ISO 9300:2022
(Main)Measurement of gas flow by means of critical flow nozzles
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.
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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 2022
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Published in Switzerland
ii
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
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
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 .
...
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
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Publié en Suisse
ii
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
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
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 .
...
Questions, Comments and Discussion
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