ISO 9300:1990
(Main)Measurement of gas flow by means of critical flow Venturi nozzles
Measurement of gas flow by means of critical flow Venturi nozzles
Mesure de débit de gaz au moyen de Venturi-tuyères en régime critique
La présente Norme internationale prescrit la géométrie et le mode d'emploi (installation dans un circuit et conditions opératoires) de Venturi-tuyères en régime critique utilisés pour déterminer le débit-masse de gaz traversant le circuit. Elle donne également les informations nécessaires au calcul du débit et de l'incertitude associée. La présente Norme internationale s'applique aux Venturi-tuyères au sein desquels l'écoulement gazeux est accéléré jusqu'à atteindre la vitesse critique au col (la vitesse d'un écoulement critique est égale à la célérité locale du son). Lorsque l'écoulement est critique, le débit-masse traversant le Venturi-tuyère est le plus grand débit possible pour les conditions régnant à l'amont. La présente Norme internationale s'applique seulement lorsqu'il existe un écoulement stationnaire monophasique de gaz. Les Venturi-tuyères en régime critique dont il est question ici, ne peuvent être utilisés qu'à l'intérieur des limites prescrites, par exemple, pour le rapport du diamètre au col au diamètre à l'amont et pour le nombre de Reynolds au col. Elle traite d'éléments pour lesquels des étalonnages directs ont été effectués, en nombre et en qualité suffisants pour asseoir sur leurs résultats des systèmes d'utilisation cohérents et permettre 712 de déterminer les coefficients avec une marge prévisible d'incertitude. Les Venturi-tuyères prescrits dans la présente Norme internationale sont appelés «éléments primaires». Les autres appareils nécessaires à la mesure du débit sont appelés «éléments secondaires». La présente Norme internationale ne traite que des éléments primaires; les appareils secondaires ne sont mentionnés qu'occasionnellement. Les informations données dans la présente Norme internationale sont applicables dans les cas où: a) la conduite à l'amont du Venturi-tuyère est de section circulaire, ou b) il peut être supposé qu'il existe un grand volume à l'amont du Venturi-tuyère.
General Information
Relations
Buy Standard
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL
ISO
STANDARD 9300
First edition
1990-08-15
Measurement of gas flow by means of critical
flow Venturi nozzles
Mesure de dkbit de gaz au moyen de Venturi- tuykres en rkgime critigue
Reference number
ISO 9300 : 1990 (El
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (EI
Contents
Page
iii
Foreword. .
1
1 Scope. .
............................................. 1
2 Definitions and Symbols.
.....................................................
2.1 Definitions. 1
2
2.2 Symbols .
..................................................... 2
3 Basicequations
................................................... 2
3.1 State equation
3.2 Flow-rate under ideal conditions . 2
.................................... 4
3.3 Flow-rate under real conditions
4 Applications for which the method is suitable . 4
.................................. 4
5 Standard critical flow Venturi nozzles
5.1 General requirements . 4
4
5.2 Design .
Installation requirements . 6
6
6
6.1 General .
...............................................
6.2 Upstream Pipeline 6
............................................ 6
6.3 Large upstream space
........................................ 6
6.4 Downstream requirements
........................................... 6
6.5 Pressure measurement
..................................................... 7
6.6 Drain holes
.......................................
6.7 Temperature measurement. 7
............................................ 7
6.8 Density measurement
7 Calculation methods. . 8
.................................................. 8
7.1 Massflow-rate
7.2 Discharge coeff icient . 8
............................................. 8
7.3 Critical flow function
8
7.4 Real gas critical flow coefficient .
7.5 Conversion of measured pressure and temperature to Stagnation
conditions . 8
......................... 9
7.6 Maximum permissible downstream pressure
...........................
8 Uncertainties in the measurement of flow-rate 9
9
8.1 General .
8.2 Practical computation of uncertainty . IO
Annexes
................................... 11
A Venturi nozzle discharge coeff icients
12
B Tables of values of the critical flow function C, for various gases .
........... 14
C Computation of real gas critical flow coefficient for natura1 gases
D References from which the Standard critical flow Venturi nozzle discharge
............................................ 15
coefficients were obtained
16
E Bibliography .
0 ISO 1990
All rights reserved. NO part of this publication may be reproduced or utilized in any form or by any
means, electronie or mechanical, including photocopying and microfilm, without permission in
writing from the publisher.
International Organization for Standardization
Case postale 56 l CH-1211 Geneve 20 l Switzerland
Printed in Switzerland
ii
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of
national Standards bodies (ISO member bedies). The work of preparing International
Standards is normally carried out through ISO technical committees. Esch 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, govern-
mental and non-governmental, in Iiaison with ISO, also take part in the work. ISO
collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all
matters of electrotechnical standardization.
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.
International Standard ISO 9300 was prepared by Technical Committee ISO/TC 30,
Measurement of fluid flow in closed conduits.
Annexes A, B and C form an integral part of this International Standard. Annexes D
and E are for information only.
---------------------- Page: 3 ----------------------
This page intentionally left blank
---------------------- Page: 4 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 9300 : 1990 IE)
Measurementof gas fl’ow by means of critical flow
Venturi nozzles
1 Scope internal surface of the conduit. The tapping is achieved such
that the pressure within the hole is the static pressure at that
This International Standard specifies the geometry and method
Point in the conduit.
of use (installation in a System and operating conditions) of
critical flow Venturi nozzles used to determine the mass flow-
2.1.1.2 ’ static pressure of a gas: Actual pressure of the
rate of a gas flowing through a System. lt also gives the infor-
flowing gas which tan be measured by connecting a pressure
mation necessary for calculating the flow-rate and its
gauge to a wall pressure tapping.
associated uncertainty.
lt applies to Venturi nozzles in which the gas flow accelerates to
NOTE - Only the value of the absolute static pressure is used in this
the critical velocity at the throat (this being equal to the local International Standard.
sonic velocity). At the critical velocity, the mass flow-rate of the
gas flowing through the Venturi nozzle is the maximum poss-
2.1.1.3 Stagnation pressure of a gas: Pressure which
ible for the existing upstream conditions.
would exist in the gas in a flowing gas stream if the stream were
brought to rest by an isentropic process.
This International Standard is applicable only where there is
steady flow of Single-Phase gases. The critical flow Venturi
NOTE - Only the value of the absolute Stagnation pressure is used in
nozzles dealt with tan only be used within specified limits, e.g.
this International Standard.
limits for the nozzle throat to inlet diameter ratio and throat
Reynolds number. lt deals with Venturi nozzles for which direct
calibration experiments have been made in sufficient number
2.1.2 Temperature measurement
and quantity to enable inherent Systems of application to be
based on their results and to enable coefficients to be given
2.1.2.1 static temperature of a gas : Actual temperature of
with cet-tain predictable limits of uncertainty.
the flowing gas.
The Venturi nozzles specified in this International Standard are
NOTE - Only the value of the absolute static temperature is used in
called “Primar-y devices”. The other instruments necessary for
this International Standard.
the measurement of the flow-rate are known as “secondary
devices”. This International Standard principally covers primary
devices; secondary devices are discussed only occasionally.
2.1.2.2 Stagnation temperature of a gas : Temperature
which would exist in the gas in a flowing gas stream if the
Information is given in this International Standard for cases where
stream were brought to rest by an isentropic process.
a) the Pipeline upstream of the Venturi nozzle is of circular
NOTE - Only the value of the absolute Stagnation temperature is used
Cross-section, or
in this International Standard.
b) it tan be assumed that there is a large space upstream
of the Venturi nozzle.
2.1.3 Critical flow nozzles
2.1.3.1 Venturi nozzle : Convergentldivergent restriction
2 Dbfinitions and Symbols
inserted in a System, intended for the measurement of flow-
rate.
2.1 Definitions
For the purposes of this International Standard, the following
2.1.3.2 throat : Section of minimum diameter of a Venturi
definitions apply.
nozzle.
2.1 .l Pressure measurement
2.1.3.3 critical Venturi nozzle : Venturi nozzle for which the
2.1.1.1 wall pressure tapping : Hole drilled in the wall of a nozzle geometrical configuration and conditions of use are
conduit in such a way that the edge of the hole is flush with the such that the flow-rate is critical.
1
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (El
.
2.1.4 Flow 2.1.4.7 real gas critical flow coefficient, CR : Alternative
form of the critical flow function, more convenient for gas mix-
tures. lt is related to the critical flow function as follows:
2.1.4.1 mass flow-rate, qm: Mass of gas per unit time pass-
ing through the Venturi nozzle.
c 21’2
CR= +
NOTE - In this International Standard, the term flow-rate always
2.1.4.8 critical pressure rat-io, r,: Ratio of the absolute
refers to mass flow-rate.
static pressure of the gas at the nozzle throat to the absolute
Stagnation pressure for which the gas mass flow-rate through
2.1.4.2 throat Reynolds number, Red: Dimensionless
the nozzle is a maximum.
Parameter calculated from the gas velocity, the gas density at
the nozzle throat and the gas dynamic viscosity at nozzle inlet
2.1.4.9 back-pressure ratio : Ratio of the absolute nozzle
Stagnation conditions. The characteristic dimension is taken as
exit static pressure to the absolute nozzle upstream Stagnation
the throat diameter at working conditions. The throat Reynolds
pressure at which the flow becomes critical.
number is given by the formula
2.1.4.10 Mach number, Ma, (at nozzle upstream static con-
ditions) : Ratio of the mean axial fluid velocity to the velocity of
Sound at the inlet of the Venturi nozzle.
2.1.4.3 isentropic exponent, K : Ratio of the relative vari-
2.1.4.11 compressibility factor, 2 : correction factor
ation in pressure to the corresponding relative Variation in
expressing numerically the deviation from the ideal gas law of
density under elementary reversible adiabatic (isentropic) trans-
the behaviour of a real gas at given pressure and temperature
formation conditions :
conditions. lt is defined by the formula
Q c2 PM
Q
=-
z=-------
K
P P @RT
where R, the molar gas constant, equals 8,314 3 J/(moLK).
where
p is the absolute static pressure of the gas;
2.1.5 uncertainty : Estimate characterizing the range of values
within which the true value of a measurand lies, at 95 % probability.
Q is the density of the gas;
In some cases, the confidence Ievel whichcan be attached to
c is the local Speed of Sound;
this range of values will be greater than 95 %, but this will be so
only where the value of a qua.ntity used in the calculation of
the subscript S means “at constant entropy”.
flow-rate is known with a confidence level in excess of 95 %; in
such a case, reference should be made to ISO 5168.
For an ideal gasl), K is equal to the ratio of specific heat
capacities y and is equal to 5/3 for monatomic gases, 7/5 for
diatomic gases,‘9/7 for triatomic gases, etc.
