIONALE ISO 5167-5:2022(F)
Mesurage de débit des fluides au moyen d'appareils
déprimogènes insérés dans des conduites en charge de
section circulaire —
Partie 5:
Cônes de mesure
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie la géométrie et le mode d’emploi (conditions d’installation et d’utilisation)
de cônes de mesure insérés dans une conduite en charge dans le but de déterminer le débit du fluide
s’écoulant dans cette conduite.
Étant donné que l’incertitude d’un cône de mesure non étalonné risque d’être trop élevée pour une
application particulière, l’étalonnage du débitmètre conformément à l’Article 7 peut être considéré
comme essentiel.
Le présent document fournit également des informations de fond nécessaires au calcul du débit et il est
applicable conjointement avec les exigences stipulées dans l’ISO 5167-1.
Le présent document est applicable uniquement aux cônes de mesure pour lesquels l’écoulement reste
subsonique dans tout le tronçon de mesurage et où le fluide peut être considéré comme monophasique.
Les cônes de mesure non étalonnés ne peuvent être utilisés que dans des limites spécifiées de diamètre
de conduite, de rugosité, de valeur de β et de nombre de Reynolds, Re. Le présent document n’est pas
applicable au mesurage d’un écoulement pulsé. Elle ne couvre pas l’utilisation de cônes de mesure non
étalonnés dans des conduites de diamètre inférieur à 50 mm ou supérieur à 500 mm, ni les cas où les
4 7
nombres de Reynolds associés à la tuyauterie sont inférieurs à 8 × 10 ou supérieurs à 1,2 × 10 .
Un cône de mesure est un élément primaire composé d’une restriction conique maintenue de manière
concentrique au centre de la conduite, le nez du cône étant situé en amont. La conception d’un cône de
mesure définie dans le présent document comprend une ou plusieurs prises de pression amont dans
la paroi et une prise de pression aval positionnée dans la face arrière du cône. Le raccordement à un
transmetteur de pression différentielle se fait par un trou dans le cône menant à la barre de support,
puis vers le haut à travers la barre de support.
D’autres conceptions de cônes de mesure sont possibles; cependant, au moment de la rédaction de cette
norme, les données permettant de caractériser complètement ces appareils étaient insuffisantes et ces
derniers doivent donc être étalonnés conformément à l’Article 7.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences 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 4006, Mesure de débit des fluides dans les conduites fermées — Vocabulaire et symboles
ISO 5167-1, Mesurage de débit des fluides au moyen d'appareils déprimogènes insérés dans des conduites en
charge de section circulaire — Partie 1: Principes généraux et exigences générales
1
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ISO 5167-5:2022(F)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions de l’ISO 4006, l’ISO 5167-1, ainsi que les
suivants, s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
arête bêta
circonférence maximale du cône
4 Principes de la méthode de mesure et mode de calcul
Le principe de la méthode de mesure consiste à interposer le cône de mesure sur le passage d’un fluide
s’écoulant dans une conduite en charge, ce qui crée une pression différentielle entre les prises aval et
amont.
Le débit-masse peut être déterminé à l’aide des Formules (1) et (2):
C π
2
q = εβ()Dp2Δ ρ (1)
m 1
4 4
1−β
et
2
d
c
β =−1 (2)
2
D
où d est le diamètre du cône dans le plan de l’arête bêta. Le diamètre de la conduite au niveau de la
c
prise de pression amont, D , est présumé égal au diamètre de la conduite à l’arête bêta, D. La Figure 1
TAP
montre que β diminue au fur et à mesure que le diamètre du cône augmente.
Légende
a
Sens d’écoulement.
Figure 1 — Cône de mesure avec différentes valeurs de β
2
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ISO 5167-5:2022(F)
L’incertitude peut être calculée suivant le mode opératoire indiqué dans l’ISO 5167-1:2022, Article 8.
De même, la valeur du débit volumique peut être calculée sachant que:
q
m
q = (3)
V
ρ
où ρ est la masse volumique du fluide à la température et à la pression pour lesquelles le volume est
donné.
Le calcul du débit, qui est un procédé purement arithmétique, est effectué par le remplacement des
différents termes situés à droite de la Formule (1) par leur valeur numérique. La Formule (4) en 5.6
(ou les valeurs calculées dans le Tableau A.1) donne les coefficients de détente, ε, du cône de mesure.
Les valeurs du Tableau A.1 ne sont pas prévues pour une interpolation exacte. L’extrapolation n’est pas
permise. Cependant, le coefficient de décharge, C, est généralement fonction du nombre de Reynolds, Re,
qui est lui-même fonction de q et doit être obtenu par itération (voir l’ISO 5167-1:2022, Annexe A, pour
m
des recommandations relatives au choix du procédé d’itération et des estimations initiales).
