ISO 15970:2008
(Main)Natural gas — Measurement of properties — Volumetric properties: density, pressure, temperature and compression factor
Natural gas — Measurement of properties — Volumetric properties: density, pressure, temperature and compression factor
ISO 15970:2008 gives requirements and procedures for the measurement of the properties of natural gas that are used mainly for volume calculation and volume conversion: density at reference and at operating conditions, pressure, temperature and compression factor. Only those methods and instruments are considered that are suitable for field operation under the conditions of natural gas transmission and distribution, installed either in-line or on-line, and that do not involve the determination of the gas composition. ISO 15970:2008 gives examples for currently used instruments that are available commercially and of interest to the natural gas industry. The density at reference conditions (sometimes referred to as normal, standard or even base density) is required for conversion of volume data and can be used for other physical properties. Density at operating conditions is measured for mass-flow measurement and volume conversion using the observed line density and can be used for other physical properties. ISO 15970:2008 covers density transducers based on vibrating elements, normally suitable for measuring ranges of 5 kg/m3 to 250 kg/m3. Pressure measurement deals with differential, gauge and absolute pressure transmitters. It considers both analogue and smart transmitters (i.e. microprocessor based instruments) and, if not specified otherwise, the corresponding paragraphs refer to differential, absolute and gauge pressure transmitters without distinction. Temperature measurements in natural gas are performed within the range of conditions under which transmission and distribution are normally carried out (253 K T The compression factor (also known as the compressibility factor or the real gas factor and given the symbol Z) appears, in particular, in equations governing volumetric metering. Moreover, the conversion of volume at metering conditions to volume at defined reference conditions can properly proceed with an accurate knowledge of Z at both relevant pressure and relevant temperature conditions.
Gaz naturel — Mesurage des caractéristiques — Caractéristiques volumétriques: masse volumique, pression, température et facteur de compression
L'ISO 15970:2008 spécifie les exigences et les modes opératoires relatifs au mesurage des caractéristiques du gaz naturel qui sont principalement utilisées pour le calcul et la conversion des volumes: masse volumique dans les conditions de référence et du réseau, pression, température et facteur de compression. Seuls sont pris en compte les méthodes et les instruments qui conviennent au fonctionnement sur le terrain dans les conditions de transport et de distribution du gaz naturel, installés dans le réseau (à l'intérieur de la conduite ou montés sur celle-ci), et qui n'impliquent pas la détermination de la composition du gaz. L'ISO 15970:2008 donne des exemples d'instruments actuellement utilisés, disponibles dans le commerce et présentant un intérêt pour l'industrie du gaz naturel. La masse volumique dans les conditions de référence (parfois appelée «masse volumique normale», «masse volumique standard» voire «masse volumique de base») est requise pour la conversion des données volumiques et peut être utilisée pour d'autres caractéristiques physiques. La masse volumique dans les conditions de fonctionnement est mesurée en vue du mesurage du débit massique et de la conversion de volume en utilisant la masse volumique aux conditions opératoires observée et elle peut être utilisée pour d'autres caractéristiques physiques. L'ISO 15970:2008 couvre les transducteurs de masse volumique à base d'éléments vibrants, normalement adaptés aux plages de mesure allant de 5 kg/m3 à 250 kg/m3. Le mesurage de pression concerne les transmetteurs de pression différentielle, relative et absolue. Il tient compte des transmetteurs tant analogiques qu'intelligents (c'est-à-dire les instruments utilisant des microprocesseurs) et, sauf spécification contraire, les paragraphes correspondants se rapportent à des transmetteurs de pression différentielle, absolue et relative, sans distinction. Les mesurages de température dans le gaz naturel sont effectués dans la plage de conditions normales de transport et de distribution (253 K T Le facteur de compression (également appelé «facteur de compressibilité» ou «facteur de gaz réel», et auquel le symbole Z est attribué) apparaît notamment dans les équations de comptage du volume. En outre, la conversion d'un volume dans les conditions de mesurage en un volume dans les conditions de référence définies peut être effectuée correctement si l'on connaît précisément Z dans les conditions de température et de pression applicables.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15970
First edition
2008-06-15
Natural gas — Measurement of
properties — Volumetric properties:
density, pressure, temperature and
compression factor
Gaz naturel — Mesurage des caractéristiques — Caractéristiques
volumétriques: masse volumique, pression, température et facteur de
compression
Reference number
©
ISO 2008
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword. v
Introduction . vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 2
3.1 Terms and definitions for density at reference conditions . 2
3.2 Terms and definitions for density at operating conditions. 2
3.3 Terms and definitions for pressure . 3
3.4 Terms and definitions for temperature. 4
3.5 Terms and definitions for compression factor . 4
4 Symbols and units. 4
4.1 Symbols and subscripts for density at reference conditions. 4
4.2 Symbols and subscripts for density at operating conditions. 5
4.3 Symbols and subscripts for compression factor. 5
5 Density at reference conditions . 6
5.1 Principle of measurement. 6
5.2 Performance assessment and acceptance tests. 10
5.3 Sampling and installation guidelines . 11
5.4 Calibration . 11
5.5 Verification . 11
5.6 Maintenance . 12
5.7 Quality control. 12
6 Density at operating conditions . 12
6.1 Principle of measurement. 12
6.2 Performance assessment and acceptance tests. 13
6.3 Sampling and installation guidelines . 16
6.4 Calibration . 20
6.5 Verification . 20
6.6 Maintenance . 21
6.7 Quality control. 21
7 Pressure. 21
7.1 Principle of measurement. 22
7.2 Performance assessment and acceptance tests. 24
7.3 Sampling and installation guidelines . 24
7.4 Calibration . 27
7.5 Verification . 28
7.6 Maintenance . 28
7.7 Quality control. 29
8 Temperature . 29
8.1 Principle of measurement. 29
8.2 Performance assessment and acceptance tests. 30
8.3 Installation guidelines . 31
8.4 Calibration . 33
8.5 Verification . 34
8.6 Maintenance . 34
8.7 Quality control. 34
9 Compression factor. 34
9.1 Principle of measurement . 34
9.2 Working principle. 35
9.3 Performance assessment and acceptance tests. 38
9.4 Sampling and installation guidelines. 38
9.5 Calibration. 39
9.6 Verification. 40
9.7 Maintenance. 40
9.8 Quality control. 40
Annex A (informative) Guidance for instrument selection, instrument test
and operational procedures. 41
Annex B (informative) Instrument documentation. 45
Bibliography . 47
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Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 15970 was prepared by Technical Committee ISO/TC 193, Natural gas.
Introduction
The transmission of natural gas can involve passage across national boundaries; at border stations and
elsewhere, knowledge of the physicochemical properties of the fluid is of great operational and economic
importance. The energy flow and properties of the gas are required at several stages of the overall production
and custody transfer process: production, blending, transmission, metering, distribution and supply.
International standardization of the performance specifications for various types of measuring instruments can
facilitate comparison of, and increase confidence in, measurement results for contracting partners. In many
cases, it is possible to calculate the properties of natural gas with sufficient accuracy, given the composition.
However, it is often also possible to measure the property using techniques that do not require a
compositional analysis for their implementation.
This International Standard considers only those methods for determining physical properties of natural gas
that do not rely upon a detailed component analysis of the gas. Such measurements consider the “whole”
sample of the gas.
This International Standard defines performance characteristics necessary to specify instrumentation for
measurement of some natural gas properties. It provides guidelines for the installation, traceable calibration,
performance, operation, maintenance and acceptance testing of these measurement instruments.
The principle of measurement of various properties included in this International Standard is typical for a
number of applications.
It is required that the calibration of the instruments dealt with in this International Standard be traceable to
national standards or International Standards.
It is required that the measuring instruments, including their installation and the devices used for field
calibration, verification and maintenance comply with local legal regulations on application in hazardous areas.
Annex A presents general guidelines for instrument selection, instrument test and operational procedures of
the instruments considered in this International Standard.
