Measurement of gas flow by means of critical flow nozzles

This document specifies the geometry and method of use (installation in a system and operating conditions) of critical flow nozzles (CFNs) used to determine the mass flow rate of a gas flowing through a system basically without the need to calibrate the CFN. It also gives the information necessary for calculating the flow rate and its associated uncertainty. This document is applicable to nozzles in which the gas flow accelerates to the critical velocity at the minimum flowing section, and only where there is steady flow of single-phase gas. When the critical velocity is attained in the nozzle, the mass flow rate of the gas flowing through the nozzle is the maximum possible for the existing inlet condition, while the CFN can only be used within specified limits, e.g. the CFN throat to inlet diameter ratio and Reynolds number. This document deals with the toroidal- and cylindrical-throat CFNs for which direct calibration experiments have been made in sufficient number to enable the resulting coefficients to be used with certain predictable limits of uncertainty.

Mesurage de débit de gaz au moyen de tuyères en régime critique

Le présent document spécifie la géométrie et le mode d’emploi (installation dans un circuit et conditions opératoires) de tuyères en régime critique (CFN) utilisées pour déterminer le débit-masse de gaz traversant le circuit sans besoins d'étalonner la CFN. Il donne également les informations nécessaires au calcul du débit et de l’incertitude associée. Le présent document s’applique aux tuyères au sein desquelles l’écoulement gazeux est accéléré jusqu’à atteindre la vitesse critique à la section d’écoulement minimum et uniquement lorsqu’il existe un écoulement stationnaire monophasique de gaz. Lorsque la vitesse critique est atteinte dans la tuyère, le débit-masse du gaz traversant la tuyère est le plus grand débit-masse possible pour les conditions existant à l’entrée, tandis que les CFN peuvent être utilisées uniquement à l’intérieur des limites spécifiées, par exemple pour le rapport du diamètre au col au diamètre à l’entrée de la CFN et pour le nombre de Reynolds. Le présent document traite des CFN à col toroïdal et cylindrique pour lesquelles des étalonnages directs ont été effectués en nombre suffisant, pour permettre de déterminer les coefficients avec une marge prévisible d’incertitude.

General Information

Status
Published
Publication Date
15-Jun-2022
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
16-Jun-2022
Due Date
29-Nov-2021
Completion Date
16-Jun-2022
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ISO 9300:2022 - Measurement of gas flow by means of critical flow nozzles Released:16. 06. 2022
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Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 9300
Third edition
2022-06
Measurement of gas flow by means of
critical flow nozzles
Mesurage de débit de gaz au moyen de tuyères en régime critique
Reference number
ISO 9300:2022(E)
© ISO 2022

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ISO 9300:2022(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2022
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
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CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Email: copyright@iso.org
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii
  © ISO 2022 – All rights reserved

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ISO 9300:2022(E)
Contents Page
Foreword . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
3.1 Pressure . 1
3.2 Temperature . 2
3.3 Nozzle . 2
3.4 Flow . 3
3.5 Flow rate . 4
3.6 Gas . 5
4 Symbols and abbreviations . 6
5 Basic equations . 9
5.1 Gas behaviour . 9
5.1.1 Isentropic process . 9
5.1.2 State equation . 9
5.2 Isentropic flow of a perfect gas . 9
5.2.1 Flowing area . 9
5.2.2 Static pressure . 9
5.2.3 Static temperature . 10
5.3 Theoretical variables at the critical point . 10
5.3.1 General . 10
5.3.2 Critical pressure . 10
5.3.3 Critical temperature . 10
5.3.4 Critical density . 10
5.3.5 Critical velocity . 10
5.4 Theoretical mass flow rates . 10
5.4.1 General . 10
5.4.2 Theoretical mass flow rate of a perfect gas . 10
5.4.3 Theoretical mass flow rate of real gas . 11
5.5 Mass flow rate . 11
6 General requirements . 11
7 Applications for which the method is suitable . 12
8 CFN . 12
8.1 General requirements for both the standard CFN types . 12
8.1.1 General . 12
8.1.2 Materials . 12
8.1.3 Contraction and throat . 13
8.1.4 Diffuser . 13
8.2 Requirements for each standard types of CFN . 14
8.2.1 Standard CFNs . Error! Bookmark not defined.
8.2.2 Toroidal-throat CFN . 15
8.2.3 Cylindrical-throat CFN . 16
9 Installation requirements . 18
9.1 General requirements for both the standard configurations . 18
9.1.1 Standard configurations . 18
9.1.2 Upstream pressure tapping . 18
9.1.3 Downstream pressure tapping . 19
© ISO 2022 – All rights reserved iii

