Measurement of fluid flow in closed conduits — Guidance for the use of electromagnetic flowmeters for conductive liquids

ISO 20456:2017 applies to industrial electromagnetic flowmeters used for the measurement of flowrate of a conductive liquid in a closed conduit running full. It covers flowmeter types utilizing both alternating current (AC) and pulsed direct current (DC) circuits to drive the field coils and meters running from a mains power supply and those operating from batteries or other sources of power. ISO 20456:2017 is not applicable to insertion-type flowmeters or electromagnetic flowmeters designed to work in open channels or pipes running partially full, nor does it apply to the measurement of magnetically permeable slurries or liquid metal applications. ISO 20456:2017 does not specify safety requirements in relation to hazardous environmental usage of the flowmeter.

Mesurage du débit des fluides dans les conduites fermées —Recommandations pour l'utilisation des débitmètres électromagnétiques dans les liquides conducteurs

Le présent document s'applique aux débitmètres électromagnétiques industriels utilisés pour mesurer le débit d'un liquide conducteur dans une conduite fermée remplie. Il traite des types de débitmètres utilisant à la fois des circuits à courant alternatif (CA) et à courant continu (CC) pulsé pour entraîner les bobines de champs et les débitmètres branchés sur secteur ainsi que ceux fonctionnant sur batteries ou d'autres sources d'énergie. Le présent document n'est pas applicable aux débitmètres à insertion ou aux débitmètres électromagnétiques conçus pour fonctionner dans des canalisations ou des conduites ouvertes partiellement remplies, ni au mesurage de pâtes magnétiquement perméables ou aux applications de métal liquide. Le présent document ne spécifie aucune exigence de sécurité applicable à l'utilisation environnementale dangereuse du débitmètre.

Meritve pretoka tekočin v zaprtih cevovodih - Navodilo za uporabo elektromagnetnih merilnikov pretoka za prevodne tekočine

Ta dokument se uporablja za industrijske elektromagnetne merilnike pretoka, ki se uporabljajo za merjenje pretoka prevodne tekočine v polno zapolnjenem zaprtem cevovodu. Obravnava vrste merilnikov pretoka, ki uporabljajo izmenični (AC) in pulzirajoči enosmerni (DC) tokokrog za delovanje vzbujalne tuljave in merilnikov, ki se napajajo iz omrežnega napajanja, in tistih, ki delujejo na baterije ali druge vire napajanja.
Ta dokument se ne uporablja za vstavljive merilnike pretoka ali elektromagnetne merilnike pretoka, zasnovane za delovanje v odprtih delno zapolnjenih kanalih ali ceveh, prav tako se ne uporablja za merjenje magnetno prepustnih brozg ali tekočih kovin.
Ta dokument ne določa varnostnih zahtev v zvezi z okolju nevarno uporabo merilnika pretoka.

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Status
Published
Publication Date
14-Sep-2017
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
15-Sep-2017
Completion Date
15-Sep-2017

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ISO 20456:2017 - Measurement of fluid flow in closed conduits -- Guidance for the use of electromagnetic flowmeters for conductive liquids
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20456
First edition
2017-09
Measurement of fluid flow in closed
conduits — Guidance for the use
of electromagnetic flowmeters for
conductive liquids
Mesurage du débit des fluides dans les conduites fermées — Lignes
directrices pour l'utilisation des débitmètres électromagnétiques dans
les liquides conducteurs
Reference number
ISO 20456:2017(E)
ISO 2017
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ISO 20456:2017(E)
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All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form

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written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of

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ISO 20456:2017(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols .......................................................................................................................................................................................................................... 3

5 Theory and basic formulae ........................................................................................................................................................................ 4

6 Construction and principle of operation ..................................................................................................................................... 4

6.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 4

6.2 Sensor ............................................................................................................................................................................................................. 5

6.3 Transmitter ................................................................................................................................................................................................ 7

6.3.1 General...................................................................................................................................................................................... 7

6.3.2 Alternating magnetic field in the measuring system ........................................................................ 7

6.3.3 Measuring system with applied pulsed DC excitation (simplified model) .................... 7

6.3.4 Measuring system with applied AC excitation (simplified model) ....................................... 8

6.4 Flowmeter/Transmitter output ............................................................................................................................................... 9

7 Equipment marking .......................................................................................................................................................................................... 9