Les diamètres, d et D, mentionnés dans les Formules (1) et (2) sont les valeurs des diamètres dans les
c
conditions de service. Il convient de corriger les valeurs mesurées dans d’autres conditions pour tenir
compte de la dilatation ou contraction éventuelle de l’élément primaire et de la conduite résultant des
valeurs de la température et de la pression du fluide lors du mesurage.
Comme le calcul du débit du cône de mesure est particulièrement sensible aux valeurs utilisées pour le
diamètre de la conduite et du cône, l’utilisateur doit s’assurer que celles-ci sont correctement introduites
dans les calculs de débit. Par exemple, il faut veiller à utiliser le diamètre intérieur mesuré plutôt que la
valeur nominale.
Il est nécessaire de connaître la masse volumique et la viscosité du fluide dans les conditions de service.
Dans le cas d’un fluide compressible, il est également nécessaire de connaître l’exposant isentropique
du fluide dans les conditions de service.
5 Cônes de mesure
5.1 Domaine d’application
Les cônes de mesure non étalonnés peuvent être utilisés dans les conduites de diamètre compris entre
50 mm et 500 mm et avec 0,45 ≤ β ≤ 0,75. Les cônes de mesure avec β > 0,75 doivent être étalonnés.
Les cônes de mesure avec des valeurs de β < 0,45 ne sont normalement pas fabriqués.
Il existe des limites à la rugosité et au nombre de Reynolds qui doivent être traitées.
5.2 Forme générale
5.2.1 La Figure 2 représente la section d’un cône de mesure passant par son axe. La Figure 4
représente d’autres coupes à travers l’appareil de mesure afin de faciliter la métrologie du cône de
mesure. Les lettres utilisées dans le texte renvoient aux repères correspondants sur la Figure 2 et
la Figure 4.
Le cône de mesure est constitué d’un tronçon de conduite de diamètre D qui abrite le cône assemblé de
diamètre d , la structure de support du cône et les prises pour le mesurage de la pression différentielle.
c
Le cône assemblé est installé de sorte que son axe soit concentrique avec l’axe du tronçon de conduite,
conformément à 5.2.13.
3
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ISO 5167-5:2022(F)
Légende
1 corps de la conduite
2 élément conique
3 bras de support
4 prise haute pression
5 prise basse pression
6 nez du cône
a
Sens d’écoulement.
NOTE 50 mm ≤ L ≤ 2D, comme défini en 5.4.7.
Figure 2 — Profil géométrique d’un cône de mesure
5.2.2 La conception du nez du cône (à titre d’exemple, voir la Figure 3) peut être réalisée sous la forme
d’un composant usiné ou à partir d’un coude. Le nez doit être en aval du plan passant par l’axe de la ou
des prises de pression amont. Il est recommandé que le nez soit aussi court que possible.
Il convient de ne pas considérer comme exclusives les conceptions représentées à la Figure 3.
a) Plat b) Pointu c) Incurvé d) Coude
Figure 3 — Exemples de conceptions différentes du nez du cône
4
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5.2.3 Le diamètre de la conduite, D, doit être mesuré dans le plan A de la Figure 4. Les mesurages
doivent être au minimum au nombre de quatre et être équidistants sur la circonférence intérieure de la
conduite. La moyenne arithmétique de ces mesures doit être prise comme valeur de D dans les calculs.
5.2.4 Le diamètre de la conduite doit également être mesuré dans le plan C de la Figure 4 (D sur la
TAP
Figure 2). Il doit y avoir au moins autant de mesurages dans ce plan que de prises de pression (et quatre
au minimum).
5.2.5 Aucun diamètre en un point quelconque entre le plan C et 1D en aval du plan A sur la Figure 4 ne
doit différer du diamètre de la conduite, D, de plus de 1,0 %.
Légende
1 nez du cône
a
Sens d’écoulement.
Figure 4 — Données de métrologie pour un cône de mesure
5.2.6 La surface intérieure du tronçon de conduite entre le plan C et le plan A sur la Figure 4 doit être
propre et lisse, et il convient que le critère de rugosité, Ra, soit aussi faible que possible et inférieur
-3
à 10 D.
5.2.7 Le cône assemblé doit généralement être composé d’un double tronc de cône circulaire
(deux cônes tronqués joints à l’endroit où ils sont le plus large). Le tronc de cône amont doit former un
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angle intérieur, θ , de 22,5° ± 5° avec l’axe des troncs de cône. Le tronc de cône aval doit former un angle
1
intérieur, θ , de 64° ± 2,5° avec l’axe des troncs de cône.
2
5.2.8 Le diamètre du cône, d , doit être mesuré dans le plan A de la Figure 4. Au minimum quatre
c
mesurages équidistants sur la circonférence extérieure du cône doivent être effectués.