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ISO 9300:2022(E)
9.1.4 Temperature measurement . 19
9.1.5 Density measurement . 20
9.1.6 Drain hole . 20
9.1.7 Downstream condition . 20
9.2 Pipe configuration . 21
9.2.1 General . 21
9.2.2 Upstream pipe . 21
9.2.3 Pressure measurement . 22
9.2.4 Temperature measurement . 22
9.3 Chamber configuration . 23
9.3.1 General . 23
9.3.2 Upstream chamber . 23
9.3.3 Pressure measurement . 23
9.3.4 Temperature measurement . 23
9.3.5 Back-pressure ratio . 23
10 Calculations . 23
10.1 General . 23
10.2 Calculation of mass flow rate, q . 23
m
10.3 Calculation of discharge coefficient, C . 24
d
10.4 Calculation of critical flow function, C* or C* . 25
D
10.5 Conversion of measured pressure into stagnation pressure . 25
10.6 Conversion of measured temperature into stagnation temperature. 25
10.7 Calculation of viscosity . 25
11 Estimation of critical back-pressure ratio. 26
5
11.1 For a traditional diffuser at Reynolds numbers higher than 2 × 10 . 26
11.2 For any diffuser at low Reynolds numbers . 27
11.3 For CFNs without diffuser or with very short diffuser . 28
12 Uncertainties in the measurement of flow rate . 28
12.1 General . 28
12.2 Practical computation of uncertainty . 29
12.3 Correlated uncertainty components . 30
(informative) Discharge coefficient values . 32
(informative) Critical flow function . 34
(informative) Critical flow function values — Pure gases and air . 37
(informative) Computation of critical mass flux for critical flow nozzles with high
nozzle throat to upstream pipe diameter ratio, β > 0,25 . 62
(informative) Diameter correction method . 66
(informative) Adjustment of discharge coefficient curve on a data set . 71
(informative) Discharge coefficient . 79
(informative) Critical back pressure ratio . 84
(informative) Viscosity values – Pure gases and air . 92
(informative) Supplement . 108
Bibliography . 116
iv © ISO 2022 – All rights reserved

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ISO 9300:2022(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 of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see
www.iso.org/iso/foreword.html.
ISO 9300 was prepared by Technical Committee 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 third edition cancels and replaces the second edition (ISO 9300:2005), which has been technically
revised.
The main changes are as follows:
— the discharge coefficient curve is given by a single equation each for the toroidal- and cylindrical-
throat critical flow nozzles (CFNs) that covers both the laminar and turbulent boundary layer
regimes;
— the discharge coefficient curve of the cylindrical-throat CFN is updated based on the recent
experimental and theoretical data;
— the quadrant CFN and detachable diffuser are introduced;
— the basic equations used to measure the discharge coefficient are listed;
— the premature unchoking phenomenon is explained to give attention to the unpredictable
unchoking at low Reynolds numbers;
— REFPROP is introduced for the calculations of critical flow function and viscosity as well as their
fitted curves are given for some pure gases and air;
© ISO 2022 – All rights reserved v

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ISO 9300:2022(E)
— the diameter correction method is introduced to fit the experimental discharge coefficient data to a
reference curve;
— the detailed method to match the discharge coefficient curve on an experimental data set is
described;
— the background of the specifications is given.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
vi © ISO 2022 – All rights reserved

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INTERNATIONAL STANDARD ISO 9300:2022(E)

Measurement of gas flow by means of critical flow nozzles
1 Scope
This document specifies the geometry and method of use (installation in a system and operating
conditions) of critical flow nozzles (CFNs) used to determine the mass flow rate of a gas flowing through
a system basically without the need to calibrate the CFN. It also gives the information necessary for
calculating the flow rate and its associated uncertainty.
This document is applicable to nozzles in which the gas flow accelerates to the critical velocity at the
minimum flowing section, and only where there is steady flow of single-phase gas. When the critical
velocity is attained in the nozzle, the mass flow rate of the gas flowing through the nozzle is the
maximum possible for the existing inlet condition, while the CFN can only be used within specified
limits, e.g. the CFN throat to inlet diameter ratio and Reynolds number. This document deals with the
toroidal- and cylindrical-throat CFNs for which direct calibration experiments have been made in
sufficient number to enable the resulting coefficients to be used with certain predictable limits of
uncertainty.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
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 Pressure
3.1.1
static pressure
pressure of the flowing gas (see Annex J)
Note 1 to entry: The static pressure is measured through a wall pressure tapping (3.1.3).
3.1.2
stagnation pressure
pressure which would exist in a flowing gas stream if the stream were brought to rest by an isentropic
process
© ISO 2022 – All rights reserved 1