Annex B lists the data of particular importance for the instrument documentation.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 15970:2008(E)
Natural gas — Measurement of properties — Volumetric
properties: density, pressure, temperature and compression
factor
1 Scope
This international Standard gives requirements and procedures for the measurement of the properties of
natural gas that are used mainly for volume calculation and volume conversion: density at reference and at
operating conditions, pressure, temperature and compression factor.
Only those methods and instruments are considered that are suitable for field operation under the conditions
of natural gas transmission and distribution, installed either in-line or on-line, and that do not involve the
determination of the gas composition.
This International Standard gives examples for currently used instruments that are available commercially and
of interest to the natural gas industry.
NOTE Attention is drawn to requirements for approval of national authorization agencies and to national legal
regulations for the use of these devices for commercial or official trade purposes.
The density at reference conditions (sometimes referred to as normal, standard or even base density) is
required for conversion of volume data and can be used for other physical properties.
Density at operating conditions is measured for mass-flow measurement and volume conversion using the
observed line density and can be used for other physical properties. This International Standard covers
density transducers based on vibrating elements, normally suitable for measuring ranges of 5 kg/m to
250 kg/m .
Pressure measurement deals with differential, gauge and absolute pressure transmitters. It considers both
analogue and smart transmitters (i.e. microprocessor based instruments) and, if not specified otherwise, the
corresponding paragraphs refer to differential, absolute and gauge pressure transmitters without distinction.
Temperature measurements in natural gas are performed within the range of conditions under which
transmission and distribution are normally carried out (253 K < T < 338 K). In this field of application,
resistance thermometer detectors (RTD) are generally used.
The compression factor (also known as the compressibility factor or the real gas factor and given the
symbol Z) appears, in particular, in equations governing volumetric metering. Moreover, the conversion of
volume at metering conditions to volume at defined reference conditions can properly proceed with an
accurate knowledge of Z at both relevant pressure and relevant temperature conditions.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 2186, Fluid flow in closed conduits — Connections for pressure signal transmissions between primary
and secondary elements
ISO 5167-1, Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-
section conduits running full — Part 1: General principals and requirements
ISO 6976, Natural gas — Calculation of calorific values, density, relative density and Wobbe index from
composition
ISO 10715, Natural gas — Sampling guidelines
ISO 12213-1, Natural gas — Calculation of compression factor — Part 1: Introduction and guidelines
IEC 60079-0, Explosive atmospheres — Part 0: Equipment — General requirements
IEC 60079-1, Explosive atmospheres — Part 1: Equipment protection by flameproof enclosures “d”
IEC 60079-11, Explosive atmospheres — Part 11: Equipment protection by intrinsic safety “i”'
IEC 60079-14, Explosive atmospheres — Part 14: Electrical installations design, selection and erection
IEC/TR 60079-15, Electrical apparatus for explosive gas atmospheres — Part 15: Construction, test and
marking of type of protection 'n' electrical apparatus
IEC 60381-1, Analogue signals for process control systems — Part 1: Direct current signals
IEC 60381-2, Analogue signals for process control systems — Part 2: Direct voltage signals
IEC 60751, Industrial platinum resistance thermometer sensors
IEC 60770-1, Transmitters for use in industrial-process control systems — Part 1: Methods for performance
evaluation
3 Terms and definitions
For the purpose of this document, the following terms and definitions apply.
3.1 Terms and definitions for density at reference conditions
3.1.1
density at reference conditions
mass of a gas divided by its volume at specified reference conditions of pressure and temperature
3.1.2
relative density at reference conditions
ratio of the mass of a gas, contained within an arbitrary volume, to the mass of dry air of standard composition
in accordance with ISO 6976, which would be contained in the same volume at the same references
conditions
3.2 Terms and definitions for density at operating conditions
3.2.1
density
mass of a gas divided by its volume at operating conditions of pressure and temperature (operating and
reference conditions)
2 © ISO 2008 – All rights reserved
3.2.2
vibrating element density transducer
device that contains a vibrating element that is maintained at its natural frequency, made such that the
element contains or is surrounded by gas, the gas and the element forming a system where the density of the
gas is the main property of the gas determining the natural frequency of the element
NOTE The natural frequency to the first approximation is determined by the gas density.
3.2.3
main density transducer constants
constants that, to a first approximation, define the relationship between the natural frequency of the vibrating
element and the density of the gas
3.2.4
raw density
density as determined by a vibrating-element density transducer from its vibrating frequency by use of the
main density transducer constants before any corrections for temperature, pressure and composition are
applied
3.2.5
correction density transducer constants
constants applicable to a density transducer to correct for the deviation between the calibration condition
under which the main constants were determined and the operating conditions
3.2.6
temperature-corrected density
raw density corrected for difference in temperature to which the vibrating element is exposed in operation and
the temperature at which the density transducer was calibrated
3.2.7
compositional-corrected density
temperature-corrected density, corrected for difference in gas properties between gas to which the vibrating
element is exposed in operation and the gas properties of the gas used for calibration
NOTE Normally, the gas property relevant for this purpose is velocity of sound, hence this term is often referred to as
velocity-of-sound-corrected density.
3.2.8
line density
compositional-corrected density, corrected for difference in operating conditions, e.g. pressure and
temperature, to which the vibrating element is exposed and the operating conditions in the line where the
density is measured
3.3 Terms and definitions for pressure
3.3.1
pressure transmitter
device that responds to a measured pressure to produce a standard output signal for transmission, which has
a prescribed continuous relationship to the value of the measured pressure
3.3.2
lower range value
LRV
lowest value of the pressure that a transmitter is adjusted to measure
3.3.3
upper range value
URV
highest value of the pressure that a transmitter is adjusted to measure
3.3.4
span
algebraic difference between the upper and lower range values
3.3.5
static pressure
pressure that would be measured by a pinpoint observer travelling with a particle of the fluid
3.3.6
absolute static pressure
static pressure of a fluid measured with reference to an absolute vacuum
3.3.7
gauge pressure
difference between the absolute static pressure of a fluid and the atmospheric pressure at the place and time
of the measurement
3.4 Terms and definitions for temperature
3.4.1
temperature transmitter
device that responds to a measured temperature to produce a standard output signal for transmission, which
has a prescribed continuous relationship to the value of the measured temperature
3.5 Terms and definitions for compression factor
3.5.1
least squares method
method used to compute the coefficients of the equation when a particular form of equation is chosen for
fitting a curve data
NOTE The principle of least squares is the minimization of the sum of squares of deviations of the data from the
curve.
4 Symbols and units
4.1 Symbols and subscripts for density at reference conditions
Symbol Quantity Unit
k Ratio of Z(p, T) and Z
—
Z n
p Absolute pressure Pa
Density
ρ kg/m
T Thermodynamic temperature K
Z Compression factor —
Subscripts
A Standard air
m Measured gas/measuring chamber
n Reference conditions
r Reference chamber
4 © ISO 2008 – All rights reserved
4.2 Symbols and subscripts for density at operating conditions
Symbol Quantity Unit
C Velocity of sound m/s
C Velocity of sound in calibration gas m/s
c
C Velocity of sound in gas in density transducer m/s
g
−1
F
Frequency
s
a
b
Density transducer constants
K K K
1 2 N
ρ Raw density
kg/m
r
Temperature corrected density
ρ kg/m
t
ρ Compositional corrected density
kg/m
c
Line density
ρ kg/m
L
T Calibration temperature K
c
t
Calibration temperature °C
c
T
Temperature in density transducer K
d
T
Temperature in pipe K
L
t Temperature in density transducer
°C
d
t Temperature in pipe
°C
L
p Pressure in density transducer Pa
d
p Pressure in pipe Pa
L
a
The number of constants (n) can vary for the different types of density transducers. The manufacturers are allowed to use a
numbering system for constants different from the one used throughout this International Standard.
b 3
The unit of the various constants shall be such that all terms in Equations (4) and (5) come out with unit kg/m .