7.1 Recommended data ............................................................................................................................................................................ 9

7.1.1 Sensor ........................................................................................................................................................................................ 9

7.1.2 Transmitter ........................................................................................................................................................................10

8 Installation design and practice ........................................................................................................................................................10

8.1 Sensor ..........................................................................................................................................................................................................10

8.1.1 Sizing .......................................................................................................................................................................................10

8.1.2 Mounting conditions .................................................................................................................................................11

8.1.3 Potential equalization — General requirements...............................................................................12

8.1.4 Electrical connections ..............................................................................................................................................13

8.1.5 Sensor mounting ...........................................................................................................................................................13

8.1.6 Installation dimensions for flanged connections ..............................................................................14

8.2 Transmitter location .......................................................................................................................................................................15

8.3 Operational considerations .......................................................................................................................................................16

8.3.1 General...................................................................................................................................................................................16

8.3.2 Effect of the liquid conductivity .......................................................................................................................16

8.3.3 Reynolds number effect ..........................................................................................................................................16

8.3.4 Velocity profile effect.................................................................................................................................................16

9 Flowmeter calibration, validation, and verification .....................................................................................................16

9.1 Flowmeter calibration ...................................................................................................................................................................16

9.2 Flowmeter verification (in-situ electronic verification) .................................................................................. 16

10 Evaluation of flowmeter performance ........................................................................................................................................17

10.1 General ........................................................................................................................................................................................................17

10.2 Applications within the scope of other standards.................................................................................................17

11 Uncertainty analysis ......................................................................................................................................................................................17

Annex A (informative) Materials for construction of sensors .................................................................................................19

Annex B (informative) Practical considerations for measuring system with AC and DC excitation 22

Annex C (informative) Cathodic protection ................................................................................................................................................23

Annex D (informative) Conversion of nominal diameters from metric to US units ..........................................24

Annex E (informative) Manufacturers' accuracy specifications............................................................................................25

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................29

© ISO 2017 – All rights reserved iii
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ISO 20456:2017(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation on the 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 the following

URL: www.iso.org/iso/foreword.html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 30, Measurement of fluid flow in closed

conduits, Subcommittee SC 5, Velocity and mass methods.

This first edition of ISO 20456 cancels and replaces ISO 6817:1992, ISO 9104:1991 and ISO 13359:1998,

which has been technically revised.
iv © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 20456:2017(E)
Introduction

Clauses 3 to 7 cover the definitions, symbols and basic theory of electromagnetic flowmeters. This

document does not cover insertion type meters, partially filled meters or meters for non-conductive

and highly conductive fluids.

Clause 8 covers installation types and practice, the different types of meter construction, transmitters, lay

lengths and sizing, in order to achieve the best performance of the electromagnetic flowmeter in the field.

Clauses 9 to 11 cover some methods of calibration, verification, evaluation, and uncertainty analysis,

which can be useful for users or independent testing establishments to verify manufacturer’s relative

performance and to demonstrate suitability of application

The tests specified in this document are not necessarily sufficient for instruments specifically designed

for unusually difficult duties. Conversely, a restricted series of tests may be suitable for instruments

designed to perform within a limited range of conditions.
This document is for users and manufacturers.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 20456:2017(E)
Measurement of fluid flow in closed conduits —
Guidance for the use of electromagnetic flowmeters for
conductive liquids
1 Scope

This document applies to industrial electromagnetic flowmeters used for the measurement of flowrate

of a conductive liquid in a closed conduit running full. It covers flowmeter types utilizing both

alternating current (AC) and pulsed direct current (DC) circuits to drive the field coils and meters

running from a mains power supply and those operating from batteries or other sources of power.

This document is not applicable to insertion-type flowmeters or electromagnetic flowmeters designed

to work in open channels or pipes running partially full, nor does it apply to the measurement of

magnetically permeable slurries or liquid metal applications.

This document does not specify safety requirements in relation to hazardous environmental usage of

the flowmeter.
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 terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— IEC Electropedia: available at http://www.electropedia.org/
— ISO Online browsing platform: available at http://www.iso.org/obp
3.1
electromagnetic flowmeter

flowmeter which creates a magnetic field perpendicular to the direction of flow, so enabling the

flowrate to be deduced from the induced voltage, U , produced by the motion of a conducting fluid

through the magnetic field

Note 1 to entry: The electromagnetic flowmeter consists of a sensor (3.2) and a transmitter (3.3).