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ISO 9300:2022(E)
3.1.3
wall pressure tapping
hole drilled in the wall of a conduit to measure the static pressure (3.1.1) of the flowing gas in the
conduit
3.2 Temperature
3.2.1
static temperature
temperature of the flowing gas (see Annex J)
Note 1 to entry: The static temperature cannot be measured exactly by a temperature sensor fixed in the conduit .
3.2.2
stagnation temperature
temperature which would exist in a flowing gas stream if the stream were brought to rest by an
isentropic process (see Annex J).
3.2.3
recovery temperature (wall temperature, measured temperature)
temperature of the gas touching the wall (see Annex J)
Note 1 to entry: The temperature sensor fixed on a conduit measures the recovery temperature.
3.3 Nozzle
3.3.1
contraction
portion of the nozzle (3.3.5) upstream of the throat (3.3.2) intended to accelerate the flow and attain the
supposed flow field at the critical point (3.4.4)
3.3.2
throat
portion of the nozzle (3.3.5) where the cross section is minimum
Note 1 to entry: This document deals with nozzles with toroidal- and cylindrical-throats.
3.3.3
diffuser
divergent portion of the nozzle (3.3.5) behind the throat (3.3.2) intended to recover the pressure
3.3.4
traditional diffuser
frustum diffuser (3.3.3) machined as one piece
3.3.5
nozzle
device inserted in a system intended to use for measurement of the flow rate through system, which
consists of contraction (3.3.1) and throat (3.3.2), or contraction (3.3.1), throat (3.3.2), and diffuser
(3.3.3)
3.3.6
critical flow nozzle
CFN
nozzle (3.3.5) that attains the critical flow (3.4.2)
2 © ISO 2022 – All rights reserved

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ISO 9300:2022(E)
3.3.7
normal precision nozzle
NPN
nozzle (3.3.5) machined by a lathe, with the surface polished to achieve the desired roughness
3.3.8
high precision nozzle
HPN
nozzle (3.3.5) machined by a lathe that can achieve mirror finish without polishing the surface, thus it
has the form exactly as designed
3.4 Flow
3.4.1
isentropic flow
theoretical flow along which the thermodynamic process is adiabatic and reversible (see Annex J)
3.4.2
critical flow
flow in a nozzle (3.3.5) that has attained the maximum flow rate of the nozzle (3.3.5) for a given set of
inlet conditions (see Annex J)
3.4.3
choke
attaining the critical flow (3.4.2) in a nozzle (3.3.5) (see Annex J)
3.4.4
critical point
location in the CFN (3.3.6) where the flow attains the critical velocity (3.4.11)
3.4.5
critical pressure

p *
static pressure (3.1.1) at the critical point (3.4.4) (see Annex J)
3.4.6
critical pressure of perfect gas

p *
P
theoretical static pressure (3.1.1) at the critical point (3.4.4) assuming the isentropic flow (3.4.1) of
perfect gas (3.6.1)
3.4.7
critical temperature
T *
static temperature (3.2.1) at the critical point (3.4.4)
3.4.8
critical temperature of perfect gas

T *
P
theoretical static temperature (3.2.1) at the critical point (3.4.4) assuming the isentropic flow (3.4.1) of
perfect gas (3.6.1)
© ISO 2022 – All rights reserved 3

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ISO 9300:2022(E)
3.4.9
critical density