Subscripts
L Pipe or line
d Density transducer
4.3 Symbols and subscripts for compression factor
Symbol Quantity Unit
V Volume of the small vessel in the Z-meter m
V Volume of the large vessel in the Z-meter m
V Sum of volumes V and V m
3 1 2
p Line pressure Pa
p Pressure before expansion Pa
p Pressure after expansion Pa
Z Compression factor at conditions p and T —
1 1
Z Compression factor at conditions p and T —
2 2
Z Compression factor at conditions p and T —
3 3
k Ratio of volumes V and V —
V 2 1
Coefficients of the polynomial of the compression
a
B (T),B (T)
1 2
factor as a function of the pressure
T Temperature of the Z-meter K
t Temperature of the Z-meter °C
Z Compression factor —
k Ratio of Z(p,T) and Z —
Z n
Coefficients in the function for the transfer in
a, b —
temperature
Coefficients in the function for the transfer in
b
e, f, g
pressure
a
The units of B(T ) and C(T ) shall be such that all resulting terms in Equations (9) and (10) are dimensionless.
b
The units of e, f and g shall be such that all resulting terms in Equation (12) are dimensionless.
Subscripts
i initial conditions
f final conditions
n reference conditions
5 Density at reference conditions
5.1 Principle of measurement
5.1.1 General
Two basic principles are used for measuring the density at reference conditions:
a) direct measurement, for example determining the buoyancy force of a defined volume of gas with a
balance system;
b) indirect measurement, for example determining the natural frequency of a vibrating element, which is
influenced by the density of the medium in which the element vibrates.
5.1.2 Balance system
The apparatus measures the buoyancy force of a closed, gas-filled glass bulb in an atmosphere of gas whose
density at reference conditions is being determined (see Figure 1).
The glass bulb is fitted to a balance beam with an open glass bulb as a counterweight. This weighing system
is mounted in a chamber through which the gas being tested is passed. Either the displacement of the
balance beam or the force that is necessary to compensate the displacement can be taken as a measure for
the density.
A correcting system compensates for the temperature and pressure fluctuations of the measuring chamber.
5.1.3 Vibrating element system
Two different systems are commonly used. Each consists of two chambers. One chamber is filled with a
reference gas that is similar to the gas being measured and sealed from the atmosphere. The gas being
tested is continuously passed through the other chamber. A pressure equalizer ensures that the pressure in
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the measuring chamber is equal to the pressure in the reference chamber. The housings of the systems are
designed in such a way that both gas chambers have the same temperature (see Figures 2 and 3).
Key
1 instrument housing
2 gas outlet
3 closed glass bulb
4 open glass bulb
5 gas inlet
6 pressure sensor
7 temperature sensor
8 magnet
9 compensation coil
10 photo sensor
11 PID regulator
12 display
Figure 1 — Gas density balance system
Key
1 measuring chamber
2 reference chamber
3 vibrating element
4 diaphragm
5 pressure control valve
6 gas inlet
7 gas outlet
Figure 2 — Gas densitometer with one vibrating element
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Key
1 gas inlet
2 vibrating element
3 measuring chamber
4 reference chamber
5 pressure equalizer
6 gas outlet
Figure 3 — Gas densitometer with two vibrating elements
Generally, the density, ρ, is as given by Equation (1):
T
p 1
n
ρρ = (1)
n
p Tk
nZ
where
p is the pressure;
T is the thermodynamic temperature;
k is the ratio (Z/Z ) of the compression factors;
Z n
n is the subscript indicating that the values are at reference conditions.
With equal pressure and temperature in the reference chamber (subscript r) and measuring chamber
(subscript m), the ratio of the respective densities is given by Equation (2):
ρ
ρ
k
nm,
mr
= (2)
ρρ k
rn,r m
Assuming that k /k is a constant, which is a good approximation for low pressures and means that the gases
r m
are similar, the quotient of the densities of the gas to be measured and of the reference gas is directly
proportional to the density at reference conditions, as given in Equation (3):
ρρ
km
mm
ρ
ρ == k ⋅ (3)
nr,
nm,
ρρ
k
r
rr
where k is a constant.
The difference between the two systems is that one uses two vibrating elements to measure the density, one
in the reference chamber and one in the measuring chamber, whereas the other system has one vibrating
element system inside the measuring chamber and uses the fact that the design of the system ensures that
the density of the sealed reference gas is constant. The function of a vibrating element system is discussed in
6.1.
5.2 Performance assessment and acceptance tests
5.2.1 Requirements
The necessary requirements depend on the purpose of the measurement. The requirements affect several
characteristics of the instrument such as
a) accuracy, sensitivity,
b) safety,
c) reliability, long-term reproducibility,
d) insensitiveness to disturbances,
e) installation and calibration features,
f) response time,
g) robustness,
h) handling and maintenance features,
i) data handling, connections,
j) costs.
5.2.2 Performance tests
The manufacturer shall perform extensive laboratory tests on a selected number of instruments to verify the
performance of the instrument type and to ensure that its own and the purchasers' requirements are met.
Guidance and recommendations are given in IEC 60770-2.
The tests shall be carried out by connecting the instrument to reference gases with appropriate densities at
reference conditions and varying the parameter of interest to establish the influence on the instrument being
tested. The parameter can be, for example
a) the temperature of the sample gas,
b) the operating pressure,
c) the ambient temperature and pressure,
d) the flow rate through the instrument and back-pressure effects,
e) the humidity of the sample gas,
f) the supply voltage,
g) the mounting position,
h) the magnetic and electric fields,
i) contaminents within the gas sample.
10 © ISO 2008 – All rights reserved
To check for effects due to gas composition, tests should be carried out using reference gases with different
compositions but similar densities at reference conditions. Tests for checking repeatability and long-term drift
shall be performed under field conditions also.
The results of all tests shall be properly reported and made available to the user of the instrument.
Prior to delivery, the manufacturer shall carry out a metrologically traceable factory acceptance test to ensure
proper operation for each instrument yielding individual test certificates. An example of a scheme for the
factory acceptance testing is given in Annex A. During this test, the vibrating element systems may be
calibrated whereas the balance systems shall be calibrated and carefully tested additionally on site.
NOTE As most of the tests recommended in 5.2 for density at reference conditions are also valid for density at
operating conditions, refer to 6.2 for a more extensive description.
5.3 Sampling and installation guidelines
The installation guidelines of the manufacturer shall be observed. Since the instruments are sensitive to
fluctuations in temperature, special care shall be taken to meet the temperature-fluctuation requirements for
operation, calibration and verification.
In order to minimize the reaction time of the measurement, pressure reduction shall be close to the sampling
point and the whole piping shall be as short as possible. Another instrument (for example a calorimeter) may
be connected to the same sampling line but each instrument shall have a separate vent.
Depending on the sample gas condition, additional filters shall be installed to protect the instrument from
contamination. Precautions shall be taken to prevent a change in the gas composition due to a temperature
drop caused by a reduction in pressure.
The sample flow rate shall be controlled.
It shall be possible to test and calibrate the system by connecting reference gases to it. It shall be ensured, for
example by the use of a double block and bleed valve design, that valve leaks do not lead to a mixing of the
gases.
5.4 Calibration
The technical manuals and manufacturers' instructions for calibration and recalibration and the requirements
of the authorities stipulated in the approvals of the instruments shall be observed.
The systems shall be calibrated by connecting them to reference gases. These gases shall be either one-
component gases of high purity (> 99,95 %) or reference gas mixtures.
One of the gases shall have a density at reference conditions which is in the range of that of the operating gas
and, for vibrating elements, the same applies for Z /Z and the velocity of sound.
n
Balance systems, which are very sensitive to environmental influences, shall be carefully tested and calibrated
on site. Vibrating element systems, which are relatively robust, may be calibrated in a laboratory or on site.
However, as the calibration curve constants for vibrating elements depend on the gas in the reference
chamber, for those reference chambers that are refilled on site, a recalibration on site is required.
A minimum calibration interval is one year, but shall not exceed five years. The user shall consider the
instrument's accuracy during operations and its financial impact on the results.
5.5 Verification
Verification of the correct operation and accuracy shall be performed at regular intervals by connecting the
system to a reference gas that has operating properties similar to those of the operating gas. In particular, for
all instruments, the reference gas shall have a density at reference conditions that is similar and in addition,
for vibrating elements, the same applies for Z /Z and the velocity of sound properties should be similar.
n
This procedure may be performed automatically.