3.2
sensor
device containing at least the following elements:

— an electrically insulating meter tube through which the conductive fluid to be measured flows;

— one pair of electrodes across which the signal generated in the fluid is measured;

— an electromagnet for producing a magnetic field in the meter tube (3.4)

Note 1 to entry: The sensor produces a signal proportional to the flowrate and, in some cases, a reference signal

(3.9). See 6.2.

Note 2 to entry: For a sensor, the wording primary device or flowtube has previously been used.

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ISO 20456:2017(E)

Note 3 to entry: In some cases, further electrodes are used such as grounding electrodes, full pipe detection

electrodes (empty pipe detection) (see 3.5).
3.3
transmitter

equipment which contains the circuitry which drives the field coils and extracts the flow signal

Note 1 to entry: This equipment may be mounted directly onto the sensor (3.2) or remotely, connected to the

sensor by a cable.

Note 2 to entry: For a transmitter, the wording secondary device, converter or electronic unit has previously

been used.
3.4
meter tube

pipe section of the sensor (3.2) through which the liquid flows, at least part of whose inner surface is

electrically insulating
3.5
measuring electrodes

one or more pairs of electrical contacts or capacitor plates by means of which the induced voltage is

detected
3.6
lower range value
lowest value of the measured variable that a device is set to measure
3.7
upper range value
highest value of the measured variable that a device is set to measure
3.8
span
difference between the upper and lower range values (3.6)
3.9
reference signal

signal which is proportional to the magnetic flux created in the sensor (3.2) and which is compared in

the transmitter (3.3) with the flow signal
3.10
output signal
signal from the transmitter (3.3) which is a function of the flowrate
3.11
Reynolds number

dimensionless parameter expressing the ratio between the inertial and the viscous forces

Note 1 to entry: For closed pipe flow through an electromagnetic flowmeter (3.1), Reynolds number should be

based on the nominal diameter of the meter and corresponding mean velocity through a section of that size.

3.12
accuracy

closeness of the agreement between the result of a measurement and the (conventional) true value of

the measurement

Note 1 to entry: The quantitative expression of accuracy should be in terms of uncertainty (see Annex E).

Note 2 to entry: The use of the term precision for accuracy should be avoided.
2 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 20456:2017(E)
3.13
uncertainty

range within which the true value of the measured quantity can be expected to lie

with a specified value and confidence level
Note 1 to entry: See Clause 11.
3.14
calibration factor

number, determined by liquid calibration, that enables the output signal (3.10) to be related to the

volumetric flowrate
3.15
calibration

operation that, under specified conditions, in a first step, establishes a relation between the quantity

values with measurement uncertainties provided by measurement standards and corresponding

indications with associated measurement uncertainties and, in a second step, uses this information to

establish a relation for obtaining a measurement result from an indication
3.16
verification

means of verifying that an electromagnetic flowmeter (3.1) is operating

correctly, normally with a poorer uncertainty than under controlled laboratory conditions

3.17
calibration validation

number of runs (one or more) at flowrates between zero and the upper range value (3.7) in order to

verify that the flowmeter does perform in the expected way and within the manufacturer's specification

3.18
measuring window

period of time during which the voltage representing the flow velocity is measured

3.19
ideal flow conditions

conditions that exist when a pipe is infinitely long and straight with no internal disturbances

Note 1 to entry: For electromagnetic flowmeters (3.1), it may, in addition, also be assumed that the metering liquid

has a viscosity and density similar to water. Under these conditions, the flow is axisymmetric and will be fully

developed and turbulent at flowrates and pipe sizes most often found in industry.

4 Symbols
Symbol Quantity Units (SI)
magnetic field strength
Tesla (T)
mean magnetic field strength
Tesla (T)
d inside diameter of meter tube metres (m)
electric field strength volt per metre (V/m)
U electrochemical voltage volt (V)
U transformer voltage volt (V)
U velocity related voltage volt (V)
F Lorentz force newton (N)
Lorentz
k constant dimensionless (—)
k constant dimensionless (—)
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ISO 20456:2017(E)
Symbol Quantity Units (SI)
L distance between measuring electrodes metres (m)
q volumetric flowrate of the liquid cubic meters per second (m /s)
mean axial liquid velocity
metres per second (m/s)
Nabla or Del operator
dimensionless (—)

See Annex D for a conversion table of nominal diameters from metric to US units.