ρ*
density at the critical point (3.4.4)
3.4.10
critical density of perfect gas

ρ *
P
theoretical density at the critical point (3.4.4) assuming the isentropic flow (3.4.1) of perfect gas (3.6.1)
3.4.11
critical velocity

c*
flow velocity at the critical point (3.4.4) (see Annex J)
3.4.12
critical velocity of perfect gas

c*
P
theoretical flow velocity at the critical point (3.4.4) assuming the isentropic flow (3.4.1) of perfect gas
(3.6.1)
3.5 Flow rate
3.5.1
mass flow rate
q
m
mass of the gas passing through the CFN (3.3.6) per unit time
Note 1 to entry: In this document, the term "mass flow rate" without any adjective always refers to the true mass
flow rate through the CFN.
3.5.2
theoretical mass flow rate of perfect gas
q
th,P
theoretical mass flow rate through the CFN (3.3.6) assuming one-dimensional isentropic flow (3.4.1) of
perfect gas (3.6.1)
3.5.3
theoretical mass flow rate of real gas
q
th,R
theoretical mass flow rate through the CFN (3.3.6) assuming one-dimensional isentropic flow (3.4.1) of
real gas (3.6.1)
3.5.4
volume flow rate
q
V
volume of the gas passing through the conduit, in which the CFN (3.3.6) is installed, per unit time at a
designated location (see Annex J)
Note 1 to entry: The volume flow rate at the designated location, where the density is ρ, is given by:
q
m

q =
V
ρ
4 © ISO 2022 – All rights reserved

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ISO 9300:2022(E)
3.5.5
Reynolds number
4q
m
R =
e
πdµ
0
dimensionless parameter calculated from the throat diameter, mass flow rate (3.5.1), and gas dynamic
viscosity at CFN (3.3.6) inlet stagnation condition (see Annex J)
3.5.6
discharge coefficient
q
m
C =
d
q
th,R
ratio of the mass flow rate (3.5.1) to theoretical one of real gas (3.6.1) at the same inlet stagnation
condition
3.5.7
critical pressure ratio
ratio of the critical pressure (3.4.5) of perfect gas (3.6.1) to the inlet stagnation pressure (3.1.2)
3.5.8
back-pressure ratio
ratio of the static pressure (3.1.1) at the diffuser exit to the inlet stagnation pressure (3.1.2)
3.5.9
local Mach number
M
a
ratio of the flow velocity to local acoustic one
3.5.10
Mach number in the upstream conduit
M
aC
ratio of the mean axial flow velocity over the cross-section of upstream conduit to the acoustic velocity
at the same location
Note to entry: It is not necessary for MaC to be accurate and it may be approximated by:
q 1

m
M =
aC
2
πD R
γ T
ρ
0
0
4 M
3.5.11
uncertainty
parameter, associated with the results of a measurement, that characterizes the dispersion of the values
that could reasonably be attributed to the measurand
3.6 Gas
3.6.1
perfect gas
theoretical gas whose isentropic exponent (3.6.6) equals to the specific heat that is constant at any gas
condition and also compressibility factor (3.6.3) is always unity
© ISO 2022 – All rights reserved 5

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ISO 9300:2022(E)
3.6.2
real gas
actual gas whose isentropic exponent (3.6.6) and compressibility factor (3.6.3) depend on its pressure
and temperature
3.6.3
compressibility factor
Z
correction factor for the deviation of the real gas constant from the universal one (see Annex J)
3.6.4
critical flow function
C *
dimensionless function that relates the thermodynamic properties of the gas at the throat of CFN (3.3.6)
to its inlet stagnation condition assuming one-dimensional isentropic flow (3.4.1)
3.6.5
critical flow function for the flow rate equation using density

C **= CZ
D0
alternative critical flow function (3.6.4) to be used in the equation of mass flow rate (3.5.1) that uses
density
3.6.6
isentropic exponent
κ
ratio of the relative variation in pressure to the corresponding relative variation in density under
isentropic process
4 Symbols and abbreviations
Symbol Description Dimension SI unit
a, b, c, d, e, f, n Coefficients for Formula (17) Dimensionless —
2 2
A Flowing area L m
2 2
A* Flowing area at the critical point L m
2 2
A Cross-sectional area of nozzle exit L m
2
Cross-sectional area at the critical point at the operating CFN
2 2
A L m
nt
temperature
−1
-1
c Local acoustic velocity LT m·s
−1
-1
Local acoustic velocity at the critical point LT m·s
c*
−1
-1
Local acoustic velocity at the critical point of perfect gas LT m·s
c*
P
C Parameter for the equation of C* Dimensionless —
c*
C Parameter for the equation of µ Dimensionless —
μ
C Discharge coefficient Dimensionless —
d
target
C Target discharge coefficient obtained when applying the DCM Dimensionless —
d
ISO
C Discharge coefficient calculated by using Formula (17) Dimensionless —
d
Critical flow function Dimensionless —
C *
Critical flow function for the flow rate equation using density Dimensionless —
C *
D
Critical flow function of perfect gas Dimensionless —
C *
P
Critical flow function of dry air Dimensionless —
C *
DA
Critical flow function of humid air Dimensionless —
C *
HA
6 © ISO 2022 – All rights reserved