2.2 Symbols
The Symbols used in this International Standard are specified in
2.1.4.4 discharge coefficient, C: Dimensionless ratio of the
table 1.
actual flow-rate to the ideal flow-rate that would be obtained
with one-dimensional isentropic flow for the same upstream
Stagnation conditions. This coefficient corrects for viscous and
3 Basic equations
flow field cun/ature effects. For the nozzle design and instal-
lation conditions specified in this International Standard, it is a
3.1 State equation
function of the throat Reynolds number only.
The behaviour of a real gas tan be described by the formula
2.1.4.5 critical flow : Maximum flow-rate for a particular
(RlM) TZ
Pl@ =
Venturi nozzle which tan exist for the given upstream con-
ditions. When critical flow exists the throat velocity is equal to
the Iocal value of the Speed of Sound (acoustic velocity), the 3.2 Flow-rate under ideal conditions
velocity at which small pressure disturbances propagate.
For ideal critical flow-rates to exist, three main conditions are
necessa ry :
2.1.4.6 critical flow function, C, : Dimensionless function
which characterizes the thermodynamic flow properties of an a) the flow is one-dimensional;
isentropic and one-dimensional flow between the inlet and the
b) the flow is isentropic;
throat of a Venturi nozzle. lt is a function of the nature of the
gas and of Stagnation conditions (see 3.2). c) the gas is perfett (i.e. 2 = 1 and K = y).
1) In real gases, the forces exerted between molecules as well as the volume occupied by the molecules have a significant
effect on the gas
behaviour. In an ideal gas, intermolecular forces and the volu me occupied by the molecules tan be neglected.
2
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 9300 : ,199O (EI
Table 1 - Symbols
Symbol - Quqntity
Dimensionsl) SI unit
Cross-sectional area of Venturi nozzle exit
L* m*
A2
Cross-sectional area of Venturi nozzle throat
A* L* d
C Discharge coeff icient dimensionless
Real gas critical flow coefficient (for one-dimensional flow of a real gas)
dimensionless
CR
Critical flow function (for one-dimensional flow of a real gas)
dimensionless
C*
Critical flow function (for one-dimensional isentropic flow of a pet-fect gas)
c*i dimensionless
D Diameter of upstream conduit
L
m
d Diameter of Venturi nozzle throat
L m
E Relative uncertainty
dimensionless
2) ~
e Absolute uncertainty
M Molar mass
M kg kmol-’
Mach number at nozzle inlet static conditions
dimensionless
Ma1
Absolute static pressure of the gas at nozzle inlet ML-1 T-2
Pa
Pl
Absolute static pressure of the gas at nozzle exit ML-’ T-2 Pa
P2
Absolute Stagnation pressure of the gas at nozzle inlet ML-’ T-2 Pa
po
Absolute static pressure of the gas at nozzle throat
ML-1 T-2 Pa
P*
Absolute static pressure of the gas at nozzle throat for one-dimensional isentropic flow ML-’ T-2
Psi Pa
of a per-fett gas
Ratio of nozzle exit static pressure to nozzle inlet Stagnation pressure for one-
(P2IP()) i dimensionless
dimensional isentropic flow of a perfett gas
Mass flow-rate
MT-’ kg-s-’
4 m
Mass flow-rate for one-dimensional isentropic flow of an inviscid gas MT-’ kg-s-’
qrni
ML2 T-2 a-1
Universal gas constant
R J l kmol-’ K-1
Nozzle throat Reynolds number dimensionless
Red
j Radius of curvature of nozzle inlet L m
rc
i
j Ctit~ca& pressure ratio QI&
dimensionless
r*
Absolute stagna&on temperature of the gas at nozzle inlet 0
K
%
Absolute static temperature of the gas at nozzle inlet 0 K
Tl
Absolute static temperature of the gas at nozzle throat 0 K
Ti
Throat sonic flow velocity; critical flow velocity at the throat LT-’
m-s-’
“*
z Compressibility factor dimensionless
Diameter ratio dlD dimensionless
ß
Ratio of the specific heat capacity at constant pressure cp to the specific heat capacity at dimensionless
Y
constant volume cy
dimensionless
K Isentropic exponent
Dynamit viscosity of the gas at Stagnation conditions at nozzle inlet ML-’ T-1 Pas
PO
Dynamit viscosity of the gas at nozzle throat ML-’ T-1 Pas
Pu,
ML-3 kg-m-3
Gas density at Stagnation conditions at nozzle inlet
@O
Gas density at nozzle throat ML-3 kgmm-3
@*
= mass; L = length; T = time; 0 = temperature.
1) M
2) The dimension of this Parameter is the dimension of the quantity to which it relates.
3
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (EI
Under these conditions, the critical flow-rate is given by nozzle, the flow is directly proportional to the nozzle upstream
Stagnation pressure and not, as in the case of the subsonic
meter; tobthe Square root of a measured differential pressure.
The maximum flow range which tan be obtained for a given
critical Venturi nozzle is generatly limited to the range of inlet
pressures which are available above the inlet pressure at which
= A*C,i(fJO@O)“2
the flow becomes critical.
qmi
where
The most common applications to date of critical flow Venturi
nozzles have been for tests, calibration and flow control.
Standard critical f.low Venturi nozzles
33 . Flow-rate under real conditions
5.1 General requirements
For fJow-rates under real conditions, the formulae for critical
flow-rates become
5.1 .l The Venturi nozzle shall be inspected to determine that
it conforms with the requirements of this International Stan-
A*CC*Po
4m = dard.
w?lM) TOI u2
or 5.1.2 The Venturi nozzle shall be manufactured from material
suitable for the intended application. Some considerations are
qm= A*CC~(PO@O11’2
that
since
a) it should be possible to finish the material to the re-
quired condition; some materials are unsuitable owing to
c*zp
CR =
the inclusion of pits, voids and other inhomogeneities,
where Z. is the value of the compressibility factor at Stagnation
b) the material, together with any su tface treatment u sed,
conditions at nozzle inlet:
shall not be subject to corrosion in the intended Service, and
= P(+k@ To
20
c) the material should be dimensionally stable and should
have known and repeatable thermal expansion charac-
It should be noted that C, and CR are not equal to C,i because
teristics (if it is to be used ata temperature other than that at
the gas is not perfett, C is less than unity since the flow is not
which the throat diameter has been measured) so that the
one-dimensional and a boundary layer exists owing to viscous
appropriate throat diameter correction tan be made.
effects.
5.1.3 The throat and toroidal inlet up the conical divergent
section of the Venturi nozzle shall be smoothly finished so that
4 Applications for which the method is
the arithmetic average roughness R, does not exceed
suitable
15 x IO-6d.
Esch application should be evaluated to determine whether a
critical flow Venturi nozzle or some other device is the most
5.1.4 The throat a nd to roidal inlet up the conical divergent
suitable. An important consideration is that the flow through
section sha II be free from dirt, films or other contamination.
the Venturi nozzle be independent of the downstream pressure
(see 7.6) within the pressure range for which the Venturi nozzle
5.1.5 The form of the conical divergent section of the Venturi
tan be used for critical flow measurement.
nozzle shall be checked to ensure that any Steps, disconti-
nuities, irregularities and lack of concentricity do not exceed
Some other considerations are as follows.
1 % of the local diameter. The arithmetic average roughness R,
of the conical divergent section shall not exceed IO-4d.
For critical flow Venturi nozzles the only measurements re-
quired are the gas pressure and the gas temperature or density
upstream of the critical Venturi nozzle since the throat con-
5.2 Design
ditions tan be calculated from thermodynamic considerations.
There are two designs of Standard Venturi nozzles, i.e. the
The velocity in the critical Venturi nozzle throat is the maximum
toroidal throat Venturi nozzle and the cylindrical throat Venturi
possible for the given upstream Stagnation conditions, and
nozzle.
therefore the sensitivity to installation effects is minimized
except for those of swirl which shall not exist in the inlet part of
5.2.1 Toroidal throat Venturi nozzle
the Venturi nozzle.
sonic Venturi nozzles with subsonic pressure-
When comparing 5.2.1.1 The Venturi nozzle shall conform with the specifi-
it tan be noted that in the case of the critical cations shown in figure 1.
differente meters
4
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 9300: 1990 (El
0,9Dtol,l D
0
Met plane
f-Y
t
12,5Oto 6’
I ntersection of toroidal
surface and divergent section
In this region the arithmetic
average roughness R, of the
1) P, pressure measurement. surface shall not exceed 10S4d
3) In this region the arithmetic average roughness R, shall not
Inlet surface shall lie
exceed 15 x IO-W and the contour shall not deviate from
within the hatched zone
toroidal form by more than It: 0,001 d.
Figure 1 - Toroidal throat Venturi nozzle
5.2.1.2 For purposes of locating other elements of the Venturi 5.2.2.3 The convergent section of the Venturi nozzle (inlet)
nozzle critical flow metering System, the inlet plane of the
shall be a quarter of a torus tangential on one hand to the inlet
Venturi nozzle is defined as that plane perpendicular to the axis plane (see 5.2.2.2) and on the other hand to the cylindrical
of symmetry which intersects the inlet at a diameter equal
throat. The length of the cylindrical throat and the radius of
to 2,5d + 0,l d. curvature rC of the quarter of torus shall be equal to the throat
diameter.
5.2.1.3 The convergent section of the Venturi nozzle (inlet)
5.2.2.4 The inlet toroidal surface of the Venturi nozzle shall
shall be a Portion of a torus which shall extend through the
not deviate from the shape of a torus by more than * 0,001 d.
minimum area section (throat) and shall be tangential to the
divergent section. The contour of the inlet upstream of the inlet
plane (see 5.2.1.2) is not specified, except that the surface at
5.2.2.5 The flow-rate shall be calculated from the mean
each axial location shall have a diameter equal to or greater
diameter at the cylindrical throat outlet section. The mean
than the extension of the toroidal contour.
diameter shall be determined by measuring at least four
angularly equally distributed diameters on the cylindrical throat
outlet. No diameter along the throat length shall deviate by
5.2.1.4 The toroidal sur-face of the Venturi nozzle located
more than + 0,001 d from the mean diameter.
between the inlet plane and the divergent section (see figure 1)
shall not deviate from the shape of a torus by more+ than
The length of the throat shall not deviate from the throat
+ 0,001 d. The radius of curvature rC of this toroidal surface in a
diameter by more than 0,05d.
plane in which the axis of symmetry lies shall be 1,8d to 2,Zd.
The connection between the quarter of torus and the cylindrical
throat shall be inspected visually and no defect should be
5.2.1.5 The divergent section of the Venturi nozzle
observed. When a defect of connection is observed, it shall be
downstream of the Point of tangency with the torus shall form
checked that the local radius of curvature in a plane in which
a frustum of a cone with a half-angle between 2,5O and 6O. The
the axis of symmetry lies is never less than 0,5d throughout the
length of the divergent section shall be not less than the throat
inlet surface (quarter of torus and cylindrical throat). The total
diameter.
area of the inlet surface shall be properly polished so that the
arithmetic average roughness R, does not exceed 15 x IO-Gd.