5 Theory and basic formulae

When a conductive liquid moves through a magnetic field, voltage(s), U , are generated in accordance

with Faraday’s law (see Formula 2). The strength of the induced voltages is given by the simplified

expression shown in Formula (1):
 
Fq=+Ev×B =0 (1)
Lorentz
 
Ev=− ×=BU∇ ;
∇ Uv=− ×B
Spatial integration of Formula (1) results in Formula (2):
Uk= BL v (2)
v 1e
The volume flowrate in the case of a circular pipe is given in Formula (3):
q= v (3)
Which, combined with Formula (2), gives Formula (4):
πd  
q= (4)
 
4kL
 
1 e
Or Formula (5):
qk= U (5)
2 v

Formula (5) may be interpreted in various ways to produce a calibration factor which in practice is

usually determined by wet calibration, as described in 9.1.
6 Construction and principle of operation
6.1 General

As indicated schematically in Figure 1, the magnetic field is so placed with respect to a lined meter

tube that the path of the conductive liquid, flowing in the meter tube, is normal to the magnetic field.

In accordance with Faraday’s law, motion of the liquid through the magnetic field induces a voltage,

U , in the liquid in a path mutually normal both to the field and the direction of liquid motion. By

placing electrodes which contact the liquid in insulated mountings or by using insulated electrodes

with capacitance-type coupling in the meter tube in a diametrical plane normal to the magnetic field, a

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ISO 20456:2017(E)

voltage proportional to the flow velocity is produced which can be processed by a transmitter. Meters

based on this principle are capable of measuring flow in either direction through the meter tube.

Key
1 coil system
2 lined meter tube
3 measuring electrodes
B magnetic flux density
L distance between measuring electrodes
U flow signal (velocity related voltage)
mean axial liquid velocity
Figure 1 — Principle of Faraday's law

The electromagnetic flowmeter consists of a sensor through which the process liquid flows and

a transmitter which converts the flow signal generated by the sensor into a standardized signal for

suitable acceptance by industrial instrumentation (see, for example, IEC 60381-1 and IEC 60381-2).

The system produces an output signal proportional to volume flowrate (or average velocity). Its

application is generally limited only by the requirement that the metered liquid shall be electrically

conductive.

The sensor and transmitter can be separate, linked by one or more electrical cables, or integrated with

the transmitter directly joined to the sensor.
6.2 Sensor

Figure 2 shows an exploded drawing of an industrial version of a sensor with an integrated transmitter.

The principal components of the sensor are as follows.

a) The meter tube is the pipe section of the sensor through which the liquid flows. For a meter

with field coils mounted outside the meter tube, this would be constructed from a non-magnetic

material. On a design where the field coils are inside the meter tube, it may be made of a magnetic

material.

b) An insulating liner which electrically insulates the measuring electrodes from the meter tube

preventing the induced U from short circuiting through the meter tube. The liner may be concentric

with the pipe or be profiled to provide a specific cross-section at the plane of the measuring

electrodes; if the meter tube is non-conductive, then a liner is not mandatory.
© ISO 2017 – All rights reserved 5
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ISO 20456:2017(E)

c) The field coils produce the magnetic field. The most common configuration is to have two field coils

mounted diametrically opposite to each other, though single field coil designs are available. Field

coils may be mounted on the outside of the meter tube or within the meter tube isolated from the

fluid. The field coils can be either:
— excited by sinusoidal alternating current (AC), as described in 6.3.4, or

— excited by direct current. In this case, it is usual to use a pulsed direct current (DC) as described

further in 6.3.3;

d) The measuring electrodes which detect the induced U . These normally comprise two metallic

contacts diametrically opposite to each other standing slightly out from the liner which are in

direct contact with the fluid. In some designs for harsh applications, capacitive electrodes may be

used which are not in direct contact with the fluid.

The sensor may also contain a reference or ground electrode to provide a reference value for the

measured U , and/or an empty pipe detection electrode which triggers an alarm when not in contact

with the fluid.

The materials for the lining and for the electrodes shall be selected depending on the liquid to be

measured (see Annex A).