The acceptable limits of the deviation shall be established on the basis of, for example, the manufacturer’s
recommendations using control charts or parties’ agreements.
If the deviations are within these limits, a correction may be applied to the measured values without
recalibrating the system; if the deviations are outside the limits, the system shall be recalibrated.
5.6 Maintenance
Filters shall be checked and replaced at regular intervals. The condition of the operating gas governs the
length of time between the checks.
5.7 Quality control
If there are two density-measuring systems at one station, the results should be compared continuously and
an alarm should be given if the deviation exceeds predetermined limits.
Alternatively, the proper functioning of the measurement system may be ensured by comparing, at regular
intervals, the measured density with that calculated from a component analysis of a gas sample taken from
the line, either on-line or off-line.
6 Density at operating conditions
6.1 Principle of measurement
6.1.1 Vibrating element
This principle utilizes the fact that an element in a fluid is excited to vibrate at its natural frequency which
depends on the density of the fluid. Hence, by measuring the natural frequency, the density can be
determined.
The basic correlation between density, ρ , and the natural frequency, f, is represented by the second order
r
equation as given in Equation (4):
⎛⎞11⎛ ⎞
ρ=+KK +K (4)
⎜⎟ ⎜ ⎟
r0 1 2
f f
⎝⎠ ⎝ ⎠
6.1.2 Temperature and pressure correction
The relationship between the density and the frequency is, in principle, also affected by temperature and
pressure. This requires the introduction of pressure and temperature correction terms.
The main reason for the temperature and pressure correction is that the material properties, such as elasticity,
of the vibrating element are affected by temperature and pressure. Normally, the pressure effect is negligible.
The temperature effects can influence both the zero and the span. The correction can normally be expressed
as a first-order correction term as given in Equation (5):
⎡⎤
ρρ=+1 K()TT− +K (T−T ) (5)
tr 3 d c 4 d c
⎣⎦
6.1.3 Velocity of sound (VOS) correction
The densitometer constants K , K and K in Equation (4) also depend on the type of gas with which the
0 1 2
vibrating element is in contact.
12 © ISO 2008 – All rights reserved
The gas quality parameter that best describes this dependence is the velocity of sound in the gas at operating
conditions.
K , K and K in Equation (4) are determined by calibration using a particular gas. If the velocity of sound in
0 1 2
the gas for which the density is being determined is different from the velocity of sound in the calibration gas,
the density resulting from the simple relation in Equation (4) shall be corrected.
Equation (6) describes the correction:
⎡⎤
⎛⎞
f
⎢⎥
1+ K
⎜⎟
⎢⎥
c
⎝⎠c
⎢⎥
ρρ= (6)
ct
⎢⎥
⎛⎞
f
⎢⎥
1+⎜K ⎟
⎢⎥⎜⎟
c
g
⎝⎠
⎣⎦
where c is the velocity of sound in the calibration gas at the same conditions of pressure and temperature at
c
which the density, ρ , is referred or at which the vibrating element is vibrating with the corresponding
r
frequency.
For a given temperature and pressure, c depends on the natural gas composition. Typically, a change in the
g
composition of the pipeline gas, resulting in a change in c of 10 m/s, can result in a change in the correction
g
term in Equation (6) of 0,05 %.
c can either be directly measured (e.g. special devices or signals from ultrasonic flowmeters) or be calculated.
g
c can be calculated as a function of ρ or p , T and gas properties. Because ρ depends on c and c
g c d d c g g
depends on ρ , an iteration procedure is, in this case, required. For the calculation method, refer to the
c
manufacturer's manual.
However, the effect on the VOS correction factor of using ρ instead of ρ can be insignificant and use of ρ in
t c t
this term is acceptable to simplify the calculations.
Another alternative in order to avoid iteration is to use ρ from the preceding calculation sequence; this
c
procedure is valid only when there is no change in the gas and its process conditions.
The VOS correction factor can be simplified and even omitted depending on the accuracy required by the
application and the difference between c and c .
g c
6.2 Performance assessment and acceptance tests
6.2.1 Requirements and performance assessments for instrument selection
6.2.1.1 General
The necessary requirements and assessment tests depend on the purpose of the measurement and the
conditions under which the instrument operates.
To allow the user to evaluate the performance of a type of transducer, the following special tests shall be
performed by the manufacturer or in co-operation with the user on a selected number of instruments to verify
the performance. Based upon those assessment tests, it shall be concluded which tests shall be performed on
the individual transducers and which test results can be regarded as common for the specific type of
transducers. The results from all tests shall be properly documented.
6.2.1.2 Sensitivity test
Apply a gas with known densities, including zero (vacuum), at a minimum of ten points spaced equidistant
throughout the required operating range of the densitometer at constant temperature. The required densities
are obtained by varying the pressure. The gas composition shall be constant during the tests.
The results of this test are used to establish the main constants. To develop the main constant, do not include
the result at zero (vacuum).
Through this test, the measuring range for the density transducers is determined within which the second-
order regression curve is valid.
6.2.1.3 Hysteresis test
Perform the sensitivity test with steadily increasing and decreasing pressure over the operating pressure
range.
The result of this test is the transducer's ability to repeat results at varying pressure.
6.2.1.4 Repeatability test
Repeat the hysteresis test consecutively a sufficient number of times to obtain a 95 % confidence level.
The result of this test shows the transducer's ability to repeat after several pressurizations and
depressurizations.
6.2.1.5 Continuity test
Steadily and slowly increase or decrease the pressure in the densitometer and continuously log the frequency
output.
The result of this test shows the absence of discontinuities in the frequency output of the transmitter.
6.2.1.6 Test for temperature sensitivity
Perform the hysteresis test at a temperature well below and well above the normal calibration temperature.
The results of this test are used to determine the temperature correction constants.
6.2.1.7 Test of sensitivity to velocity of sound
Perform sensitivity tests at normal calibration temperature with three different types of gases with differences
in velocity of sound among the three gases of more than 30 m/s.
The results of this test are used to determine the velocity-of-sound correction constants. Provided these
correction constants do not differ significantly from one transducer to another, these constants may be
regarded as fixed for all transducers of identical design. “Significantly” means that the maximum deviation of
the transducer tested on the VOS correction factor is less than 1/10 of the specified accuracy of the density
transducer.
6.2.1.8 Test of flow rate sensitivity
Perform a number of sensitivity tests with different flow rates in both directions if applicable through the
measuring chamber.
The results of this test are recommended limitations of flow rate through the density transducer and the effect
of flow rate on the reading from the transducer.
14 © ISO 2008 – All rights reserved
6.2.1.9 Durability test
Repeat the repeatability test weekly for more than four weeks. Between the repeatability tests, the
densitometer shall be exposed to a temperature both below the minimum operating temperature in the actual
application (minimum 20 °C below normal calibration temperature) and above the maximum operating
temperature (minimum 20 °C above normal calibration temperature), each for more than 24 h.
The results of this test are used to determine recommended storing conditions and the temporary and
permanent effect on the transducer from exposure to extreme conditions, such as a low temperature in a
blow-out situation.
6.2.2 Factory, purchasing and site acceptance tests
6.2.2.1 Factory acceptance test
Before delivery to the purchaser, the manufacturer shall, as a minimum, conduct the sensitivity test described
in 6.2.1.2 on the individual transducer as part of the factory acceptance test.