5.2.2 Cylindrical throat Venturi nozzle
The connection between the cylindrical throat and the
divergent section shall also be visually inspected and no defect
5.2.2.1 The Venturi nozzle shall conform with the specifi-
shall be observed.
cations shown in figure 2.
l
5.2.2.6 The divergent section of the Venturi nozzle comprises
5.2.2.2 The inlet plane is defined as that plane which is
a frustum of a cone with a half-angle between 3O and 4O. The
tangential to the inlet contour of the Venturi nozzle and perpen- length of the divergent section shall be not less than the throat
dicular to the nozzle centre-line.
diameter.
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (EI
1) In this region the arithmetic average roughness R, of the sutface shall not
exceed 15 x IO-Gd and the contour shall not
deviate from toroidal and cylindrical form by more than I!I 0,001 d.
In the conical divergent section the arithmetic average roughness R, shall not exceed IO-4d.
2)
Figure 2 - Cylindrical throat Venturi nozzle
6 Installation requirements the primary device or to the inlet plane of the primary device, as
defined in 5.2.1.2 or 5.2.2.2.
6.1 General
6.4 Downstream requirements
This International Standard applies
to the installation of
Venturi nozzles when either
No requirements are imposed on the outlet conduit except that
it shall not restritt the flow so as to prevent critical flow in the
a) the Pipeline U m of the Venturi nozzle is of circular
Venturi nozzle.
Cross-section, 0
b) it tan be assumed that there is a large
space U m
6.5 Pressure measurement
of the Venturi nozzle.
6.5.1 When a circular conduit is used upstream of the primary
For case a), the primary device shall be installed in a System
device the upstream static pressure shall preferably be
meeting the requirements of 6.2. For case b), the Primar-y
measured at a wall pressure tapping at a distance 0,9D to 1 ,l D
device shall be installed in a System meeting the requirements
from the inlet plane of the Venturi nozzle (see figure 1). The
of 6.3. In both cases, swirl shall not exist upstream of the Venturi
wall pressure tapping may be located upstream or downstream
nozzle. Where a Pipeline exists upstream of the nozzle, swirl-free
of this Position provided that it has been demonstrated that the
conditions tan be ensured by installing a flow straightener of the
measured pressure tan be used reliably to give the nozzle inlet
design shown in figure 3 at a distance I, > 50 upstream of the
Stagnation pressure.
nozzle inlet plane.
6.5.2 When it tan be assumed that there is a large space
6.2 Upstream Pipeline
upstream of the primary device the upstream wall pressure
The primary device may be installed in a straight circular con- tapping shall preferably be located in a wall perpendicular to the
inlet face of the primary device and within a distance of
duit which shall be concentric within + 0,020 with the centre-
IOd + 1 d from that plane. The wall pressure tapping may be
line of the Venturi nozzle. The inlet conduit up to 30 upstream
of the Venturi nozzle shall not deviate from circularity by more located upstream or downstream of this Position provided that
than 0,Ol D and shall have an arithmetic average roughness R, it has been demonstrated that the measured pressure tan be
used reliably to give the nozzle inlet Stagnation pressure.
which shall not exceed 10-40. The diameter of the inlet con-
duit shall be a minimum of 4d.
6.5.3 For the wall pressure tapping mentioned in 6.5.1, and
63 . Large upstream space preferably also for that mentioned in 6.5.2, the centre-line of
the wall pressure tapping shall meet the centre-line of the
lt tan be assumed that there is a large space upstream of the Primar-y device and be at right angles to it. At the Point of the
primary device if there is no wall closer than 5d to the axis of
breakthrough, the hole shall be circular. The edges shall be free
---------------------- Page: 10 ----------------------
-
0,9D to IJ D
12> D
, Nozzle inlet
{plane
Vane thickness to be adequate
to prevent buckling
1) P, pressure measurement.
2) T, temperature measurement.
3) In this region the surface roughness shall not exceed IO-W.
Figure 3 - Installation requirements for an upstream pipework configuration
from burrs, and shall be Square or lightly rounded to a radius through these drain holes while the flow measurement is in pro-
not exceeding 0,l times the diameter of the wall pressure tap- gress. If drain holes are required they shall be located upstream
ping. lt shall be confirmed by visual inspection that the wall of the nozzle upstream wall pressure tapping. The diameter of
pressure tappings comply with these requirements. When an the drain holes should be smaller than 0,06D. The axial distance
upstream Pipeline is used the diameter of the wall pressure tap-
from the drain hole to the plane of the upstream wall pressure
ping shall be less than 0,080 and preferably less than 12 mm. tapping shall be greater than D and the hole shall be located in an
The wall pressure tapping shall be cylindrical for a minimum axial plane different from that of the Wall pressure tapping.
length of 2,5 times the diameter of the tapping (see figure 4).
6.7 Temperature measurement
D ( < 12 mm preferably)
The inlet temperature shall be measured using one or more sen-
sors located upstream of the Venturi nozzle. When an
upstream Pipeline is used the recommended location of these
Sensors is 1,8D to 2,ZD upstream of the inlet plane of the Ven-
turi nozzle. The diameter of the sensing element shall be not
larger than 0,040 and the element shall not be aligned with a
wall pressure tapping in the flow direction. lf it is impracticable
to use a sensing element of diameter less than 0,040, the
sensing element shall be so located that it tan be demonstrated
1) Edge of hole flush with internal surface of conduit, burr-free and
that it does not affect the pressure measurement. The Sensor
Square to a radius not exceeding 0,l dt.
tan be located further still upstream provided that it has been
demonstrated that the measured temperature tan be used
Figure 4 - Detail of a wall pressure tapping when
reliably to give the nozzle inlet Stagnation temperature.
an upstream Pipeline is used
Particular care has to be exercized in the selection of the
6.5.4 The downstream pressure shall be measured to ensure temperature Sensor and the insulation of pipework if the
that critical flow is maintained. This pressure shall be measured Stagnation temperature of the flowing gas differs from that of
by using a conduit wall pressure tapping located within 0,5 the medium surrounding the Pipeline by more than 5 K. In
these cases the
...
NORME
ISO
IN’TERNATIONALE
9300
Première édition
1990-08- 15
Mesure de débit de gaz au moyen de Venturi-
tuyères en régime critique
Measurement of gas flow by means of critical flow Venturi nozzles
Numéro de référence
ISO 9300 : 1990 (F)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (FI
Sommaire
Page
Avant-propos . iii
1 1
Domaine d’application .
2 Définitions et symboles 1
..............................................
2.1 Définitions. 1
.....................................................
2.2 Symboles . 2
................................................... 2
3 ~quationsdebase
3.1 Equations d’état 2
.................................................
3.2 Débit dans les conditions idéales . 4
3.3 Débit dans les conditions réelles
................................... 4
4 Applications pour lesquelles la méthode est adaptée . 4
5 Venturi-tuyères en régime critique normalisés 4
...........................
5.1 Conditions générales 4
.............................................
5.2 Conception 5
.....................................................
6 Conditions d’installation. 6
.............................................
6.1 Généralités . 6
6.2 Canalisation à l’amont 6
............................................
6
6.3 Grand volume à l’amont
..........................................
6.4 Conditionsà l’aval 6
...............................................
6.5 Mesure de pression 6
..............................................
6.6 Orifices de purge
................................................ 7
6.7 Mesure de température 7
...........................................
6.8 Mesure de masse volumique 8
......................................
7 Méthodes de calcul. 8
.................................................
Débit-masse 8
7.1
....................................................
7.2 Coefficient de décharge 8
..........................................
7.3 Fonction de débit critique 8
.........................................
7.4 Coefficient de débit critique d’un gaz réel. . 8
Conversion des pression et température mesurées aux conditions d’arrêt. 8
7.5
7.6 Pression maximale admissible à l’aval 9
...............................
8 Incertitudes sur la mesure du débit
..................................... 9
8.1 Généralités 9
.....................................................
8.2 Calcul pratique de l’incertitude. . 10
Annexes
A Coefficient de décharge des Venturi-tuyères. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II
B Tableaux des valeurs de la fonction de débit critique, C,, pour divers gaz . . . . 12
C Calcul des coefficients de débit critique des gaz réels pour les gaz naturels . . . 14
D Références à partir desquelles les coefficients de débit des
Venturi-tuyères normalisés ont été obtenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
E Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
0 ISO 1990
Droits de reproduction réservés. Aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni
utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord écrit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case postale 56 l CH-1211 Genève 20 l Suisse
Imprimé en Suisse
ii
---------------------- Page: 2 ----------------------
IsO 9300 : 1990 (FI
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale
d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de I’ISO). L’élaboration
des Normes internationales est en général confiée aux comités techniques de I’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 I’ISO participent également aux travaux. L’ISO col-
labore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
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.
La Norme internationale ISO 9300 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 30,
Mesure de débit des fluides dans les conduites fermées.
Les annexes A, B et C font partie intégrante de la présente Norme internationale. Les
annexes D et E sont données uniquement à titre d’information.
---------------------- Page: 3 ----------------------
Page blanche
---------------------- Page: 4 ----------------------
NORME INTERNATIONALE
ISO 9300 : 1990 (FI
Mesure de débit de gaz au moyen de Venturi-tuyères
en régime critique
2.1.1 Mesure de pression
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale prescrit la géométrie et le
2.1.1.1 prise de pression à la paroi : Orifice percé dans la
mode d’emploi (installation dans un circuit et conditions opéra-
paroi d’une conduite de facon que le bord de l’orifice soit arasé
toires) de Venturi-tuyères en régime critique utilisés pour déter-
à la paroi intérieure de la conduite. La prise est réalisée de telle
miner le débit-masse de gaz traversant le circuit. Elle donne
manière que la pression dans l’orifice soit la pression statique
également les informations nécessaires au calcul du débit et de
en ce point de la conduite.
l’incertitude associée.
2.1.1.2 pression statique d’un gaz : Pression réelle du gaz
La présente Norme internationale s’applique aux Venturi-
en écoulement, qui peut être mesurée en reliant un manomètre
tuyères au sein desquels l’écoulement gazeux est accéléré
à une prise de pression à la paroi.
jusqu’à atteindre la vitesse critique au col (la vitesse d’un écou-
lement critique est égale à la célérité locale du son). Lorsque
NOTE - Seule la valeur de la pression statique absolue est utilisée
l’écoulement est critique, le débit-masse traversant le Venturi-
dans la présente Norme internationale.
tuyère est le plus grand débit possible pour les conditions
régnant à l’amont.