---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 9300:2022(E)
Symbol Description Dimension SI unit
b b
Coefficient to calculate C*
C
ij,
Covariance Dimensionless —
c
v
D Diameter of the inlet conduit L m
d Throat diameter corrected by the DCM L m
DCM
d Throat diameter at the operating CFN temperature L m
nt
d Measured throat diameter (at temperature T ) L m
nt0 nt0
d Throat diameter used at the calibration for the DCM L m
ORI
d Diameter of the wall pressure tapping breakthrough into the conduit
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 9300
Troisième édition
2022-06
Mesurage de débit de gaz au moyen de
tuyères en régime critique
Measurement of gas flow by means of critical flow nozzles
Numéro de référence
ISO 9300:2022(F)
© ISO 2022

---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 9300:2022(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2022
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
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ISO copyright office
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CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
  © ISO 2022 – Tous droits réservés

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ISO 9300:2022(F)
Sommaire Page
Avant-propos . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
3.1 Pression . 1
3.2 Température . 2
3.3 Tuyère . 2
3.4 Écoulement . 3
3.5 Débit . 4
3.6 Gaz . 6
4 Symboles et abréviations . 6
5 Équations de base . 9
5.1 Comportement du gaz . 9
5.1.1 Procédé isentropique . 9
5.1.2 Équation d’état . 9
5.2 Écoulement isentropique d’un gaz parfait . 10
5.2.1 Section d’écoulement . 10
5.2.2 Pression statique . 10
5.2.3 Température statique . 10
5.3 Variables théoriques au point critique . 10
5.3.1 Généralités . 10
5.3.2 Pression critique . 10
5.3.3 Température critique . 10
5.3.4 Masse volumique critique . 11
5.3.5 Vitesse critique . 11
5.4 Débits-masses théoriques . 11
5.4.1 Généralités . 11
5.4.2 Débit-masse théorique d’un gaz parfait . 11
5.4.3 Débit-masse théorique d’un gaz réel . 11
5.5 Débit-masse . 11
6 Exigences générales . 12
7 Applications pour lesquelles la méthode est adaptée . 12
8 CFN . 13
8.1 Exigences générales relatives aux types CFN normalisées . 13
8.1.1 Généralités . 13
8.1.2 Matériaux. 13
8.1.3 Convergent et col . 14
8.1.4 Divergent . 14
8.2 Exigences relatives à chaque type de CFN normalisées . 15
8.2.1 CFN normalisées . 15
8.2.2 CFN à col toroïdal . 15
8.2.3 CFN à col cylindrique . 16
9 Exigences relatives à l’installation . 18
9.1 Exigences générales relatives aux configurations normalisées . 18
9.1.1 Configurations normalisées . 18
9.1.2 Prise de pression en amont . 18
9.1.3 Prise de pression en aval . 19
© ISO 2022 – Tous droits réservés iii