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 15970
Première édition
2008-06-15
Gaz naturel — Mesurage des
caractéristiques — Caractéristiques
volumétriques: masse volumique,
pression, température et facteur de
compression
Natural gas — Measurement of properties — Volumetric properties:
density, pressure, temperature and compression factor
Numéro de référence
©
ISO 2008
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quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur l’internet ou sur un
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membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Version française parue en 2013
Publié en Suisse
ii © ISO 2008 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos . v
Introduction . vi
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 2
3 Termes et définitions . 2
3.1 Termes et définitions pour la masse volumique aux conditions de référence . 2
3.2 Termes et définitions pour la masse volumique aux conditions de fonctionnement . 3
3.3 Termes et définitions pour la pression . 4
3.4 Termes et définitions pour la température . 4
3.5 Termes et définitions pour le facteur de compression . 4
4 Symboles et unités . 5
4.1 Symboles et indices pour la masse volumique aux conditions de référence . 5
4.2 Symboles et indices pour la masse volumique aux conditions de fonctionnement . 5
4.3 Symboles et indices pour le facteur de compression . 6
5 Masse volumique dans les conditions de référence. 6
5.1 Principe de mesure . 6
5.2 Essais d'évaluation de la performance et essais de réception. 10
5.3 Lignes directrices pour l'échantillonnage et l'installation . 11
5.4 Étalonnage . 11
5.5 Vérification . 12
5.6 Maintenance . 12
5.7 Contrôle qualité. 12
6 Masse volumique dans les conditions de fonctionnement . 12
6.1 Principe de mesure . 12
6.2 Essais d'évaluation de la performance et essais de réception. 14
6.3 Lignes directrices pour l'échantillonnage et l'installation . 16
6.4 Étalonnage . 21
6.5 Vérification . 21
6.6 Maintenance . 22
6.7 Contrôle qualité. 22
7 Pression . 23
7.1 Principe de mesure . 23
7.2 Essais d'évaluation de la performance et essais de réception. 25
7.3 Lignes directrices pour l'installation . 25
7.4 Étalonnage . 29
7.5 Vérification . 30
7.6 Maintenance . 30
7.7 Contrôle qualité. 30
8 Température . 30
8.1 Principe de mesure . 30
8.2 Essais d'évaluation de la performance et essais de réception. 31
8.3 Lignes directrices pour l'installation . 32
8.4 Étalonnage . 35
8.5 Vérification . 35
8.6 Maintenance . 36
8.7 Contrôle qualité. 36
9 Facteur de compression . 36
9.1 Principe de mesure . 36
9.2 Principe de fonctionnement . 36
iii
9.3 Essais d'évaluation de la performance et essais de réception . 39
9.4 Lignes directrices pour l'échantillonnage et l'installation . 40
9.5 Étalonnage . 40
9.6 Vérification . 41
9.7 Maintenance . 41
9.8 Contrôle qualité . 42
Annexe A (informative) Lignes directrices pour la sélection de l'instrument, les essais de
l'instrument et les modes opératoires . 43
Annexe B (informative) Documentation de l'instrument . 46
Bibliographie . 48
iv
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 15970 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 193, Gaz naturel.
v
Introduction
Le transport de gaz naturel peut impliquer le passage de frontières nationales; au niveau des stations de
comptage frontalières et ailleurs, la connaissance des caractéristiques physico-chimiques du fluide est d'une
grande importance opérationnelle et économique. Le débit énergétique et les caractéristiques du gaz sont
requis à plusieurs étapes du processus global de production et de comptage: production, mélange, transport,
comptage, distribution et approvisionnement.
La normalisation internationale des spécifications de performance pour différents types d'instruments de
mesure peut faciliter la comparaison des résultats de mesurage pour les partenaires contractants et accroître
la confiance en ces résultats. Dans de nombreux cas, il est possible de calculer les caractéristiques du gaz
naturel, avec une précision suffisante, à partir de la composition. Cependant, il est souvent possible d'en
mesurer les propriétés en utilisant des techniques dont la mise en œuvre ne nécessite pas une analyse de la
composition.
La présente Norme internationale ne considère que les méthodes pour la détermination des caractéristiques
physiques du gaz naturel, qui ne s'appuient pas sur une analyse détaillée des composants du gaz. Ces
mesurages prennent en compte l'échantillon « entier » du gaz.
La présente Norme internationale définit les caractéristiques de performance qui sont nécessaires pour
spécifier l'appareillage destiné à mesurer un certain nombre de caractéristiques du gaz naturel. Elle fournit
des lignes directrices pour l'installation, l'étalonnage traçable, la performance, le fonctionnement, la
maintenance et les essais de réception de ces instruments de mesure.
Le principe de mesure des diverses caractéristiques incluses dans la présente Norme internationale est
illustré par des exemples d'applications.
L'étalonnage des instruments traités dans la présente Norme internationale doit être raccordable à des
étalons nationaux ou internationaux.
Les instruments de mesure, y compris leur installation et les dispositifs utilisés pour l'étalonnage sur le terrain,
la vérification et la maintenance, doivent être conformes aux réglementations locales relatives à l’utilisation en
zones dangereuses.
L'Annexe A donne des lignes directrices générales pour la sélection des instruments, les essais d'instrument
et les modes opératoires des instruments examinés dans la présente Norme internationale.
L'Annexe B fournit une liste des données particulièrement importantes pour la documentation des instruments.
vi
NORME INTERNATIONALE ISO 15970:2008(F)
Gaz naturel — Mesurage des caractéristiques —
Caractéristiques volumétriques : masse volumique, pression,
température et facteur de compression
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie les exigences et les modes opératoires relatifs au mesurage des
caractéristiques du gaz naturel qui sont principalement utilisées pour le calcul et la conversion des volumes:
masse volumique dans les conditions de référence et du réseau, pression, température et facteur de
compression.
Seuls sont pris en compte les méthodes et les instruments qui conviennent au fonctionnement sur le terrain
dans les conditions de transport et de distribution du gaz naturel, installés dans le réseau (à l'intérieur de la
conduite ou montés sur celle-ci), et qui n'impliquent pas la détermination de la composition du gaz.
La présente Norme internationale donne des exemples d'instruments actuellement utilisés, disponibles dans
le commerce et présentant un intérêt pour l'industrie du gaz naturel.
NOTE Une attention particulière est requise pour les exigences relatives à l'agrément des agences d'autorisation
nationales et les réglementations nationales concernant l'utilisation de ces dispositifs à des fins de transaction
commerciale ou officielle.
La masse volumique dans les conditions de référence (parfois appelée « masse volumique normale »,
« masse volumique standard » voire « masse volumique de base ») est requise pour la conversion des
données volumiques et peut être utilisée pour d'autres caractéristiques physiques.
La masse volumique dans les conditions de fonctionnement est mesurée en vue du mesurage du débit
massique et de la conversion de volume en utilisant la masse volumique aux conditions opératoires observée
et elle peut être utilisée pour d'autres caractéristiques physiques. La présente Norme internationale couvre les
transducteurs de masse volumique à base d'éléments vibrants, normalement adaptés aux plages de mesure
3 3
allant de 5 kg/m à 250 kg/m .
Le mesurage de pression concerne les transmetteurs de pression différentielle, relative et absolue. Il tient
compte des transmetteurs tant analogiques qu'intelligents (c'est-à-dire les instruments utilisant des
microprocesseurs) et, sauf spécification contraire, les paragraphes correspondants se rapportent à des
transmetteurs de pression différentielle, absolue et relative, sans distinction.
Les mesurages de température dans le gaz naturel sont effectués dans la plage de conditions normales de
transport et de distribution (253 K T 338 K). Dans ce champ d'application, des détecteurs de température
à résistance (RTD) sont généralement utilisés.
Le facteur de compression (également appelé « facteur de compressibilité » ou « facteur de gaz réel », et
auquel le symbole Z est attribué) apparaît notamment dans les équations de comptage du volume. En outre,
la conversion d'un volume dans les conditions de mesurage en un volume dans les conditions de référence
définies peut être effectuée correctement si l'on connaît précisément Z dans les conditions de température et
de pression applicables.
2 Références normatives
Les documents ci-après, dans leur intégralité ou non, sont des références normatives indispensables à
l’application du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 2186, Débit des fluides dans les conduites fermées — Liaisons pour la transmission du signal de
pression entre les éléments primaires et secondaires.
ISO 5167-1, Mesure de débit des fluides au moyen d'appareils déprimogènes insérés dans des conduites en
charge de section circulaire — Partie 1: Principes généraux et exigences générales.