2.1.1.3 pression d’arrêt d’un gaz : Pression qui régnerait
dans le gaz si l’écoulement gazeux était amené au repos par un
La présente Norme internationale s’applique seulement lorsqu’il
procédé isentropique.
existe un écoulement stationnaire monophasique de gaz. Les
Venturi-tuyères en régime critique dont il est question ici, ne
NOTE - Seule la valeur de la pression d’arrêt absolue est utilisée dans
peuvent être utilisés qu’à l’intérieur des limites prescrites, par
la présente Norme internationale.
exemple, pour le rapport du diamètre au col au diamètre à
l’amont et pour le nombre de Reynolds au col. Elle traite d’élé-
ments pour lesquels des étalonnages directs ont été effectués,
2.1.2 Mesure de température
en nombre et en qualité suffisants pour asseoir sur leurs résul-
tats des systèmes d’utilisation cohérents et permettre de déter-
2.1.2.1 température statique d’un gaz : Température réelle
miner les coefficients avec une marge prévisible d’incertitude.
du gaz en écoulement.
Les Venturi-tuyères prescrits dans la présente Norme interna-
NOTE - Seule la valeur de la température statique absolue est utilisée
tionale sont appelés «éléments primaires)). Les autres appareils
dans la présente Norme internationale.
nécessaires à la mesure du débit sont appelés ((éléments secon- ’
dairew. La présente Norme internationale ne traite que des élé-
2.1.2.2 température d’arrêt d’un gaz: Température qui
ments primaires; les appareils secondaires ne sont mentionnés
régnerait dans le gaz si l’écoulement gazeux était amené au
qu’occasionnellement.
repos par un procédé isentropique.
Les informations données dans la présente Norme internatio-
- Seule la valeur de la température d’arrêt absolue est utilisée
NOTE
nale sont applicables dans les cas où :
dans la présente Norme internationale.
a) la conduite à l’amont du Venturi-tuyère est de section
circulaire, ou
2.1.3 Tuyères en régime critique
b) il peut être supposé qu’il existe un grand volume à
2.1.3.1 Venturi-tuyère : Restriction convergente/divergente
l’amont du Venturi-tuyère.
insérée dans un système de mesure de débit.
2.1.3.2 col : Section droite de diamètre minimal du Venturi-
2 Définitions et symboles
tuyère.
2.1 Définitions
2.1.3.3 Venturi-tuyère critique : Venturi-tuyère dont la
Pour les besoins de la présente Norme internationale, les défini- configuration géométrique et les conditions d’utilisation sont
tions suivantes s’appliquent. telles que l’écoulement est critique.
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (FI
2.1.4.6 fonction de débit critique, C,: Fonction sans
2.1.4 icoulement
dimension qui caractérise les propriétés thermodynamiques
d’un écoulement monodimensionnel isentropique entre l’amont
Masse de gaz traversant le Venturi-
2.1.4.1 débit-masse, qm:
et le col d’un Venturi-tuyère. Elle est fonction de la nature du
tuyère par unité de temps.
gaz et des conditions d’arrêt (voir 3.2).
NOTE - Dans la présente Norme internationale, le débit est toujours
2.1.4.7 coefficient de débit critique d’un gaz réel, CR :
un débit-masse.
Variante de la fonction de débit critique, plus pratique d’emploi
pour les mélanges de gaz. Ce coefficient se déduit de la fonc-
2.1.4.2 nombre de Reynolds au col, Red: Paramètre sans
tion de débit critique par la formule
dimension calculé à partir de la vitesse et de la masse volumique
c z”*
du gaz au col ainsi que de la viscosité dynamique du gaz dans
cR= +
les conditions d’arrêt à l’entrée de la tuyère. La dimension
caractéristique est prise égale au diamètre du col dans les 2.1.4.8 rapport de pression critique, r+ : Rapport de la pres-
conditions de service. Le nombre de Reynolds au col est donné
sion statique absolue du gaz au col de la tuyère à la pression
par la formule d’arrêt absolue pour lequel le débit-masse de gaz au travers de
la tuyère est maximal.
%n
Red = -
2.1.4.9 taux de détente : Rapport de la pression statique
WJ,
absolue à l’aval de la tuyère à la pression absolue d’arrêt à
l’amont à partir duquel l’écoulement devient critique.
2.1.4.3 exposant isentropique, K : Rapport de la variation
relative de la pression à la variation relative de la masse volumi-
2.1.4.10 nombre de Mach, Ma1 (pour les conditions stati-
que correspondante, dans une transformation adiabatique
ques à l’amont) : Rapport de la vitesse débitante du fluide à la
réversible (isentropique) élémentaire :
célérité du son à l’entrée du Venturi-tuyère.
2.1.4.11 facteur de compressibilité, 2: Coefficient correc-
tif exprimant numériquement le fait que le comportement d’un
gaz réel, dans des conditions données de pression et de tempé-
rature, s’écarte de la loi des gaz parfaits. II est défini par la for-
où
mule
est la pression statique absolue du gaz;
P
PM
7 =-
est la masse volumique du gaz; Y
Q
@RT
C est la vitesse locale du son;
où la constante molaire des gaz, R, est égale
l’indice S signifie ((à entropie constante». à 8,314 3 J/(mol.K).
Pour un gaz par-fait’), K est égal au rapport des capacités ther-
2.1.5 incertitude: Intervalle de valeurs dans lequel la valeur
miques massiques y et est égal à 5/3 pour les gaz monoatomi- vraie est estimée se trouver avec une probabilité de 95 %.
ques, 7/5 pour les gaz diatomiques, 9/7 pour les gaz triatomi-
Dans certains cas, le niveau de confiance associé à cet inter-
ques, etc.
valle de valeurs peut être supérieur à 95%, mais il ne peut en
être ainsi que lorsqu’une grandeur utilisée dans le calcul du
2.1.4.4 coefficient de décharge, C: Rapport sans dimen-
débit est connue avec un niveau de confiance supérieur à 95 %;
sion du débit réel au débit idéal qui serait obtenu en écoulement
dans de tels cas, il convient de se reporter à I’ISO 5168.
monodimensionnel isentropique pour les mêmes conditions
d’arrêt à l’amont. Ce coefficient corrige les effets de viscosité et
2.2 Symboles
de courbure dans l’écoulement. Pour les types de tuyère et les
conditions de montage spécifiés dans la présente Norme inter-
Les symboles utilisés dans la présente Norme internationale
nationale, ce coefficient n’est fonction que du nombre de Rey-
sont donnés au tableau 1.
nolds au col.
3 Êquations de base
2.1.4.5 écoulement critique : Ecoulement pour lequel le
débit à travers un Venturi-tuyère donné est maximal pour des
3.1 Equations d’état
conditions données à l’amont. Lorsque l’écoulement est criti-
que, la vitesse au col est égale à la valeur locale de la vitesse du
Le comportement d’un gaz réel peut être décrit par la formule
son (célérité acoustique), vitesse à laquelle se propagent de
petites perturbations de pression.
(RlM) TZ
PI@ =
forces qui s’exercent entre les molécules ainsi que le volume occupé par les molécules,
1) Dans les gaz réels, les ont un effet significatif sur le com-
portement du gaz. Dans u n gaz parfait, les forces intermoléculaires et le volume propre des molécules sont con sidérés comme négligeables.
2
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (FI
Tableau 1 - Symboles
Symbole Grandeur Dimensionsl) Unité SI
Aire de la section de sortie du Venturi-tuyère L* m*
A2
Aire du col du Venturi-tuyère L* m*
A*
Coefficient de décharge Sans dimension
c
Coefficient de débit critique (pour un écoulement monodimensionnel d’un gaz réel) Sans dimension
GI
Fonction de débit critique (pour un écoulement monodimensionnel d’un gaz réel) Sans dimension
C*
Fonction de débit critique (pour un écoulement isentropique monodimensionnel d’un Sans dimension
c*i
gaz parfait)
Diamètre de la conduite à l’amont L m
D
d Diamètre du col du Venturi-tuyère L m
E Incertitude relative Sans dimension
2)
e Incertitude absolue
M Masse molaire M kg kmol-’
Nombre de Mach dans les conditions statiques à l’entrée de la tuyère Sans dimension
Ma1
Pression statique absolue du gaz à l’entrée de la tuyère ML-’ T-2 Pa
pi
Pression statique absolue du gaz à la sortie de la tuyère ML-’ T-2 Pa
p2
Pression d’arrêt du gaz à l’entrée de la tuyère ML-’ T-2 Pa
po
Pression statique absolue du gaz au col de la tuyère ML-’ T-2 Pa
P*
Pression statique absolue du gaz au col de la tuyère pour un écoulement isentropique ML-’ T-2 Pa
P*i
monodimensionnel d’un gaz parfait
Rapport de la pression statique à la sortie de la tuyère à la pression d’arrêt à l’entrée pour Sans dimension
(P2IP()) i
un écoulement isentropique monodimensionnel d’un gaz parfait
Débit-masse MT-’ kgs-’
4rn
MT-’ kgs-’
Débit-masse pour un écoulement isentropique monodimensionnel d’un gaz
4
mi
non visqueux
ML2 T-2 a-1
R Constante universelle des gaz J. kmol-’ K-1
Nombre de Reynolds au col de la tuyère Sans dimension
Red
Rayon de courbure du convergent de la tuyère L m
TC
Rapport de pression critique pJpo Sans dimension
r*
0 K
Température d’arrêt du gaz à l’entrée de la tuyère
TO
Température statique absolue du gaz à l’entrée de la tuyère 0 K
q
Température statique absolue du gaz au col de la tuyère 0 K
T*
Vitesse critique de l’écoulement au col de la tuyère LT-’ m-s-1
“*
Sans dimension
z Facteur de compressibilité
Rapport des diamètres dlD Sans dimension
P
Rapport de la capacité thermique massique à pression constante cp à la capacité thermi- Sans dimension
Y
que massique à volume constant cv
Exposant isentropique Sans dimension
rc
Viscosité dynamique du gaz aux conditions d’arrêt à l’entrée de la tuyère ML-’ T-1 Pas
PO
Viscosité dynamique du gaz au col de la tuyère ML-’ T-1 Pas
P*
Masse volumique du gaz dans les conditions d’arrêt à l’entrée de la tuyère ML-3 kgmm-3
@O
ML-3 kg-m-3
Masse volumique du gaz au col de la tuyère
@*
1) M = masse; L = longueur; T = temps; 0 = température.
2) Paramètre dont la dimension est celle de la grandeur à laquelle il se rapporte.
3
---------------------- Page: 7 ----------------------
Iso 9300 : 1990 (FI
3.2 Débit dans les conditions idéales Au col d’un Venturi-tuyère critique, la vitesse de l’écoulement
est la plus grande possible pour des conditions d’arrêt données
Le débit critique idéal implique trois conditions principales, à
à l’amont et par conséquent, la sensibilité aux conditions d’ins-
savoir:
tallation est minimale sauf pour les écoulements giratoires qui
ne doivent pas exister à l’entrée du Venturi-tuyère.
a) l’écoulement est monodimensionnel;
Si l’on compare les Venturi-tuyères critiques aux appareils
b) l’écoulement est isentropique;
déprimogènes subsoniques, on peut noter que pour les tuyéres
c) le gaz est parfait (c’est-à-dire 2 = 1 et K = y).
critiques, le débit est directement proportionnel à la pression
d’arrêt à l’amont et non pas, comme c’est le cas pour les appa-
Dans ces conditions, le débit critique est donné par la formule
reils subsoniques, à la racine carrée de la pression différentielle
mesurée.