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ISO 9300:2022(F)
9.1.4 Mesurage de la température . 19
9.1.5 Mesurage de la masse volumique . 20
9.1.6 Orifice de purge . 20
9.1.7 Conditions en aval . 20
9.2 Configuration en tube . 21
9.2.1 Généralités . 21
9.2.2 Tube en amont. 21
9.2.3 Mesurage de la pression . 22
9.2.4 Mesurage de la température . 22
9.3 Configuration en enceinte . 23
9.3.1 Généralités . 23
9.3.2 Enceinte en amont . 23
9.3.3 Mesurage de la pression . 23
9.3.4 Mesurage de la température . 23
9.3.5 Rapport de contre-pression . 23
10 Calculs . 23
10.1 Généralités . 23
10.2 Calcul du débit-masse, q . 24
m
10.3 Calcul du coefficient de décharge, C . 24
d
10.4 Calcul de la fonction critique, C* ou C* . 25
D
10.5 Conversion de la pression mesurée en pression d’arrêt . 25
10.6 Conversion de la température mesurée en température d’arrêt . 25
10.7 Calcul de la viscosité . 26
11 Estimation du rapport de contre-pression critique . 26
5
11.1 Pour un divergent traditionnel avec un nombre de Reynolds supérieur à 2 × 10 . 26
11.2 Pour tout divergent avec un faible nombre de Reynolds . 27
11.3 Pour les CFN sans divergent ou avec un divergent très court . 28
12 Incertitudes de mesure du débit . 28
12.1 Généralités . 28
12.2 Calcul pratique de l’incertitude . 29
12.3 Composantes d’incertitude corrélées . 30
Annexe A (informative) Valeurs du coefficient de décharge . 32
Annexe B (informative) Fonction critique . 34
Annexe C (informative) Valeurs de la fonction critique — Gaz purs et air . 37
Annexe D (informative) Calcul du flux de masse critique pour des tuyères en régime
critique dont le rapport du diamètre au col au diamètre en amont est élevé, β > 0,25 . 59
Annexe E (informative) Méthode de correction du diamètre . 63
Annexe F (informative) Ajustement de la courbe du coefficient de décharge sur un
ensemble de données . 68
Annexe G (informative) Coefficient de décharge . 76
Annexe H (informative) Rapport de contre-pression critique . 82
Annexe I (informative) Valeurs de viscosité — Gaz purs et air . 91
Annexe J (informative) Complément . 107
Bibliographie . 116

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ISO 9300:2022(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 appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet
de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour
responsable de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. 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: www.iso.org/iso/fr/avant-propos.
L’ISO 9300 a été élaborée 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 troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 9300:2005), qui a fait l’objet d’une
révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— la courbe du coefficient de décharge est fournie par une seule équation pour chaque tuyère en
régime critique (CFN) à col cylindrique et à col toroïdal qui couvre à la fois les régimes des couches
limites laminaires et turbulentes;
— la courbe du coefficient de décharge de la CFN à col cylindrique est mise à jour à partir des données
théoriques et expérimentales récentes;
— les notions de CFN à quadrant et de divergent démontable sont introduites;
— une liste des équations de base utilisées pour mesurer le coefficient de décharge est établie;
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ISO 9300:2022(F)
— le phénomène de désamorçage prématuré est expliqué pour attirer l’attention sur le désamorçage
imprévisible à de faibles nombres de Reynolds;
— le REFPROP est introduit pour les calculs de fonction de débit critique et de viscosité, tandis que
leurs courbes ajustées sont fournies pour certains gaz purs et l’air;
— la méthode de correction du diamètre est présentée afin d’adapter les données expérimentales
relatives au coefficient de décharge à une courbe de référence;
— la méthode détaillée visant à faire correspondre la courbe du coefficient de décharge à un ensemble
de données expérimentales est décrite;
— le contexte des spécifications est présenté.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.

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NORME INTERNATIONALE ISO 9300:2022(F)