The sensor is usually connected to the piping by means of flanges; however, measuring devices

with flangeless versions and other process connections are also available. The process fluid shall be

electrically connected to the body of the flowmeter by means of a grounding electrode or electrically

conductive and unlined adjacent pipework or grounding (potential equalizing) rings; see 8.1.3.

Key
1 field coils
2 coil housing
3 lined meter tube
4 measuring electrodes
5 power supply
A transmitter
B sensor
Figure 2 — Elements of an industrial electromagnetic flowmeter
NOTE The sensor can have a non-circular cross-section.
6 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 20456:2017(E)
6.3 Transmitter
6.3.1 General
The transmitter carries out the following functions:
a) provides the current to drive the field coils;

b) amplifies and processes the measuring electrode signal in order to derive a signal proportional to

the flowrate;

c) reduces various noise signals, e.g. fluid noise, electrical noise and common mode noise;

d) provides means of compensating for supply voltage and frequency variations where necessary;

e) provides the various outputs specified by the user or incorporated in the meter. These may include

a visual display and/or electronic outputs of the flowrate, alarm functions, totalised values and

diagnostics;

f) provides an interface for the user to configure the meter using buttons, touchpad or connections to

a PC or other device;
g) may provide an interface to a network.
Instruments may include additional circuitry to perform self-verification.

The transmitter may be mounted directly onto the sensor or remotely, connected to the sensor by a cable.

6.3.2 Alternating magnetic field in the measuring system

Electromagnetic flowmeters use an alternating magnetic field to avoid any voltages which may interfere

with the measurement of flow.

In addition to the flow related voltage, U , described in Clause 5, two other source voltages exist in

electromagnetic flowmeters. These are the electrochemical voltage, U , and the voltage created by

changes in the magnetic field, the transformer voltage, U . Both of these voltages may have a similar or

larger magnitude than U .
Further details may be found in Annex B.
6.3.3 Measuring system with applied pulsed DC excitation (simplified model)

In measuring systems with applied pulsed DC excitation, the magnetic field polarity is alternately

reversed. During each magnetic field polarity cycle, the electrode voltage is measured once the

magnetic field is considered to be constant. This period is called the measuring window (see Figure 3).

This measured voltage is a sum of both U and U .
c v

The difference between minimum and maximum value of the measured voltage, U , is proportional to

the flow velocity in the meter tube (see Figure 3).
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ISO 20456:2017(E)
Key
measuring window
Figure 3 — Principle of pulsed DC system (simplified model)
6.3.4 Measuring system with applied AC excitation (simplified model)

In AC excitation, line voltage (typically 115 V or 230 V at 50 Hz or 60 Hz) is applied directly to the field

coils or is supplied by the transmitter. This voltage generates a magnetic field in the sensor that varies

in strength with the amplitude of the applied voltage. The variation follows the pattern of a sine wave

(see Figure 4). This means that the flow signal, U , will also be a sine wave. The peak to peak value of the

sine wave, U , will be proportional to the flow velocity.
8 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 20456:2017(E)
Key
measuring window
Figure 4 — Principle of AC excitation systems (simplified model)
6.4 Flowmeter/Transmitter output
The system output can be one or more of the following:
a) analogue direct current in accordance with IEC 60381-1;
b) analogue direct voltage in accordance with IEC 60381-2;
c) a frequency data output in the form of scaled or un-scaled pulses;
d) alarm output(s);
e) digital (e.g. communication buses);
f) wireless;
g) display.
NOTE Electromagnetic flowmeters are available as 2-wire and 4-wire systems.
7 Equipment marking
7.1 Recommended data
7.1.1 Sensor
The following data should be displayed either on the sensor or on a name plate:
a) instrument manufacturer;
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ISO 20456:2017(E)
b) serial number;
c) nominal diameter;
d) maximum process temperature;
e) rated ambient temperature range;
f) maximum process pressure;
g) instrument classific
...

SLOVENSKI STANDARD
SIST ISO 20456:2019
01-januar-2019
0HULWYHSUHWRNDWHNRþLQY]DSUWLKFHYRYRGLK1DYRGLOR]DXSRUDER
HOHNWURPDJQHWQLKPHULOQLNRYSUHWRND]DSUHYRGQHWHNRþLQH

Measurement of fluid flow in closed conduits -- Guidance for the use of electromagnetic

flowmeters for conductive liquids

Mesurage du débit des fluides dans les conduites fermées -- Lignes directrices pour

l'utilisation des débitmètres électromagnétiques dans les liquides conducteurs
Ta slovenski standard je istoveten z: ISO 20456:2017
ICS:
17.120.10 Pretok v zaprtih vodih Flow in closed conduits
SIST ISO 20456:2019 en,fr

2003-01.Slovenski inštitut za standardizacijo. Razmnoževanje celote ali delov tega standarda ni dovoljeno.