A*C*iP()
4mi =
URlM) TOI “2
La gamme maximale de débit qui peut être couverte par un
Venturi-tuyère critique donné est généralement limitée à la
gamme des pressions disponibles à l’amont au-dessus de la
= AsC,i(POQ0)“2
pression à l’amont pour laquelle le débit devient critique.
qmi
Les applications les plus courantes des Venturi-tuyères en
régime critique sont les essais, l’étalonnage et le contrôle de
(y + IV2 (y - 1)
2
cii=y1/2 -
débit.
Y+1
( )
3.3 Débit dans les conditions réelles
5 Venturi-tuyères en régime critique
normalisés
Dans les conditions réelles, les formules donnant le débit
deviennent :
5.1 Conditions générales
A*CC*Po
4m =
[WM) TOI”2
5.1.1 Le Venturi-tuyère doit être examiné afin de vérifier sa
conformité avec les prescriptions de la présente Norme inter-
ou
nationale.
A,CCR (P~Q~)“~
4m=
5.1.2 Le Venturi-tuyère doit être fabriqué dans un matériau
du fait que
adapté à l’application envisagée. On considèrera notamment
CR = C*Z,“2 que :
a) le matériau doit permettre une finition aux conditions
où 2, est la valeur du facteur de compressibilité aux conditions
requises; certains matériaux sont inadéquats à cause d’aspé-
d’arrêt à l’entrée de la tuyère:
rités, d’inclusions ou d’autres causes d’hétérogénéité,
2, =
PoMkoR TO
b) le matériau ainsi que tout traitement de surface utilisé
ne doit pas être sujet à la corrosion lors de l’utilisation envi-
II convient de noter que C, et CR ne sont plus égaux à C*i parce
sagée,
que le gaz n’est pas parfait et que C est inférieur à l’unité car
l’écoulement n’est pas monodimensionnel et qu’une couche
c) le matériau doit être dimensionnellement stable et avoir
limite existe à cause des effets dus à la viscosité.
des caractéristiques de dilatation thermique connues et répé-
tables (s’il doit être utilisé à une température différente de
celle pour laquelle le diamètre au col a été mesuré) de facon à
4 Applications pour lesquelles la méthode
permettre une correction appropriée du diamètre du col.
ad aptée
5.1.3 Le col et le convergent toroïdal jusqu’au divergent coni-
II est souhaitable d’examiner toute application afin de détermi-
que du Venturi-tuyère doivent être polis et leur rugosité
ner lequel d’un Venturi-tuyère en régime critique ou d’un autre
moyenne arithmétique, R,, ne doit pas excéder 15 x IO-sd.
appareil est le plus adapté. Un point important est que le débit
traversant le Venturi-tuyère est indépendant de la pression à
l’aval (voir 7.6) dans la plage de pression où le Venturi-tuyère
5.1.4 Le col et le convergent toroïdal, jusqu’au divergent
peut être utilisé pour mesurer un débit en régime critique.
conique, doivent être propres, sans poussière, films ou autre
pollution.
On tiendra compte également des points suivants.
Pour les Venturi-tuyères en régime critique, les seules mesures 5.1.5 On doit vérifier la forme de la section du divergent coni-
nécessaires sont la pression du gaz et la température du gaz ou
que du Venturi-tuyère pour s’assurer qu’aucun défaut, discon-
sa masse volumique à l’amont du Venturi-tuyère critique puis-
tinuité, irrégularité ou écart de circularité n’excède 1 % du dia-
que les conditions au col peuvent être calculées à partir des
mètre local. La rugosité moyenne arithmétique, R,, du diver-
propriétés thermodynamiques.
gent conique ne doit pas excéder lO-ad.
4
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (FI
doit pas excéder 10-V
1) P, mesure de pression.
Le profil d’entrée doit être situé
2) Dans cette partie, la rugosité moyenne arithmétique R, ne
dans la zone hachurée
doit pas excéder 15 x 10-V et le contour ne doit pas dévier de la
forme toroi’dale de plus de I!I 0,001 d.
Figure 1 - Venturi-tuyère à col toroïdal
5.2 Conception 5.2.2 Venturi-tuyère à col cylindrique
Deux conceptions différentes sont possibles pour les Venturi-
5.2.2.1 Le Venturi-tuyère doit être conforme aux prescrip-
tuyères normalisés, le Venturi-tuyère à col toroidal et le Venturi-
tions montrées à la figure 2.
tuyère à col cylindrique.
5.2.2.2 Le plan d’entrée est défini comme étant le plan tan-
5.2.1 Venturi-tuyère à col toroïdal
gent au contour d’entrée et perpendiculaire à l’axe de symétrie
de la tuyère.
5.2.1.1 Le Venturi-tuyère doit être conforme aux prescrip-
tions montrées à la figure 1.
5.2.2.3 Le convergent du Venturi-tuyère (entrée) doit être un
quart de tore tangent d’une part au plan d’entrée (voir 5.2.2.2)
5.2.1.2 Pour permettre le repérage des autres éléments d’un
et d’autre part au col cylindrique. La longueur du col cylindri-
système de mesurage de débit par Venturi-tuyère en régime cri-
que et le rayon de courbure, rc, du quart de tore doivent être
tique, le plan d’entrée d’un Venturi-tuyère est défini comme
égaux au diamètre du col.
étant le plan perpendiculaire à l’axe de symétrie qui coupe le
convergent à un diamètre de 2,5d + 0,l d.
5.2.2.4 La surface toroÏdale du convergent du Venturi-tuyère
ne doit pas dévier de la forme d’un tore de plus de + 0,001 d.
5.2.1.3 Le convergent du Venturi-tuyère (entrée) doit être
constitué d’une portion de tore s’étendant au-delà de la section
5.2.2.5 Le débit doit être calculé à partir du diamètre moyen à
d’aire minimale (col) jusqu’au point de tangence avec le diver-
la section de sortie du col cylindrique. Le diamétre moyen doit
gent. Le profil du convergent à l’amont du plan d’entrée (voir
être déterminé en mesurant au moins quatre diamètres régulié-
5.2.1.2) n’est pas prescrit à part le fait que dans toute section
rement répartis de façon angulaire à la sortie du col cylindrique.
droite le profil doit avoir un diamètre égal ou supérieur à celui
Aucun diamètre mesuré dans le col cylindrique ne doit s’écarter
du prolongement du profil toroïdal.
du diamètre moyen de plus de k 0,001 d.
La longueur du col ne doit pas s’écarter du diamètre du col de
5.2.1.4 La surface toroïdale du Venturi-tuyère située entre le
plus de 0,05d.
plan d’entrée et le divergent (voir figure 1) ne doit pas s’écarter
de la forme d’un tore de plus de AI 0,001 d. Le rayon de cour-
Le raccordement entre le quart de tore et le col cylindrique doit
bure, rc, de cette surface toroïdale, mesuré dans un plan conte-
être contrôlé visuellement et aucun défaut ne doit être observa-
nant l’axe de symétrie, doit être compris entre 1,8d et 2,Zd.
ble. Lorsqu’un défaut de raccordement est observé, on doit
vérifier que le rayon de courbure local, mesuré dans un plan
5.2.1.5 Le divergent du Venturi-tuyère en aval du point de
contenant l’axe de symétrie, n’est jamais inférieur à 0,5d tout
tangence avec le tore est constitué d’un tronc de cône de demi- au long de la surface d’entrée (quart de tore et col cylindrique).
angle au sommet compris entre 2,5O et 6O. La longueur du
La surface d’entrée doit être convenablement polie de facon que
divergent ne doit pas être inférieure au diamètre du col. la rugosité arithmétique moyenne R, n’excède pas 15 x ‘IO-sd.
5
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (FI
1) Dans cette partie, la rugosité moyenne arithmétique R, ne doit pas excéder 15 x 10-G! et le contour ne doit pas dévier de la
forme toroÏdaIe et cylindrique de plus de I!I 0,001 d.
2) Dans cette partie, la rugosité moyenne arithmétique R, ne doit pas excéder lO-4d.
Figure 2 - Venturi-tuyère à col cylindrique
Le raccordement entre le col cylindrique et le divergent doit Venturi-tuyère, la conduite ne doit pas présenter de défaut de
également être contrôlé visuellement et aucun défaut ne doit circularité excédant 0,Ol D et la rugosité moyenne arithméti-
être observable. que, R,, ne doit pas excéder 10-AD. Le diamètre de la conduite
à l’amont doit être au moins de 4d.
5.2.2.6 Le divergent du Venturi-tuyère est constitué d’un
6.3 Grand volume à l’amont
tronc de cône de demi-angle au sommet compris entre 3O et 4O.
La longueur du divergent ne doit pas être inférieure au diamètre
On peut admettre qu’il existe un grand volume à l’amont de
du col.
l’élément primaire lorsqu’il n’y a pas de paroi à moins de 5d de
l’axe de l’élément primaire ou du plan d’entrée de l’élément pri-
maire défini en 5.2.1.2 ou 5.2.2.2.
6 Conditions d’installation
6.4 Conditions à l’aval
6.1 Généralités
Aucune condition n’est imposée à la conduite à l’aval sinon
La présente Norme internationale s’applique aux deux types de qu’elle ne doit pas constituer une restriction telle qu’elle empê-
montage suivants : che l’établissement d’un régime critique dans le Venturi-tuyère.
a) la canalisation à l’amont du Ve nturi- tuyère est de sec-
6.5 Mesure de pression
tion d roite circulaire, ou
6.5.1 Lorqu’on utilise une conduite de section circulaire à
b) on peut considérer qu’ un volume important se trouve à
l’amont de l’élément primaire, la pression statique à l’amont
l’amont du Venturi-tuyère.
doit de préférence être mesurée à l’aide de prises de pression à
Dans le cas a), l’élément primaire doit être monté dans un cir-
la paroi situées à une distance comprise entre 0,9D et 1 ,l D du
cuit conforme aux conditions de 6.2. Dans le cas b), l’élément
plan d’entrée du Venturi-tuyère (voir figure 1). La prise de pres-
primaire doit être monté dans un circuit conforme aux condi-
sion peut être située en amont ou en aval de cette position à
tions de 6.3. Dans les deux cas, l’écoulement à l’amont de la
condition qu’il soit prouvé que la pression mesurée peut être
tuyère ne doit pas être giratoire. Lorsque la tuyère est précédée
utilisée de manière fiable pour donner la pression d’arrêt à
d’une canalisation à l’amont, on peut éviter une giration de
l’entrée de la tuyère.
l’écoulement en montant un redresseur du modèle représenté à
la figure 3 à une distance II > 50 en amont du plan d’entrée de
6.5.2 Lorsqu’on admet l’existence d’un grand volume en
la tuyère.
amont de l’élément primaire, la prise de pression à l’amont doit
de préférence être située sur une paroi perpendiculaire au plan
d’entrée de l’élément primaire et à une distance maximale de
6.2 Canalisation à l’amont
10d $r 1 d de ce plan. La prise de pression peut être située en
L’élément primaire peut être monté dans une conduite rectili- amont ou en aval de cette position à condition qu’il soit prouvé
gne de section circulaire qui doit être concentrique à If: 0,020 que la pression mesurée peut être utilisée pour donner de
près à l’axe du Venturi-tuyère. Jusqu’à 30 en amont du
manière fiable la pression d’arrêt à l’entrée de la tuyère.