ISO 6976, Gaz naturel — Calcul du pouvoir calorifique, de la masse volumique, de la densité relative et de
l'indice de Wobbe à partir de la composition.
ISO 10715, Gaz naturel — Lignes directrices pour l'échantillonnage.
ISO 12213-1, Gaz naturel — Calcul du facteur de compression — Partie 1: Introduction et lignes directrices.
CEI 60079-0, Atmosphères explosives — Partie 0: Matériel — Exigences générales.
CEI 60079-1, Atmosphères explosives — Partie 1: Protection du matériel par enveloppes antidéflagrantes « d ».
CEI 60079-11, Atmosphères explosives — Partie 11: Protection du matériel par sécurité intrinsèque « i ».
CEI 60079-14, Atmosphères explosives — Partie 14: Conception, sélection et construction des installations
électriques
CEI/TR 60079-15, Matériel électrique pour atmosphères explosives gazeuses — Partie 15: Construction,
essais et marquage des matériels électriques du mode de protection « n ».
CEI 60381-1, Signaux analogiques pour systèmes de commande de processus — Partie 1: Signaux à courant
continu.
CEI 60381-2, Signaux analogiques pour systèmes de commande de processus — Partie 2: Signaux en
tension continue.
CEI 60751, Thermomètres à résistance de platine industriels et capteurs thermométriques en platine.
CEI 60770-1, Transmetteurs utilisés dans les systèmes de conduite des processus industriels — Partie 1:
Méthodes d'évaluation des performances.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
3.1 Termes et définitions pour la masse volumique aux conditions de référence
3.1.1
masse volumique dans les conditions de référence
quotient de la masse d'un gaz par son volume, dans les conditions de référence spécifiées pour la pression et
la température
3.1.2
densité relative dans les conditions de référence
quotient de la masse d'un gaz contenu dans un volume arbitraire, par la masse d'air sec de composition
normalisée conformément à l’ISO 6976, qui serait contenu dans un volume identique aux mêmes conditions
de référence
3.2 Termes et définitions pour la masse volumique aux conditions de fonctionnement
3.2.1
masse volumique
quotient de la masse d'un gaz par son volume, dans les conditions de pression et de température du réseau
(conditions de fonctionnement)
3.2.2
transducteur de masse volumique à élément vibrant
dispositif contenant un élément vibrant maintenu à sa fréquence propre, construit de manière à ce que
l'élément contienne un gaz ou soit entouré de gaz, ce gaz et l'élément formant un système dans lequel la
masse volumique du gaz est la caractéristique principale du gaz qui détermine la fréquence propre de
l'élément
NOTE En première approximation, la fréquence propre est déterminée par la masse volumique du gaz.
3.2.3
constantes principales du transducteur de masse volumique
constantes qui, en première approximation, définissent la relation entre la fréquence propre de l'élément
vibrant et la masse volumique du gaz
3.2.4
masse volumique brute
masse volumique déterminée à partir de la fréquence de vibration d'un transducteur de masse volumique à
élément vibrant, en utilisant les constantes principales du transducteur avant l'application d'éventuelles
corrections de température, de pression et de composition
3.2.5
constantes correctives du transducteur de masse volumique
constantes applicables à un transducteur de masse volumique pour corriger l'écart entre la condition
d'étalonnage sous laquelle les constantes principales avaient été déterminées, et les conditions de
fonctionnement
3.2.6
masse volumique corrigée en température
masse volumique brute corrigée pour tenir compte de la différence entre la température à laquelle l'élément
vibrant a été exposé en cours de fonctionnement et la température à laquelle le transducteur de masse
volumique avait été étalonné
3.2.7
masse volumique corrigée en composition
masse volumique corrigée en température afin de tenir compte de la différence de caractéristiques de gaz
entre le gaz auquel l'élément vibrant est exposé en cours de fonctionnement et le gaz utilisé pour l'étalonnage
NOTE Normalement, la caractéristique du gaz applicable en l'occurrence est la vitesse du son et, de ce fait, ce terme
est souvent remplacé par « masse volumique corrigée en vitesse du son ».
3.2.8
masse volumique du réseau
masse volumique corrigée en composition afin de tenir compte de la différence entre les conditions de
fonctionnement (pression et température, par exemple) auxquelles l'élément vibrant est exposé et les
conditions de fonctionnement dans le réseau où la masse volumique est mesurée
3.3 Termes et définitions pour la pression
3.3.1
transmetteur de pression
dispositif sensible à une pression mesurée et délivrant un signal de transmission normalisé ayant une relation
prescrite continue par rapport à la valeur de pression mesurée
3.3.2
limite inférieure de l'étendue de mesure
LRV
plus petite valeur de pression pour la mesure de laquelle un transmetteur est ajusté
3.3.3
limite supérieure de l'étendue de mesure
URV
plus grande valeur de pression pour la mesure de laquelle un transmetteur est ajusté
3.3.4
étendue de mesure
différence algébrique entre les limites supérieure et inférieure de l'étendue de mesure
3.3.5
pression statique
pression qui serait mesurée par un observateur ponctuel se déplaçant avec une particule du fluide
3.3.6
pression statique absolue
pression statique d'un fluide mesurée par rapport à un vide absolu
3.3.7
pression relative
différence entre la pression statique absolue d'un fluide et la pression atmosphérique à l'endroit et au moment
du mesurage
3.4 Termes et définitions pour la température
3.4.1
transmetteur de température
dispositif sensible à une température mesurée et délivrant un signal de transmission normalisé ayant une
relation prescrite continue par rapport à la valeur de température mesurée
3.5 Termes et définitions pour le facteur de compression
3.5.1
méthode des moindres carrés
méthode utilisée pour calculer les coefficients de l'équation lorsqu'une forme d'équation particulière est
choisie pour s'ajuster à une courbe de données
NOTE Le principe des moindres carrés est la minimisation de la somme des carrés des écarts des données par
rapport à la courbe.
4 Symboles et unités
4.1 Symboles et indices pour la masse volumique aux conditions de référence
Symbole Grandeur Unité
k Rapport de Z(p, T) et Z —
Z n
p Pression absolue Pa
Masse volumique kg/m
T Température thermodynamique K
Z Facteur de compression —
Indices
A Air standard
m Gaz mesuré/chambre de mesure
n Conditions de référence
r Chambre de référence
4.2 Symboles et indices pour la masse volumique aux conditions de fonctionnement
Symbole Grandeur Unité
C
Vitesse du son m/s
C Vitesse du son dans le gaz d'étalonnage m/s
c
C
g Vitesse du son dans le gaz dans le transducteur de masse volumique m/s
F Fréquence
s
a
b
Constantes du transducteur de masse volumique
K K K
1 2 N
Masse volumique brute kg/m
r
Masse volumique corrigée en température kg/m
t
Masse volumique corrigée en composition kg/m
c
Masse volumique du réseau kg/m
L
T
c Température d'étalonnage K
t Température d'étalonnage
c C
T Température dans le transducteur de masse volumique K
d
T Température dans la conduite K
L
t Température dans le transducteur de masse volumique
d C
t Température dans la conduite
L C
p Pression dans le transducteur de masse volumique Pa
d
p Pression dans la conduite Pa
L
a
Le nombre de constantes (n) peut varier pour les différents types de transducteurs de masse volumique. Les fabricants sont
autorisés à utiliser un autre système de numérotation des constantes utilisées dans la présente Norme internationale.
b
L'unité des diverses constantes doit être telle que tous les termes des Équations (4) et (5) ressortent en kg/m .