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SIST ISO 20456:2019
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SIST ISO 20456:2019
INTERNATIONAL ISO
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Measurement of fluid flow in closed
conduits — Guidance for the use
of electromagnetic flowmeters for
conductive liquids
Mesurage du débit des fluides dans les conduites fermées — Lignes
directrices pour l'utilisation des débitmètres électromagnétiques dans
les liquides conducteurs
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SIST ISO 20456:2019
ISO 20456:2017(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols .......................................................................................................................................................................................................................... 3

5 Theory and basic formulae ........................................................................................................................................................................ 4

6 Construction and principle of operation ..................................................................................................................................... 4

6.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 4

6.2 Sensor ............................................................................................................................................................................................................. 5

6.3 Transmitter ................................................................................................................................................................................................ 7

6.3.1 General...................................................................................................................................................................................... 7

6.3.2 Alternating magnetic field in the measuring system ........................................................................ 7

6.3.3 Measuring system with applied pulsed DC excitation (simplified model) .................... 7

6.3.4 Measuring system with applied AC excitation (simplified model) ....................................... 8

6.4 Flowmeter/Transmitter output ............................................................................................................................................... 9

7 Equipment marking .......................................................................................................................................................................................... 9

7.1 Recommended data ............................................................................................................................................................................ 9

7.1.1 Sensor ........................................................................................................................................................................................ 9

7.1.2 Transmitter ........................................................................................................................................................................10

8 Installation design and practice ........................................................................................................................................................10

8.1 Sensor ..........................................................................................................................................................................................................10

8.1.1 Sizing .......................................................................................................................................................................................10

8.1.2 Mounting conditions .................................................................................................................................................11

8.1.3 Potential equalization — General requirements...............................................................................12

8.1.4 Electrical connections ..............................................................................................................................................13

8.1.5 Sensor mounting ...........................................................................................................................................................13

8.1.6 Installation dimensions for flanged connections ..............................................................................14

8.2 Transmitter location .......................................................................................................................................................................15

8.3 Operational considerations .......................................................................................................................................................16

8.3.1 General...................................................................................................................................................................................16

8.3.2 Effect of the liquid conductivity .......................................................................................................................16

8.3.3 Reynolds number effect ..........................................................................................................................................16

8.3.4 Velocity profile effect.................................................................................................................................................16

9 Flowmeter calibration, validation, and verification .....................................................................................................16

9.1 Flowmeter calibration ...................................................................................................................................................................16

9.2 Flowmeter verification (in-situ electronic verification) .................................................................................. 16

10 Evaluation of flowmeter performance ........................................................................................................................................17

10.1 General ........................................................................................................................................................................................................17

10.2 Applications within the scope of other standards.................................................................................................17

11 Uncertainty analysis ......................................................................................................................................................................................17

Annex A (informative) Materials for construction of sensors .................................................................................................19

Annex B (informative) Practical considerations for measuring system with AC and DC excitation 22

Annex C (informative) Cathodic protection ................................................................................................................................................23

Annex D (informative) Conversion of nominal diameters from metric to US units ..........................................24

Annex E (informative) Manufacturers' accuracy specifications............................................................................................25

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................29

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ISO 20456:2017(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation on the 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 the following

URL: www.iso.org/iso/foreword.html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 30, Measurement of fluid flow in closed

conduits, Subcommittee SC 5, Velocity and mass methods.

This first edition of ISO 20456 cancels and replaces ISO 6817:1992, ISO 9104:1991 and ISO 13359:1998,

which has been technically revised.
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ISO 20456:2017(E)
Introduction

Clauses 3 to 7 cover the definitions, symbols and basic theory of electromagnetic flowmeters. This

document does not cover insertion type meters, partially filled meters or meters for non-conductive

and highly conductive fluids.

Clause 8 covers installation types and practice, the different types of meter construction, transmitters, lay

lengths and sizing, in order to achieve the best performance of the electromagnetic flowmeter in the field.