6
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (F)
)
0,9D à 1,lD
Plan d’entrée
/de la tuyére
Épaisseur des ailettes suffisante
pour éviter les déformations
1) P, mesure de pression.
2) T, mesure de température.
3) Dans cette partie, la rugosité moyenne arithmétique ne doit pas excéder 10-W.
Figure 3 - Conditions d’installation dans le cas d’une canalisation à l’amont
6.5.3 Dans le cas mentionné en 6.5.1, et, de préférence, aussi
6.6 Orifices de purge
dans le cas mentionné en 6.5.2, l’axe de la prise de pression doit
La conduite peut être équipée d’orifices de purge nécessaires à
couper l’axe de l’élément primaire à angle droit. À la débou-
l’évacuation de condensats ou autres substances étrangères
chure, l’orifice doit être circulaire. Les arêtes ne doivent pas
qui peuvent être collectées dans certaines applications. Les ori-
comporter de bavures et doivent être vives ou légèrement
fices de purge ne doivent être le siège d’aucun écoulement
arrondies à un rayon n’excédant pas 0,l fois le diamètre de la
lorsqu’une mesure de débit est en cours. Lorsque des orifices
prise de pression. La conformité des prises de pression à ces
de purge sont nécessaires, ils doivent être situés à l’amont de la
exigences doit être jugée par simple contrôle visuel. Lorsqu’une
prise de pression située à l’amont de la tuyère. Le diamètre des
canalisation est utilisée à l’amont, le diamètre de la prise de
orifices de purge doit être inférieur à 0,06D. La distance axiale
pression ne doit pas excéder 0,080 et, de préférence être infé-
de l’orifice de purge au plan de prise de pression à l’amont doit
rieur à 12 mm. La prise de pression doit être cylindrique sur une
être supérieure à D et l’orifice doit se situer dans un plan axial
longueur d’au moins 2,5 fois son diamètre (voir figure 4).
différent de celui de la prise de pression.
dt < 0 0 8 0 ( < 12 mm de préférence)
6.7 Mesure de température
-
...
NORME
ISO
IN’TERNATIONALE
9300
Première édition
1990-08- 15
Mesure de débit de gaz au moyen de Venturi-
tuyères en régime critique
Measurement of gas flow by means of critical flow Venturi nozzles
Numéro de référence
ISO 9300 : 1990 (F)
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (FI
Sommaire
Page
Avant-propos . iii
1 1
Domaine d’application .
2 Définitions et symboles 1
..............................................
2.1 Définitions. 1
.....................................................
2.2 Symboles . 2
................................................... 2
3 ~quationsdebase
3.1 Equations d’état 2
.................................................
3.2 Débit dans les conditions idéales . 4
3.3 Débit dans les conditions réelles
................................... 4
4 Applications pour lesquelles la méthode est adaptée . 4
5 Venturi-tuyères en régime critique normalisés 4
...........................
5.1 Conditions générales 4
.............................................
5.2 Conception 5
.....................................................
6 Conditions d’installation. 6
.............................................
6.1 Généralités . 6
6.2 Canalisation à l’amont 6
............................................
6
6.3 Grand volume à l’amont
..........................................
6.4 Conditionsà l’aval 6
...............................................
6.5 Mesure de pression 6
..............................................
6.6 Orifices de purge
................................................ 7
6.7 Mesure de température 7
...........................................
6.8 Mesure de masse volumique 8
......................................
7 Méthodes de calcul. 8
.................................................
Débit-masse 8
7.1
....................................................
7.2 Coefficient de décharge 8
..........................................
7.3 Fonction de débit critique 8
.........................................
7.4 Coefficient de débit critique d’un gaz réel. . 8
Conversion des pression et température mesurées aux conditions d’arrêt. 8
7.5
7.6 Pression maximale admissible à l’aval 9
...............................
8 Incertitudes sur la mesure du débit
..................................... 9
8.1 Généralités 9
.....................................................
8.2 Calcul pratique de l’incertitude. . 10
Annexes
A Coefficient de décharge des Venturi-tuyères. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II
B Tableaux des valeurs de la fonction de débit critique, C,, pour divers gaz . . . . 12
C Calcul des coefficients de débit critique des gaz réels pour les gaz naturels . . . 14
D Références à partir desquelles les coefficients de débit des
Venturi-tuyères normalisés ont été obtenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
E Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
0 ISO 1990
Droits de reproduction réservés. Aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni
utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie et les microfilms, sans l’accord écrit de l’éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case postale 56 l CH-1211 Genève 20 l Suisse
Imprimé en Suisse
ii
---------------------- Page: 2 ----------------------
IsO 9300 : 1990 (FI
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale
d’organismes nationaux de normalisation (comités membres de I’ISO). L’élaboration
des Normes internationales est en général confiée aux comités techniques de I’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 I’ISO participent également aux travaux. L’ISO col-
labore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
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.
La Norme internationale ISO 9300 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 30,
Mesure de débit des fluides dans les conduites fermées.
Les annexes A, B et C font partie intégrante de la présente Norme internationale. Les
annexes D et E sont données uniquement à titre d’information.
---------------------- Page: 3 ----------------------
Page blanche
---------------------- Page: 4 ----------------------
NORME INTERNATIONALE
ISO 9300 : 1990 (FI
Mesure de débit de gaz au moyen de Venturi-tuyères
en régime critique
2.1.1 Mesure de pression
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale prescrit la géométrie et le
2.1.1.1 prise de pression à la paroi : Orifice percé dans la
mode d’emploi (installation dans un circuit et conditions opéra-
paroi d’une conduite de facon que le bord de l’orifice soit arasé
toires) de Venturi-tuyères en régime critique utilisés pour déter-
à la paroi intérieure de la conduite. La prise est réalisée de telle
miner le débit-masse de gaz traversant le circuit. Elle donne
manière que la pression dans l’orifice soit la pression statique
également les informations nécessaires au calcul du débit et de
en ce point de la conduite.
l’incertitude associée.
2.1.1.2 pression statique d’un gaz : Pression réelle du gaz
La présente Norme internationale s’applique aux Venturi-
en écoulement, qui peut être mesurée en reliant un manomètre
tuyères au sein desquels l’écoulement gazeux est accéléré
à une prise de pression à la paroi.
jusqu’à atteindre la vitesse critique au col (la vitesse d’un écou-
lement critique est égale à la célérité locale du son). Lorsque
NOTE - Seule la valeur de la pression statique absolue est utilisée
l’écoulement est critique, le débit-masse traversant le Venturi-
dans la présente Norme internationale.
tuyère est le plus grand débit possible pour les conditions
régnant à l’amont.
2.1.1.3 pression d’arrêt d’un gaz : Pression qui régnerait
dans le gaz si l’écoulement gazeux était amené au repos par un
La présente Norme internationale s’applique seulement lorsqu’il
procédé isentropique.
existe un écoulement stationnaire monophasique de gaz. Les
Venturi-tuyères en régime critique dont il est question ici, ne
NOTE - Seule la valeur de la pression d’arrêt absolue est utilisée dans
peuvent être utilisés qu’à l’intérieur des limites prescrites, par
la présente Norme internationale.
exemple, pour le rapport du diamètre au col au diamètre à
l’amont et pour le nombre de Reynolds au col. Elle traite d’élé-
ments pour lesquels des étalonnages directs ont été effectués,
2.1.2 Mesure de température
en nombre et en qualité suffisants pour asseoir sur leurs résul-
tats des systèmes d’utilisation cohérents et permettre de déter-
2.1.2.1 température statique d’un gaz : Température réelle
miner les coefficients avec une marge prévisible d’incertitude.
du gaz en écoulement.
Les Venturi-tuyères prescrits dans la présente Norme interna-
NOTE - Seule la valeur de la température statique absolue est utilisée
tionale sont appelés «éléments primaires)). Les autres appareils
dans la présente Norme internationale.
nécessaires à la mesure du débit sont appelés ((éléments secon- ’
dairew. La présente Norme internationale ne traite que des élé-
2.1.2.2 température d’arrêt d’un gaz: Température qui
ments primaires; les appareils secondaires ne sont mentionnés
régnerait dans le gaz si l’écoulement gazeux était amené au
qu’occasionnellement.
repos par un procédé isentropique.
Les informations données dans la présente Norme internatio-
- Seule la valeur de la température d’arrêt absolue est utilisée
NOTE
nale sont applicables dans les cas où :
dans la présente Norme internationale.
a) la conduite à l’amont du Venturi-tuyère est de section
circulaire, ou
2.1.3 Tuyères en régime critique
b) il peut être supposé qu’il existe un grand volume à
2.1.3.1 Venturi-tuyère : Restriction convergente/divergente
l’amont du Venturi-tuyère.
insérée dans un système de mesure de débit.
2.1.3.2 col : Section droite de diamètre minimal du Venturi-
2 Définitions et symboles
tuyère.
2.1 Définitions
2.1.3.3 Venturi-tuyère critique : Venturi-tuyère dont la
Pour les besoins de la présente Norme internationale, les défini- configuration géométrique et les conditions d’utilisation sont
tions suivantes s’appliquent. telles que l’écoulement est critique.
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (FI
2.1.4.6 fonction de débit critique, C,: Fonction sans
2.1.4 icoulement
dimension qui caractérise les propriétés thermodynamiques
d’un écoulement monodimensionnel isentropique entre l’amont
Masse de gaz traversant le Venturi-
2.1.4.1 débit-masse, qm:
et le col d’un Venturi-tuyère. Elle est fonction de la nature du
tuyère par unité de temps.
gaz et des conditions d’arrêt (voir 3.2).
NOTE - Dans la présente Norme internationale, le débit est toujours
2.1.4.7 coefficient de débit critique d’un gaz réel, CR :
un débit-masse.