La moyenne arithmétique de ces mesures doit être prise comme valeur de d dans les calculs. Aucun
c
diamètre ne doit différer de plus de 0,1 % de la valeur du diamètre moyen. Cette exigence est satisfaite
lorsque la différence de longueur de n’importe lequel des diamètres mesurés par rapport à la moyenne
des diamètres mesurés est conforme à ladite exigence.
5.2.9 L’arête bêta ne doit pas être vive. Le rayon de courbure, R , à l’arête bêta, représenté à la
1
Figure 5, doit être inférieur à 0,2 mm ou à 0,000 5 d , en retenant la plus petite des deux valeurs.
c
5.2.10 Le cône doit être tel que deux diamètres situés dans le même plan perpendiculaire à l’axe de
révolution ne diffèrent pas du diamètre moyen de plus de 0,1 %.
Figure 5 — Rayon de courbure, R , à l’arête bêta, représenté à titre d’exemple pour des cônes
1
façonnés et usinés
5.2.11 La surface du cône doit être propre et lisse, et le critère de rugosité, Ra, doit être aussi faible que
-4
possible et toujours inférieur à 5 × 10 d .
c
5.2.12 La structure de support du cône doit présenter une restriction de l’écoulement aussi petite
que possible, tout en veillant à ce que l’intégrité structurelle du cône de mesure ne soit pas affectée
dans la plage des conditions prévues. Le cône assemblé peut éventuellement inclure des goussets qui
fournissent un support mécanique supplémentaire.
5.2.13 Les écarts latéraux et angulaires du cône par rapport à l’axe du tronçon de conduite doivent
être mesurés.
La distance entre la partie la plus large du cône et la paroi intérieure de la conduite adjacente doit
être mesurée (voir le plan A sur la Figure 4, repères K , K , K , K ). Au minimum quatre mesurages
1 2 3 4
équidistants doivent être effectués sur la circonférence extérieure du cône. La différence entre chaque
mesurage et la moyenne de ces mesurages ne doit pas être supérieure à 5,0 %.
La distance entre le nez du cône et la paroi intérieure de la conduite adjacente doit également être
mesurée (voir le plan B sur la Figure 4, repères J , J , J , J ). Au minimum quatre mesurages équidistants
1 2 3 4
doivent être effectués sur la circonférence extérieure du cône. La différence entre chaque mesurage et
la moyenne de ces mesurages ne doit pas être supérieure à 5,0 %.
L’écart angulaire du cône doit être mesuré et il convient qu’il ne soit pas supérieur à 2,0°, dans le sens
horizontal (θ ) ou vertical (θ ), par rapport à l’axe de la conduite au nez du cône, comme illustré
HORZ VERT
à la Figure 4.
L’écart latéral du cône doit être mesuré et il convient qu’il ne soit pas supérieur à 0,01D, dans le sens
horizontal ou vertical, par rapport à l’axe de la conduite au nez du cône, comme illustré à la Figure 4.
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5.2.14 Lors de la conception du cône de mesure et de son installation, il faut s’assurer que les effets de
la pression, de la température et de la résonance n’engendrent pas de défaillance mécanique dans toute
la plage de conditions que peut rencontrer le débitmètre pendant sa durée de vie en service.
Pour les applications pour lesquelles les conditions d’écoulement produisent des vibrations importantes,
l’utilisation de goussets est recommandée.
5.3 Matériau et fabrication
5.3.1 Le cône de mesure peut être fabriqué en n’importe quel matériau, à condition qu’il soit conforme
à la description ci-dessus et le reste pendant l’utilisation.
5.3.2 Pour les cônes façonnés, le cône doit inclure des évents de décharge de pression dans la face
aval afin de garantir la stabilité structurelle du cône en cas de variations rapides de la pression.
5.4 Prises de pression
5.4.1 La prise amont doit se présenter sous la forme d’une prise de pression à la paroi de la conduite.
5.4.2 Le diamètre de la prise amont doit être compris entre 4 mm et 10 mm et il ne doit en outre
jamais être supérieur à 0,1D.
Il est recommandé d’utiliser une prise de pression amont aussi petite que possible pour le fluide
considéré (par exemple en fonction de la viscosité et des contaminants de ce dernier).
5.4.3 L’axe de la ou des prises amont doit rencontrer l’axe de la conduite.
5.4.4 La débouchure du trou des prises de pression doit être circulaire. Les bords doivent être arasés
à la surface de la paroi de la conduite et ne doivent comporter aucune bavure. Le rayon ne doit pas
dépasser le dixième du diamètre de la prise de pression.
5.4.5 Il convient que la prise de pression amont soit cylindrique sur une longueur au moins égale au
diamètre de la prise.
5.4.6 La conformité des prises de pression aux deux exigences précédentes est évaluée par inspection
visuelle.
5.4.7 L’espace entre les plans passant par les axes de la ou des prises de pression amont et de la
prise de pression aval, perpendiculaires à l’axe de la conduite, dans le support du cône, L, doit être au
m
...
Questions, Comments and Discussion
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