Clauses 9 to 11 cover some methods of calibration, verification, evaluation, and uncertainty analysis,

which can be useful for users or independent testing establishments to verify manufacturer’s relative

performance and to demonstrate suitability of application

The tests specified in this document are not necessarily sufficient for instruments specifically designed

for unusually difficult duties. Conversely, a restricted series of tests may be suitable for instruments

designed to perform within a limited range of conditions.
This document is for users and manufacturers.
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SIST ISO 20456:2019
INTERNATIONAL STANDARD ISO 20456:2017(E)
Measurement of fluid flow in closed conduits —
Guidance for the use of electromagnetic flowmeters for
conductive liquids
1 Scope

This document applies to industrial electromagnetic flowmeters used for the measurement of flowrate

of a conductive liquid in a closed conduit running full. It covers flowmeter types utilizing both

alternating current (AC) and pulsed direct current (DC) circuits to drive the field coils and meters

running from a mains power supply and those operating from batteries or other sources of power.

This document is not applicable to insertion-type flowmeters or electromagnetic flowmeters designed

to work in open channels or pipes running partially full, nor does it apply to the measurement of

magnetically permeable slurries or liquid metal applications.

This document does not specify safety requirements in relation to hazardous environmental usage of

the flowmeter.
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 terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— IEC Electropedia: available at http://www.electropedia.org/
— ISO Online browsing platform: available at http://www.iso.org/obp
3.1
electromagnetic flowmeter

flowmeter which creates a magnetic field perpendicular to the direction of flow, so enabling the

flowrate to be deduced from the induced voltage, U , produced by the motion of a conducting fluid

through the magnetic field

Note 1 to entry: The electromagnetic flowmeter consists of a sensor (3.2) and a transmitter (3.3).

3.2
sensor
device containing at least the following elements:

— an electrically insulating meter tube through which the conductive fluid to be measured flows;

— one pair of electrodes across which the signal generated in the fluid is measured;

— an electromagnet for producing a magnetic field in the meter tube (3.4)

Note 1 to entry: The sensor produces a signal proportional to the flowrate and, in some cases, a reference signal

(3.9). See 6.2.

Note 2 to entry: For a sensor, the wording primary device or flowtube has previously been used.

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ISO 20456:2017(E)

Note 3 to entry: In some cases, further electrodes are used such as grounding electrodes, full pipe detection

electrodes (empty pipe detection) (see 3.5).
3.3
transmitter

equipment which contains the circuitry which drives the field coils and extracts the flow signal

Note 1 to entry: This equipment may be mounted directly onto the sensor (3.2) or remotely, connected to the

sensor by a cable.

Note 2 to entry: For a transmitter, the wording secondary device, converter or electronic unit has previously

been used.
3.4
meter tube

pipe section of the sensor (3.2) through which the liquid flows, at least part of whose inner surface is

electrically insulating
3.5
measuring electrodes

one or more pairs of electrical contacts or capacitor plates by means of which the induced voltage is

detected
3.6
lower range value
lowest value of the measured variable that a device is set to measure
3.7
upper range value
highest value of the measured variable that a device is set to measure
3.8
span
difference between the upper and lower range values (3.6)
3.9
reference signal

signal which is proportional to the magnetic flux created in the sensor (3.2) and which is compared in

the transmitter (3.3) with the flow signal
3.10
output signal
signal from the transmitter (3.3) which is a function of the flowrate
3.11
Reynolds number

dimensionless parameter expressing the ratio between the inertial and the viscous forces

Note 1 to entry: For closed pipe flow through an electromagnetic flowmeter (3.1), Reynolds number should be

based on the nominal diameter of the meter and corresponding mean velocity through a section of that size.

3.12
accuracy

closeness of the agreement between the result of a measurement and the (conventional) true value of

the measurement

Note 1 to entry: The quantitative expression of accuracy should be in terms of uncertainty (see Annex E).