Variante de la fonction de débit critique, plus pratique d’emploi
pour les mélanges de gaz. Ce coefficient se déduit de la fonc-
2.1.4.2 nombre de Reynolds au col, Red: Paramètre sans
tion de débit critique par la formule
dimension calculé à partir de la vitesse et de la masse volumique
c z”*
du gaz au col ainsi que de la viscosité dynamique du gaz dans
cR= +
les conditions d’arrêt à l’entrée de la tuyère. La dimension
caractéristique est prise égale au diamètre du col dans les 2.1.4.8 rapport de pression critique, r+ : Rapport de la pres-
conditions de service. Le nombre de Reynolds au col est donné
sion statique absolue du gaz au col de la tuyère à la pression
par la formule d’arrêt absolue pour lequel le débit-masse de gaz au travers de
la tuyère est maximal.
%n
Red = -
2.1.4.9 taux de détente : Rapport de la pression statique
WJ,
absolue à l’aval de la tuyère à la pression absolue d’arrêt à
l’amont à partir duquel l’écoulement devient critique.
2.1.4.3 exposant isentropique, K : Rapport de la variation
relative de la pression à la variation relative de la masse volumi-
2.1.4.10 nombre de Mach, Ma1 (pour les conditions stati-
que correspondante, dans une transformation adiabatique
ques à l’amont) : Rapport de la vitesse débitante du fluide à la
réversible (isentropique) élémentaire :
célérité du son à l’entrée du Venturi-tuyère.
2.1.4.11 facteur de compressibilité, 2: Coefficient correc-
tif exprimant numériquement le fait que le comportement d’un
gaz réel, dans des conditions données de pression et de tempé-
rature, s’écarte de la loi des gaz parfaits. II est défini par la for-
où
mule
est la pression statique absolue du gaz;
P
PM
7 =-
est la masse volumique du gaz; Y
Q
@RT
C est la vitesse locale du son;
où la constante molaire des gaz, R, est égale
l’indice S signifie ((à entropie constante». à 8,314 3 J/(mol.K).
Pour un gaz par-fait’), K est égal au rapport des capacités ther-
2.1.5 incertitude: Intervalle de valeurs dans lequel la valeur
miques massiques y et est égal à 5/3 pour les gaz monoatomi- vraie est estimée se trouver avec une probabilité de 95 %.
ques, 7/5 pour les gaz diatomiques, 9/7 pour les gaz triatomi-
Dans certains cas, le niveau de confiance associé à cet inter-
ques, etc.
valle de valeurs peut être supérieur à 95%, mais il ne peut en
être ainsi que lorsqu’une grandeur utilisée dans le calcul du
2.1.4.4 coefficient de décharge, C: Rapport sans dimen-
débit est connue avec un niveau de confiance supérieur à 95 %;
sion du débit réel au débit idéal qui serait obtenu en écoulement
dans de tels cas, il convient de se reporter à I’ISO 5168.
monodimensionnel isentropique pour les mêmes conditions
d’arrêt à l’amont. Ce coefficient corrige les effets de viscosité et
2.2 Symboles
de courbure dans l’écoulement. Pour les types de tuyère et les
conditions de montage spécifiés dans la présente Norme inter-
Les symboles utilisés dans la présente Norme internationale
nationale, ce coefficient n’est fonction que du nombre de Rey-
sont donnés au tableau 1.
nolds au col.
3 Êquations de base
2.1.4.5 écoulement critique : Ecoulement pour lequel le
débit à travers un Venturi-tuyère donné est maximal pour des
3.1 Equations d’état
conditions données à l’amont. Lorsque l’écoulement est criti-
que, la vitesse au col est égale à la valeur locale de la vitesse du
Le comportement d’un gaz réel peut être décrit par la formule
son (célérité acoustique), vitesse à laquelle se propagent de
petites perturbations de pression.
(RlM) TZ
PI@ =
forces qui s’exercent entre les molécules ainsi que le volume occupé par les molécules,
1) Dans les gaz réels, les ont un effet significatif sur le com-
portement du gaz. Dans u n gaz parfait, les forces intermoléculaires et le volume propre des molécules sont con sidérés comme négligeables.
2
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (FI
Tableau 1 - Symboles
Symbole Grandeur Dimensionsl) Unité SI
Aire de la section de sortie du Venturi-tuyère L* m*
A2
Aire du col du Venturi-tuyère L* m*
A*
Coefficient de décharge Sans dimension
c
Coefficient de débit critique (pour un écoulement monodimensionnel d’un gaz réel) Sans dimension
GI
Fonction de débit critique (pour un écoulement monodimensionnel d’un gaz réel) Sans dimension
C*
Fonction de débit critique (pour un écoulement isentropique monodimensionnel d’un Sans dimension
c*i
gaz parfait)
Diamètre de la conduite à l’amont L m
D
d Diamètre du col du Venturi-tuyère L m
E Incertitude relative Sans dimension
2)
e Incertitude absolue
M Masse molaire M kg kmol-’
Nombre de Mach dans les conditions statiques à l’entrée de la tuyère Sans dimension
Ma1
Pression statique absolue du gaz à l’entrée de la tuyère ML-’ T-2 Pa
pi
Pression statique absolue du gaz à la sortie de la tuyère ML-’ T-2 Pa
p2
Pression d’arrêt du gaz à l’entrée de la tuyère ML-’ T-2 Pa
po
Pression statique absolue du gaz au col de la tuyère ML-’ T-2 Pa
P*
Pression statique absolue du gaz au col de la tuyère pour un écoulement isentropique ML-’ T-2 Pa
P*i
monodimensionnel d’un gaz parfait
Rapport de la pression statique à la sortie de la tuyère à la pression d’arrêt à l’entrée pour Sans dimension
(P2IP()) i
un écoulement isentropique monodimensionnel d’un gaz parfait
Débit-masse MT-’ kgs-’
4rn
MT-’ kgs-’
Débit-masse pour un écoulement isentropique monodimensionnel d’un gaz
4
mi
non visqueux
ML2 T-2 a-1
R Constante universelle des gaz J. kmol-’ K-1
Nombre de Reynolds au col de la tuyère Sans dimension
Red
Rayon de courbure du convergent de la tuyère L m
TC
Rapport de pression critique pJpo Sans dimension
r*
0 K
Température d’arrêt du gaz à l’entrée de la tuyère
TO
Température statique absolue du gaz à l’entrée de la tuyère 0 K
q
Température statique absolue du gaz au col de la tuyère 0 K
T*
Vitesse critique de l’écoulement au col de la tuyère LT-’ m-s-1
“*
Sans dimension
z Facteur de compressibilité
Rapport des diamètres dlD Sans dimension
P
Rapport de la capacité thermique massique à pression constante cp à la capacité thermi- Sans dimension
Y
que massique à volume constant cv
Exposant isentropique Sans dimension
rc
Viscosité dynamique du gaz aux conditions d’arrêt à l’entrée de la tuyère ML-’ T-1 Pas
PO
Viscosité dynamique du gaz au col de la tuyère ML-’ T-1 Pas
P*
Masse volumique du gaz dans les conditions d’arrêt à l’entrée de la tuyère ML-3 kgmm-3
@O
ML-3 kg-m-3
Masse volumique du gaz au col de la tuyère
@*
1) M = masse; L = longueur; T = temps; 0 = température.
2) Paramètre dont la dimension est celle de la grandeur à laquelle il se rapporte.
3
---------------------- Page: 7 ----------------------
Iso 9300 : 1990 (FI
3.2 Débit dans les conditions idéales Au col d’un Venturi-tuyère critique, la vitesse de l’écoulement
est la plus grande possible pour des conditions d’arrêt données
Le débit critique idéal implique trois conditions principales, à
à l’amont et par conséquent, la sensibilité aux conditions d’ins-
savoir:
tallation est minimale sauf pour les écoulements giratoires qui
ne doivent pas exister à l’entrée du Venturi-tuyère.
a) l’écoulement est monodimensionnel;
Si l’on compare les Venturi-tuyères critiques aux appareils
b) l’écoulement est isentropique;
déprimogènes subsoniques, on peut noter que pour les tuyéres
c) le gaz est parfait (c’est-à-dire 2 = 1 et K = y).
critiques, le débit est directement proportionnel à la pression
d’arrêt à l’amont et non pas, comme c’est le cas pour les appa-
Dans ces conditions, le débit critique est donné par la formule
reils subsoniques, à la racine carrée de la pression différentielle
mesurée.
A*C*iP()
4mi =
URlM) TOI “2
La gamme maximale de débit qui peut être couverte par un
Venturi-tuyère critique donné est généralement limitée à la
gamme des pressions disponibles à l’amont au-dessus de la
= AsC,i(POQ0)“2
pression à l’amont pour laquelle le débit devient critique.
qmi
Les applications les plus courantes des Venturi-tuyères en
régime critique sont les essais, l’étalonnage et le contrôle de
(y + IV2 (y - 1)
2
cii=y1/2 -
débit.
Y+1
( )
3.3 Débit dans les conditions réelles
5 Venturi-tuyères en régime critique
normalisés
Dans les conditions réelles, les formules donnant le débit
deviennent :
5.1 Conditions générales
A*CC*Po
4m =
[WM) TOI”2
5.1.1 Le Venturi-tuyère doit être examiné afin de vérifier sa
conformité avec les prescriptions de la présente Norme inter-
ou
nationale.
A,CCR (P~Q~)“~
4m=
5.1.2 Le Venturi-tuyère doit être fabriqué dans un matériau
du fait que
adapté à l’application envisagée. On considèrera notamment
CR = C*Z,“2 que :
a) le matériau doit permettre une finition aux conditions
où 2, est la valeur du facteur de compressibilité aux conditions
requises; certains matériaux sont inadéquats à cause d’aspé-
d’arrêt à l’entrée de la tuyère:
rités, d’inclusions ou d’autres causes d’hétérogénéité,
2, =
PoMkoR TO
b) le matériau ainsi que tout traitement de surface utilisé
ne doit pas être sujet à la corrosion lors de l’utilisation envi-
II convient de noter que C, et CR ne sont plus égaux à C*i parce
sagée,
que le gaz n’est pas parfait et que C est inférieur à l’unité car
l’écoulement n’est pas monodimensionnel et qu’une couche
c) le matériau doit être dimensionnellement stable et avoir
limite existe à cause des effets dus à la viscosité.
des caractéristiques de dilatation thermique connues et répé-
tables (s’il doit être utilisé à une température différente de
celle pour laquelle le diamètre au col a été mesuré) de facon à
4 Applications pour lesquelles la méthode
permettre une correction appropriée du diamètre du col.
ad aptée
5.1.3 Le col et le convergent toroïdal jusqu’au divergent coni-
II est souhaitable d’examiner toute application afin de détermi-
que du Venturi-tuyère doivent être polis et leur rugosité
ner lequel d’un Venturi-tuyère en régime critique ou d’un autre
moyenne arithmétique, R,, ne doit pas excéder 15 x IO-sd.
appareil est le plus adapté. Un point important est que le débit
traversant le Venturi-tuyère est indépendant de la pression à
l’aval (voir 7.6) dans la plage de pression où le Venturi-tuyère
5.1.4 Le col et le convergent toroïdal, jusqu’au divergent
peut être utilisé pour mesurer un débit en régime critique.
conique, doivent être propres, sans poussière, films ou autre
pollution.