Mesurage de débit de gaz au moyen de tuyères
en régime critique
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie la géométrie et le mode d’emploi (installation dans un circuit et
conditions opératoires) de tuyères en régime critique (CFN) utilisées pour déterminer le débit-masse
de gaz traversant le circuit sans besoins d'étalonner la CFN. Il donne également les informations
nécessaires au calcul du débit et de l’incertitude associée.
Le présent document s’applique aux tuyères au sein desquelles l’écoulement gazeux est accéléré jusqu’à
atteindre la vitesse critique à la section d’écoulement minimum et uniquement lorsqu’il existe un
écoulement stationnaire monophasique de gaz. Lorsque la vitesse critique est atteinte dans la tuyère,
le débit-masse du gaz traversant la tuyère est le plus grand débit-masse possible pour les conditions
existant à l’entrée, tandis que les CFN peuvent être utilisées uniquement à l’intérieur des limites
spécifiées, par exemple pour le rapport du diamètre au col au diamètre à l’entrée de la CFN et pour le
nombre de Reynolds. Le présent document traite des CFN à col toroïdal et cylindrique pour lesquelles
des étalonnages directs ont été effectués en nombre suffisant, pour permettre de déterminer les
coefficients avec une marge prévisible d’incertitude.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions 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 Pression
3.1.1
pression statique
pression du gaz en écoulement (voir l’Annexe J)
Note 1 à l’article: La pression statique est mesurée par une prise de pression à la paroi (3.1.3).
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ISO 9300:2022(F)
3.1.2
pression d’arrêt d’un gaz
pression qui règnerait dans le gaz si l’écoulement gazeux était amené au repos par un procédé
isentropique
3.1.3
prise de pression à la paroi
orifice percé dans la paroi d’une conduite afin de mesurer la pression statique (3.1.1) du gaz en
écoulement dans la conduite
3.2 Température
3.2.1
température statique d’un gaz
température du gaz en écoulement (voir l’Annexe J)
Note 1 à l’article: La température statique ne peut pas être mesurée exactement à l’aide d’un capteur de
température fixé dans la conduite.
3.2.2
température d’arrêt d’un gaz
température qui règnerait dans le gaz si l’écoulement gazeux était amené au repos par un procédé
isentropique (voir l’Annexe J).
3.2.3
température de récupération (température de paroi, température mesurée)
température du gaz touchant la paroi (voir l’Annexe J)
Note 1 à l’article: Le capteur de température fixé sur une conduite mesure la température de récupération.
3.3 Tuyère
3.3.1
convergent
portion de la tuyère (3.3.5) située en amont du col (3.3.2) destinée à accélérer le débit et à atteindre la
plage d’écoulement définie au point critique (3.4.4)
3.3.2
col
portion de la tuyère (3.3.5) dans laquelle la section circulaire est minimale
Note 1 à l’article: Le présent document traite des tuyères dotées de cols toroïdaux et cylindriques.
3.3.3
divergent
portion divergente de la tuyère (3.3.5) derrière le col (3.3.2) destinée à récupérer la pression
3.3.4
divergent traditionnel
tronc de cône de divergent (3.3.3) usiné en une seule pièce
3.3.5
tuyère
dispositif inséré dans un système destiné à mesurer le débit s’écoulant dans le système, constitué d’un
convergent (3.3.1) et d’un col (3.3.2), ou d’un convergent (3.3.1), d’un col (3.3.2) et d’un divergent (3.3.3)
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ISO 9300:2022(F)
3.3.6
tuyère en régime critique (critical flow nozzle)
CFN
tuyère (3.3.5) capable d’atteindre l’écoulement critique (3.4.2)
3.3.7
tuyère à exactitude normale (normal precision nozzle)
NPN
tuyère (3.3.5) usinée au moyen d’un tour et dont la surface est polie pour obtenir la rugosité désirée
3.3.8
tuyère de haute exactitude (high precision nozzle)
HPN
tuyère (3.3.5) usinée au moyen d’un tour pouvant être dotée d’une finition brillante sans en polir
la surface, sa forme correspond donc exactement à la conception
3.4 Écoulement
3.4.1
écoulement isentropique
écoulement théorique selon lequel le procédé thermodynamique est adiabatique et réversible
(voir l’Annexe J)
3.4.2
écoulement critique
écoulement dans une tuyère (3.3.5) qui a atteint le débit maximum de la tuyère (3.3.5) pour un
ensemble donné de conditions d’entrée (voir l’Annexe J)
3.4.3
régime sonique
atteinte de l’écoulement critique (3.4.2) dans une tuyère (3.3.5) (voir l’Annexe J)
3.4.4
point critique
emplacement dans la CFN (3.3.6) où le débit atteint la vitesse critique (3.4.11)
3.4.5
pression critique

p *
pression statique (3.1.1) au point critique (3.4.4) (voir l’Annexe J)
3.4.6
pression critique d’un gaz parfait

p *
P
pression statique (3.1.1) théorique au point critique (3.4.4) en supposant un écoulement
isentropique (3.4.1) d’un gaz parfait (3.6.1)
3.4.7
température critique
T *
température statique (3.2.1) au point critique (3.4.4)
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ISO 9300:2022(F)
3.4.8
température critique d’un gaz parfait

T *
P
température statique (3.2.1) théorique au point critique (3.4.4) en supposant un écoulement
isentropique (3.4.1) d’un gaz parfait (3.6.1)
3.4.9
masse volumique critique

ρ*
masse volumique au point critique (3.4.4)
3.4.10
masse volumique critique d’un gaz parfait