Indices
L Conduite
d Transducteur de masse volumique
4.3 Symboles et indices pour le facteur de compression
Symbole Grandeur Unité
V Volume du petit récipient dans le Z-mètre m
V Volume du grand récipient dans le Z-mètre m
V Somme des volumes V et V m
3 1 2
p Pression dans la conduite Pa
p Pression avant détente Pa
p Pression après détente Pa
Z Facteur de compression aux conditions p et T —
1 1
Z Facteur de compression aux conditions p et T —
2 2
Z Facteur de compression aux conditions p et T —
3 3
k Rapport des volumes V et V —
V 2 1
a
B (T),B (T) Coefficients du polynôme du facteur de compression en fonction de la pression
1 2
T Température du Z-mètre K
t Température du Z-mètre °C
Z Facteur de compression —
k Rapport de Z(p, T) et Z —
Z n
a, b Coefficients dans la fonction pour le transfert de température —
b
e, f, g Coefficients dans la fonction pour le transfert de pression
a
Les unités de B(T ) et C(T ) doivent être telles que tous les termes résultants dans les Équations (9) et (10) soient sans dimension.
b
Les unités de e, f et g doivent être telles que tous les termes résultants dans l'Équation (12) soient sans dimension.
Indices
i Conditions initiales
f Conditions finales
n Conditions de référence
5 Masse volumique dans les conditions de référence
5.1 Principe de mesure
5.1.1 Généralités
La mesure de la masse volumique dans les conditions de référence repose sur deux principes fondamentaux:
a) le mesurage direct, par exemple en déterminant la poussée hydrostatique d'un volume de gaz défini à
l'aide d'un système à balance;
b) le mesurage indirect, par exemple en déterminant la fréquence propre d'un élément vibrant, qui est
influencée par la masse volumique du milieu dans lequel l'élément vibre.
5.1.2 Système à balance
L'appareil mesure la poussée hydrostatique d'une ampoule de verre scellée remplie de gaz, placée dans une
atmosphère du gaz dont la masse volumique dans les conditions de référence doit être mesurée (voir Figure 1).
L'ampoule de verre est placée sur le fléau d'une balance avec une ampoule de verre ouverte comme
contrepoids. Ce système de pesée est monté dans une chambre à travers laquelle circule le gaz soumis à
essai. Le déplacement du fléau de la balance ou la force requise pour compenser le déplacement peut être
pris(e) comme une mesure de la masse volumique.
Un système de correction compense les fluctuations de température et de pression de la chambre de mesure.
5.1.3 Système à élément vibrant
Deux systèmes différents sont couramment utilisés. Chacun comprend deux chambres. L'une, remplie d'un
gaz de référence similaire au gaz à mesurer, est étanche par rapport à l'atmosphère. Le gaz soumis à essai
circule en continu à travers l'autre chambre. Un égaliseur de pression garantit que la pression dans la
chambre de mesure est égale à la pression dans la chambre de référence. Les logements des systèmes sont
conçus de telle sorte que les deux chambres à gaz aient la même température (voir Figures 2 et 3).
Légende
1 logement de l'instrument
2 sortie de gaz
3 ampoule de verre scellée
4 ampoule de verre ouverte
5 entrée de gaz
6 capteur de pression
7 capteur de température
8 aimant
9 bobine compensatrice
10 capteur optique
11 régulateur PID
12 afficheur
Figure 1 — Système à balance pour mesurer la masse volumique d'un gaz
Légende
1 chambre de mesure
2 chambre de référence
3 élément vibrant
4 membrane
5 régulateur de pression
6 entrée de gaz
7 sortie de gaz
Figure 2 — Densitomètre à un seul élément vibrant
Légende
1 entrée de gaz
2 élément vibrant
3 chambre de mesure
4 chambre de référence
5 égaliseur de pression
6 sortie de gaz
Figure 3 — Densitomètre à deux éléments vibrants
En général, la masse volumique, , est donnée par l'Équation (1):
T p 1
n
ρ ρ (1)
n
p T k
n Z
où
p est la pression;
T est la température thermodynamique;
k est le rapport (Z/Z ) des facteurs de compression;
Z n
n est l'indice correspondant aux valeurs dans les conditions de référence.
Avec l'égalité de pression et de température dans les chambres de référence (indice r) et de mesure
(indice m), le quotient des masses volumiques respectives est donné par l'Équation (2):
ρ
ρ k
nm,
mr
(2)
ρρ k
rn,r m
En prenant pour hypothèse que k /k est une constante, ce qui est une bonne approximation pour les basses
r m
pressions et signifie que les gaz sont similaires, le quotient des masses volumiques du gaz à mesurer et du
gaz de référence est directement proportionnel à la masse volumique dans les conditions de référence et est
déterminé à l'aide de l'Équation (3):
ρ ρ
k
mmm
ρ
ρ k (3)
nr,
nm,
ρ ρ
k
r
rr
où k est une constante.
La différence entre les deux systèmes réside en ce que le premier utilise deux éléments vibrants pour
mesurer la masse volumique dans les chambres de référence et de mesure, alors que le second utilise un
système à un seul élément vibrant à l'intérieur de la chambre de mesure et exploite le fait que la conception
du système assure que la masse volumique du gaz de référence scellé est constante. La fonction d'un
système à élément vibrant est décrite en 6.1.
5.2 Essais d'évaluation de la performance et essais de réception
5.2.1 Exigences
Les exigences à satisfaire dépendent de l'objectif du mesurage. Elles ont une incidence sur plusieurs
caractéristiques de l'instrument, notamment
a) l'exactitude et la sensibilité,
b) la sécurité,
c) la fiabilité et la reproductibilité à long terme,
d) l'insensibilité aux perturbations,
e) les caractéristiques d'installation et d'étalonnage,
f) le temps de réponse,
g) la robustesse,
h) les caractéristiques de manipulation et de maintenance,
i) le traitement des données et les connexions,
j) les coûts.
5.2.2 Essais de performance
Le fabricant doit réaliser des essais approfondis en laboratoire sur un nombre choisi d'instruments afin de
vérifier la performance du type d'instrument et de s'assurer que ses propres exigences sont satisfaites, ainsi
que celles des acheteurs. Des conseils et des recommandations sont donnés dans la CEI 60770-2.
Les essais doivent être effectués en raccordant l'instrument à des gaz de référence ayant les masses
volumiques adéquates dans les conditions de référence, et en faisant varier le paramètre ayant une influence
sur l'instrument en cours d'essai. Ce paramètre peut par exemple être:
a) la température du gaz échantillon,
b) la pression de fonctionnement,
c) les pression et température ambiantes,
d) le débit à travers l'instrument et les effets de contre-pression,
e) l'humidité du gaz échantillon,
f) la tension d'alimentation,
g) la position de montage,
h) les champs magnétique et électrique,
i) les contaminants présents dans l'échantillon de gaz.
Pour vérifier les effets dus à la composition du gaz, il convient de réaliser des essais en utilisant des gaz de
référence présentant des compositions différentes mais des masses volumiques similaires dans les conditions
de référence. Des essais doivent également être effectués afin de vérifier la répétabilité et la dérive à long
terme dans les conditions du terrain.
Les résultats de tous les essais doivent être correctement consignés et tenus à la disposition de l'utilisateur
de l'instrument.
Avant la livraison, le fabricant doit réaliser un essai de réception en usine, traçable d'un point de vue
métrologique, afin de garantir le fonctionnement correct de chaque appareil, en produisant des certificats
d'essai individuels. Un exemple de plan d'essais de réception en usine est donné à l'Annexe A. Au cours de
cet essai, les systèmes à éléments vibrants peuvent être étalonnés alors que les systèmes à balance doivent
être étalonnés et en plus être soigneusement soumis à essai sur site.
NOTE Les essais recommandés en 5.2 pour la masse volumique dans les conditions de référence étant également
valides pour la masse volumique dans les conditions de fonctionnement, se reporter à 6.2 pour obtenir une description
plus détaillée.
5.3 Lignes directrices pour l'échantillonnage et l'installation
Les lignes directrices d'installation données par le fabricant doivent être suivies. Du fait de la sensibilité des
instruments aux fluctuations de température, une attention particulière doit être portée au respect des
exigences relatives aux fluctuations de température pendant le fonctionnement, l'étalonnage et la vérification.
Pour réduire au minimum le temps de réaction du mesurage, la réduction de pression doit être proche du
point d'échantillonnage et l'ensemble de la conduite doit être aussi court que possible. Un autre instrument
(un calorimètre, par exemple) peut être raccordé à la même ligne d'échantillonnage mais chaque instrument
doit disposer d'un évent distinct.