On tiendra compte également des points suivants.
Pour les Venturi-tuyères en régime critique, les seules mesures 5.1.5 On doit vérifier la forme de la section du divergent coni-
nécessaires sont la pression du gaz et la température du gaz ou
que du Venturi-tuyère pour s’assurer qu’aucun défaut, discon-
sa masse volumique à l’amont du Venturi-tuyère critique puis-
tinuité, irrégularité ou écart de circularité n’excède 1 % du dia-
que les conditions au col peuvent être calculées à partir des
mètre local. La rugosité moyenne arithmétique, R,, du diver-
propriétés thermodynamiques.
gent conique ne doit pas excéder lO-ad.
4
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (FI
doit pas excéder 10-V
1) P, mesure de pression.
Le profil d’entrée doit être situé
2) Dans cette partie, la rugosité moyenne arithmétique R, ne
dans la zone hachurée
doit pas excéder 15 x 10-V et le contour ne doit pas dévier de la
forme toroi’dale de plus de I!I 0,001 d.
Figure 1 - Venturi-tuyère à col toroïdal
5.2 Conception 5.2.2 Venturi-tuyère à col cylindrique
Deux conceptions différentes sont possibles pour les Venturi-
5.2.2.1 Le Venturi-tuyère doit être conforme aux prescrip-
tuyères normalisés, le Venturi-tuyère à col toroidal et le Venturi-
tions montrées à la figure 2.
tuyère à col cylindrique.
5.2.2.2 Le plan d’entrée est défini comme étant le plan tan-
5.2.1 Venturi-tuyère à col toroïdal
gent au contour d’entrée et perpendiculaire à l’axe de symétrie
de la tuyère.
5.2.1.1 Le Venturi-tuyère doit être conforme aux prescrip-
tions montrées à la figure 1.
5.2.2.3 Le convergent du Venturi-tuyère (entrée) doit être un
quart de tore tangent d’une part au plan d’entrée (voir 5.2.2.2)
5.2.1.2 Pour permettre le repérage des autres éléments d’un
et d’autre part au col cylindrique. La longueur du col cylindri-
système de mesurage de débit par Venturi-tuyère en régime cri-
que et le rayon de courbure, rc, du quart de tore doivent être
tique, le plan d’entrée d’un Venturi-tuyère est défini comme
égaux au diamètre du col.
étant le plan perpendiculaire à l’axe de symétrie qui coupe le
convergent à un diamètre de 2,5d + 0,l d.
5.2.2.4 La surface toroÏdale du convergent du Venturi-tuyère
ne doit pas dévier de la forme d’un tore de plus de + 0,001 d.
5.2.1.3 Le convergent du Venturi-tuyère (entrée) doit être
constitué d’une portion de tore s’étendant au-delà de la section
5.2.2.5 Le débit doit être calculé à partir du diamètre moyen à
d’aire minimale (col) jusqu’au point de tangence avec le diver-
la section de sortie du col cylindrique. Le diamétre moyen doit
gent. Le profil du convergent à l’amont du plan d’entrée (voir
être déterminé en mesurant au moins quatre diamètres régulié-
5.2.1.2) n’est pas prescrit à part le fait que dans toute section
rement répartis de façon angulaire à la sortie du col cylindrique.
droite le profil doit avoir un diamètre égal ou supérieur à celui
Aucun diamètre mesuré dans le col cylindrique ne doit s’écarter
du prolongement du profil toroïdal.
du diamètre moyen de plus de k 0,001 d.
La longueur du col ne doit pas s’écarter du diamètre du col de
5.2.1.4 La surface toroïdale du Venturi-tuyère située entre le
plus de 0,05d.
plan d’entrée et le divergent (voir figure 1) ne doit pas s’écarter
de la forme d’un tore de plus de AI 0,001 d. Le rayon de cour-
Le raccordement entre le quart de tore et le col cylindrique doit
bure, rc, de cette surface toroïdale, mesuré dans un plan conte-
être contrôlé visuellement et aucun défaut ne doit être observa-
nant l’axe de symétrie, doit être compris entre 1,8d et 2,Zd.
ble. Lorsqu’un défaut de raccordement est observé, on doit
vérifier que le rayon de courbure local, mesuré dans un plan
5.2.1.5 Le divergent du Venturi-tuyère en aval du point de
contenant l’axe de symétrie, n’est jamais inférieur à 0,5d tout
tangence avec le tore est constitué d’un tronc de cône de demi- au long de la surface d’entrée (quart de tore et col cylindrique).
angle au sommet compris entre 2,5O et 6O. La longueur du
La surface d’entrée doit être convenablement polie de facon que
divergent ne doit pas être inférieure au diamètre du col. la rugosité arithmétique moyenne R, n’excède pas 15 x ‘IO-sd.
5
---------------------- Page: 9 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (FI
1) Dans cette partie, la rugosité moyenne arithmétique R, ne doit pas excéder 15 x 10-G! et le contour ne doit pas dévier de la
forme toroÏdaIe et cylindrique de plus de I!I 0,001 d.
2) Dans cette partie, la rugosité moyenne arithmétique R, ne doit pas excéder lO-4d.
Figure 2 - Venturi-tuyère à col cylindrique
Le raccordement entre le col cylindrique et le divergent doit Venturi-tuyère, la conduite ne doit pas présenter de défaut de
également être contrôlé visuellement et aucun défaut ne doit circularité excédant 0,Ol D et la rugosité moyenne arithméti-
être observable. que, R,, ne doit pas excéder 10-AD. Le diamètre de la conduite
à l’amont doit être au moins de 4d.
5.2.2.6 Le divergent du Venturi-tuyère est constitué d’un
6.3 Grand volume à l’amont
tronc de cône de demi-angle au sommet compris entre 3O et 4O.
La longueur du divergent ne doit pas être inférieure au diamètre
On peut admettre qu’il existe un grand volume à l’amont de
du col.
l’élément primaire lorsqu’il n’y a pas de paroi à moins de 5d de
l’axe de l’élément primaire ou du plan d’entrée de l’élément pri-
maire défini en 5.2.1.2 ou 5.2.2.2.
6 Conditions d’installation
6.4 Conditions à l’aval
6.1 Généralités
Aucune condition n’est imposée à la conduite à l’aval sinon
La présente Norme internationale s’applique aux deux types de qu’elle ne doit pas constituer une restriction telle qu’elle empê-
montage suivants : che l’établissement d’un régime critique dans le Venturi-tuyère.
a) la canalisation à l’amont du Ve nturi- tuyère est de sec-
6.5 Mesure de pression
tion d roite circulaire, ou
6.5.1 Lorqu’on utilise une conduite de section circulaire à
b) on peut considérer qu’ un volume important se trouve à
l’amont de l’élément primaire, la pression statique à l’amont
l’amont du Venturi-tuyère.
doit de préférence être mesurée à l’aide de prises de pression à
Dans le cas a), l’élément primaire doit être monté dans un cir-
la paroi situées à une distance comprise entre 0,9D et 1 ,l D du
cuit conforme aux conditions de 6.2. Dans le cas b), l’élément
plan d’entrée du Venturi-tuyère (voir figure 1). La prise de pres-
primaire doit être monté dans un circuit conforme aux condi-
sion peut être située en amont ou en aval de cette position à
tions de 6.3. Dans les deux cas, l’écoulement à l’amont de la
condition qu’il soit prouvé que la pression mesurée peut être
tuyère ne doit pas être giratoire. Lorsque la tuyère est précédée
utilisée de manière fiable pour donner la pression d’arrêt à
d’une canalisation à l’amont, on peut éviter une giration de
l’entrée de la tuyère.
l’écoulement en montant un redresseur du modèle représenté à
la figure 3 à une distance II > 50 en amont du plan d’entrée de
6.5.2 Lorsqu’on admet l’existence d’un grand volume en
la tuyère.
amont de l’élément primaire, la prise de pression à l’amont doit
de préférence être située sur une paroi perpendiculaire au plan
d’entrée de l’élément primaire et à une distance maximale de
6.2 Canalisation à l’amont
10d $r 1 d de ce plan. La prise de pression peut être située en
L’élément primaire peut être monté dans une conduite rectili- amont ou en aval de cette position à condition qu’il soit prouvé
gne de section circulaire qui doit être concentrique à If: 0,020 que la pression mesurée peut être utilisée pour donner de
près à l’axe du Venturi-tuyère. Jusqu’à 30 en amont du
manière fiable la pression d’arrêt à l’entrée de la tuyère.
6
---------------------- Page: 10 ----------------------
ISO 9300 : 1990 (F)
)
0,9D à 1,lD
Plan d’entrée
/de la tuyére
Épaisseur des ailettes suffisante
pour éviter les déformations
1) P, mesure de pression.
2) T, mesure de température.
3) Dans cette partie, la rugosité moyenne arithmétique ne doit pas excéder 10-W.
Figure 3 - Conditions d’installation dans le cas d’une canalisation à l’amont
6.5.3 Dans le cas mentionné en 6.5.1, et, de préférence, aussi
6.6 Orifices de purge
dans le cas mentionné en 6.5.2, l’axe de la prise de pression doit
La conduite peut être équipée d’orifices de purge nécessaires à
couper l’axe de l’élément primaire à angle droit. À la débou-
l’évacuation de condensats ou autres substances étrangères
chure, l’orifice doit être circulaire. Les arêtes ne doivent pas
qui peuvent être collectées dans certaines applications. Les ori-
comporter de bavures et doivent être vives ou légèrement
fices de purge ne doivent être le siège d’aucun écoulement
arrondies à un rayon n’excédant pas 0,l fois le diamètre de la
lorsqu’une mesure de débit est en cours. Lorsque des orifices
prise de pression. La conformité des prises de pression à ces
de purge sont nécessaires, ils doivent être situés à l’amont de la
exigences doit être jugée par simple contrôle visuel. Lorsqu’une
prise de pression située à l’amont de la tuyère. Le diamètre des
canalisation est utilisée à l’amont, le diamètre de la prise de
orifices de purge doit être inférieur à 0,06D. La distance axiale
pression ne doit pas excéder 0,080 et, de préférence être infé-
de l’orifice de purge au plan de prise de pression à l’amont doit
rieur à 12 mm. La prise de pression doit être cylindrique sur une
être supérieure à D et l’orifice doit se situer dans un plan axial
longueur d’au moins 2,5 fois son diamètre (voir figure 4).
différent de celui de la prise de pression.
dt < 0 0 8 0 ( < 12 mm de préférence)
6.7 Mesure de température
-
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.