ρ *
P
masse volumique théorique au point critique (3.4.4) en supposant un écoulement isentropique (3.4.1)
d’un gaz parfait (3.6.1)
3.4.11
vitesse critique
c*
vitesse d’écoulement au point critique (3.4.4) (voir l’Annexe J)
3.4.12
vitesse critique d’un gaz parfait

c*
P
vitesse d’écoulement théorique au point critique (3.4.4) en supposant un écoulement isentropique (3.4.1)
d’un gaz parfait (3.6.1)
3.5 Débit
3.5.1
débit-masse
q
m
masse du gaz passant par la CFN (3.3.6) par unité de temps
Note 1 à l’article: Dans le présent document, le terme «débit-masse» sans adjectif se réfère toujours au
débit-masse réel dans la CFN.
3.5.2
débit-masse théorique d’un gaz parfait
q
th,P
masse théorique de la CFN (3.3.6) en supposant un écoulement isentropique (3.4.1) monodimensionnel
d’un gaz parfait (3.6.1)
3.5.3
débit-masse théorique d’un gaz réel
q
th,R
masse théorique de la CFN (3.3.6) en supposant un écoulement isentropique (3.4.1) monodimensionnel
d’un gaz réel (3.6.1)
3.5.4
débit-volume
q
V
volume de gaz s’écoulant par la conduite dans laquelle la CFN (3.3.6) est installée, par unité de temps à
un emplacement donné (voir l’Annexe J)
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ISO 9300:2022(F)
Note 1 à l’article: Le débit-volume à l’emplacement désigné, où la masse volumique est ρ, est donné par:
q
m

q =
V
ρ
3.5.5
nombre de Reynolds
4q
m
R =

e
πdµ
0
paramètre sans dimension calculé à partir du diamètre du col, du débit-masse (3.5.1) et de la viscosité
dynamique du gaz dans les conditions d’arrêt à l’entrée de la CFN (3.3.6) (voir l’Annexe J)
3.5.6
coefficient de décharge
q
m
C =
d
q
th,R
rapport du débit-masse (3.5.1) au débit-masse théorique d’un gaz réel (3.6.1) dans les mêmes
conditions d’arrêt à l’entrée
3.5.7
rapport de pression critique
rapport de la pression critique (3.4.5) d’un gaz parfait (3.6.1) à la pression d’arrêt (3.1.2) à l’entrée
3.5.8
rapport de contre-pression
rapport de la pression statique (3.1.1) à la sortie du divergent à la pression d’arrêt (3.1.2) à l’entrée
3.5.9
nombre de Mach local
M
a
rapport de la vitesse d’écoulement à la vitesse du son locale
3.5.10
nombre de Mach dans la conduite en amont
M
aC
rapport de la vitesse d’écoulement axiale moyenne sur la section circulaire de la conduite en amont à la
vitesse du son au même emplacement
Note à l’article: Il n’est pas nécessaire que la valeur MaC soit exacte et elle peut être estimée par la formule
suivante:
q
1
m
M =
aC
2
R
πD
γ T
ρ
0
0
M
4
3.5.11
incertitude
paramètre, associé au résultat d’un mesurage, qui caractérise la dispersion des valeurs qui pourraient
raisonnablement être attribuées au mesurande
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ISO 9300:2022(F)
3.6 Gaz
3.6.1
gaz parfait
gaz théorique dont l’exposant isentropique (3.6.6) est égal à la chaleur spécifique, qui est constante dans
toutes les conditions gazeuses et dont le facteur de compressibilité (3.6.3) est toujours égal à l’unité
3.6.2
gaz réel
gaz réel dont l’exposant isentropique (3.6.6) et le facteur de compressibilité (3.6.3) dépendent de sa
pression et de sa température
3.6.3
facteur de compressibilité
Z
facteur de correction de l’écart de la constante du gaz réel par rapport à la constante universelle
(voir l’Annexe J)
3.6.4
fonction critique
C *
fonction sans dimension qui met en relation les propriétés thermodynamiques du gaz au col de
la CFN (3.3.6) et les conditions d’arrêt à l’entrée en supposant un écoulement isentropique (3.4.1)
monodimensionnel
3.6.5
fonction critique pour l’équation de débit utilisant la masse volumique

C **= CZ
D0
fonction critique (3.6.4) alternative à utiliser dans l’équation du débit-masse (3.5.1) qui utilise la masse
volumique
3.6.6
exposant isentropique
κ
rapport de la variation relative de la pression à la variation relative de la masse volumique
correspondante lors d’un procédé isentropique
4 Symboles et abréviations
Symbole Description Dimension Unité SI
a, b, c, d, e, f, n Coefficients de la Formule
...

Questions, Comments and Discussion

Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.