Selon l’état du gaz échantillon, des filtres supplémentaires doivent être installés pour protéger l'instrument de
la contamination. Des précautions doivent être prises pour éviter toute variation de la composition du gaz due
à une chute de température provoquée par une baisse de pression.
Le débit de l'échantillon doit être régulé.
Il doit être possible de soumettre le système à essai et de l’étalonner en le raccordant à des gaz de référence.
Il faut s'assurer, en utilisant par exemple une conception à double vanne de sectionnement et de purge, que
les fuites de vanne n'entraînent pas un mélange des gaz.
5.4 Étalonnage
Les instructions des manuels techniques et des fabricants relatives à l'étalonnage et au réétalonnage doivent
être respectées, ainsi que les exigences des autorités stipulées dans les homologations des instruments.
Les systèmes doivent être étalonnés en les raccordant à des gaz de référence. Ces gaz doivent être soit des
gaz mono-composant de haute pureté (> 99,95 %), soit des mélanges de gaz de référence.
L'un des gaz doit présenter une masse volumique dans les conditions de référence qui se situe dans la plage
de celle du gaz mesuré et, pour les éléments vibrants, la même exigence s'applique à Z /Z et à la vitesse du son.
n
Les systèmes à balance qui sont très sensibles aux influences environnementales, doivent être
soigneusement vérifiés et étalonnés sur site. Les systèmes à éléments vibrants qui sont relativement
robustes, peuvent être étalonnés en laboratoire ou sur site. Cependant, comme les constantes des courbes
d'étalonnage des éléments vibrants dépendent du gaz présent dans la chambre de référence, un
réétalonnage sur site est requis pour les chambres de référence dont le remplissage s'effectue sur site.
L'intervalle d'étalonnage doit être compris entre 1 et 5 ans. L'utilisateur doit tenir compte de l'exactitude de
l'instrument pendant les opérations, ainsi que de son impact financier sur les résultats.
5.5 Vérification
Le fonctionnement correct et l'exactitude doivent être vérifiés à intervalles réguliers en raccordant le système
à un gaz de référence dont les propriétés dans les conditions du réseau sont similaires à celles du gaz de la
conduite. Pour tous les instruments, le gaz de référence doit notamment présenter une masse volumique
similaire dans les conditions de référence et, pour les éléments vibrants, il convient que la même exigence
s'applique à Z /Z et à la vitesse du son.
n
Cette procédure peut être automatisée.
Les limites acceptables de l'écart doivent être établies sur la base, par exemple, des recommandations du
fabricant, en utilisant des graphes de contrôle ou des accords entre parties.
Si les écarts se situent entre ces limites, une correction peut être appliquée aux valeurs mesurées, sans
réétalonner le système. En revanche, si les écarts sont en dehors des limites, le système doit être réétalonné.
5.6 Maintenance
Les filtres doivent être vérifiés et remplacés à intervalles réguliers. L'espacement des contrôles dépend de
l'état du gaz mesuré.
5.7 Contrôle qualité
Si un même poste comprend deux systèmes de mesurage de masse volumique, il convient de comparer les
résultats en continu et de déclencher une alarme si l'écart dépasse des limites prédéterminées.
En variante, le fonctionnement correct du système de mesurage peut être garanti en comparant, à intervalles
réguliers, la masse volumique mesurée à celle calculée à partir d'une analyse de composants d'un échantillon
du gaz prélevé dans le réseau (en ligne ou hors ligne).
6 Masse volumique dans les conditions de fonctionnement
6.1 Principe de mesure
6.1.1 Élément vibrant
Le principe utilise le fait qu'un élément contenu dans un fluide est excité pour vibrer à sa fréquence propre qui
dépend de la masse volumique du fluide. La masse volumique peut ainsi être déterminée en mesurant la
fréquence propre.
La relation fondamentale entre la masse volumique, , et la fréquence propre, f, est représentée par
r
l'équation du second ordre comme indiqué dans l'Équation (4):
1 1
K K K (4)
r 0 1 2
f f
6.1.2 Correction de température et de pression
En principe, la relation entre la masse volumique et la fréquence est également affectée par la température et
la pression, d'où la nécessité d'introduire des termes de correction de pression et de température.
La principale raison à la correction de température et de pression est que les caractéristiques des matériaux,
telles que l'élasticité de l'élément vibrant, sont affectées par la température et la pression. Normalement, l'effet
de la pression est négligeable.
Les effets de la température peuvent avoir une incidence sur le zéro et l'étendue de mesure. La correction
peut normalement être exprimée sous la forme d'un terme correctif du premier ordre, comme indiqué dans
l'Équation (5):
1 KT T KT T (5)
t r 3 d c 4 d c
6.1.3 Correction de la vitesse du son (VOS)
Les constantes du densitomètre K , K et K de l'Équation (4) dépendent également du type de gaz avec
0 1 2
lequel l'élément vibrant est en contact.
Le paramètre de qualité du gaz qui décrit le mieux cette dépendance est la vitesse du son dans le gaz dans
les conditions du réseau.
Les constantes K , K et K dans l'Équation (4) sont déterminées par étalonnage à l'aide d'un gaz particulier.
0 1 2
Si la vitesse du son dans le gaz dont la masse volumique est à déterminer est différente de la vitesse du son
dans le gaz d'étalonnage, la masse volumique obtenue de la relation simple de l'Équation (4) doit être
corrigée.
L'Équation (6) décrit cette correction:
f
1 K
c
c
(6)
c t
f
1 K
c
g
où c est la vitesse du son dans le gaz d'étalonnage dans les mêmes conditions de température et de
c
pression auxquelles la masse volumique est rapportée ou auxquelles l'élément vibrant vibre avec la
r
fréquence correspondante.
À température et pression identiques, c dépend de la composition du gaz naturel. Typiquement, une variation
g
de la composition du gaz dans la conduite entraînant une variation de c de 10 m/s peut aboutir à une
g
variation de 0,05 % du terme correctif dans l'Équation (6).
c peut être mesurée directement (par exemple, avec des dispositifs spéciaux ou des signaux délivrés par des
g
débitmètres à ultrasons) ou être calculée.
c peut être calculée en fonction de ou p , T et des caractéristiques du gaz. Étant donné que dépend de
g c d d c
c qui dépend de , une procédure d'itération est requise dans ce cas. Pour la méthode de calcul, se reporter
g c
au manuel du fabricant.
Toutefois, l'effet du facteur de correction VOS en utilisant au lieu de peut s'avérer négligeable et
t c
l'utilisation de dans ce terme est acceptable pour simplifier les calculs.
t
Une autre variante pour éviter l'itération consiste à utiliser la masse volumique obtenue dans la séquence
c
de calcul précédente; cette procédure n'est valide que si aucune modification n'est survenue dans le gaz et
les conditions dans lesquelles il se trouve.
Le facteur de correction VOS peut être simplifié, voire omis, en fonction de la précision exigée par l'application
et de la différence entre c et c .
g c
6.2 Essais d'évaluation de la performance et essais de réception
6.2.1 Exigences et évaluations de performance pour la sélection de l'instrument
6.2.1.1 Généralités
Les exigences et les essais d'évaluation requis dépendent de l'objectif du mesurage et des conditions de
fonctionnement de l'instrument.
Pour permettre à l'utilisateur d’évaluer la performance d'un type de transducteur, les essais spéciaux suivants
doivent être effectués par le fabricant ou en collaboration avec l'utilisateur sur un nombre sélectionné
d'instruments afin de vérifier la performance. À la lumière de ces essais d'évaluation, une décision doit être
prise quant aux essais à réaliser sur les transducteurs individuels et les résultats d'essai qui peuvent être
considérés comme communs à un type de transducteurs spécifique. Les résultats de tous les essais doivent
être correctement documentés.
6.2.1.2 Essai de sensibilité
Appliquer un gaz à masses volumiques connues, y compris le zéro (vide), en un minimum de dix points
équidistants sur toute la plage de fonctionnement requise du densitomètre, à température constante. Les
masses volumiques requises sont obte
...
Questions, Comments and Discussion
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