Note 2 to entry: The use of the term precision for accuracy should be avoided.
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ISO 20456:2017(E)
3.13
uncertainty

range within which the true value of the measured quantity can be expected to lie

with a specified value and confidence level
Note 1 to entry: See Clause 11.
3.14
calibration factor

number, determined by liquid calibration, that enables the output signal (3.10) to be related to the

volumetric flowrate
3.15
calibration

operation that, under specified conditions, in a first step, establishes a relation between the quantity

values with measurement uncertainties provided by measurement standards and corresponding

indications with associated measurement uncertainties and, in a second step, uses this information to

establish a relation for obtaining a measurement result from an indication
3.16
verification

means of verifying that an electromagnetic flowmeter (3.1) is operating

correctly, normally with a poorer uncertainty than under controlled laboratory conditions

3.17
calibration validation

number of runs (one or more) at flowrates between zero and the upper range value (3.7) in order to

verify that the flowmeter does perform in the expected way and within the manufacturer's specification

3.18
measuring window

period of time during which the voltage representing the flow velocity is measured

3.19
ideal flow conditions

conditions that exist when a pipe is infinitely long and straight with no internal disturbances

Note 1 to entry: For electromagnetic flowmeters (3.1), it may, in addition, also be assumed that the metering liquid

has a viscosity and density similar to water. Under these conditions, the flow is axisymmetric and will be fully

developed and turbulent at flowrates and pipe sizes most often found in industry.

4 Symbols
Symbol Quantity Units (SI)
magnetic field strength
Tesla (T)
mean magnetic field strength
Tesla (T)
d inside diameter of meter tube metres (m)
electric field strength volt per metre (V/m)
U electrochemical voltage volt (V)
U transformer voltage volt (V)
U velocity related voltage volt (V)
F Lorentz force newton (N)
Lorentz
k constant dimensionless (—)
k constant dimensionless (—)
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ISO 20456:2017(E)
Symbol Quantity Units (SI)
L distance between measuring electrodes metres (m)
q volumetric flowrate of the liquid cubic meters per second (m /s)
mean axial liquid velocity
metres per second (m/s)
Nabla or Del operator
dimensionless (—)

See Annex D for a conversion table of nominal diameters from metric to US units.

5 Theory and basic formulae

When a conductive liquid moves through a magnetic field, voltage(s), U , are generated in accordance

with Faraday’s law (see Formula 2). The strength of the induced voltages is given by the simplified

expression shown in Formula (1):
 
Fq=+Ev×B =0 (1)
Lorentz
 
Ev=− ×=BU∇ ;
∇ Uv=− ×B
Spatial integration of Formula (1) results in Formula (2):
Uk= BL v (2)
v 1e
The volume flowrate in the case of a circular pipe is given in Formula (3):
q= v (3)
Which, combined with Formula (2), gives Formula (4):
πd  
q= (4)
 
4kL
 
1 e
Or Formula (5):
qk= U (5)
2 v

Formula (5) may be interpreted in various ways to produce a calibration factor which in practice is

usually determined by wet calibration, as described in 9.1.
6 Construction and principle of operation
6.1 General

As indicated schematically in Figure 1, the magnetic field is so placed with respect to a lined meter

tube that the path of the conductive liquid, flowing in the meter tube, is normal to the magnetic field.

In accordance with Faraday’s law, motion of the liquid through the magnetic field induces a voltage,

U , in the liquid in a path mutually normal both to the field and the direction of liquid motion. By

placing electrodes which contact the liquid in insulated mountings or by using insulated electrodes

with capacitance-type coupling in the meter tube in a diametrical plane normal to the magnetic field, a

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ISO 20456:2017(E)

voltage proportional to the flow velocity is produced which can be processed by a transmitter. Meters

based on this principle are capable of measuring flow in either direction through the meter tube.

Key
1 coil system
2 lined meter tube
3 measuring electrodes
B magnetic flux density
L distance between measuring electrodes
U flow signal (velocity related voltage)
mean axial liquid velocity
Figure 1 — Principle of Faraday's law

The electromagnetic flowmeter consists of a sensor through which the process liquid flows and

a transmitter which converts the flow signal generated by the sensor into a standardized signal for

suitable acceptance by industrial instrumentation (see, for example, IEC 60381-1 and IEC 60381-2).

The system produces an output signal proportional to volume flowrate (or average velocity). Its

application is generally limited only by the requirement that the metered liquid shall be electrically

conductive.

The sensor and transmitter can be separate, linked by one or more electrical cables, or integrated with

the transmitter directly joined to the sensor.
6.2 Sensor

Figure 2 shows an exploded drawing of an industrial version of a sensor with an integrated transmitter.

The principal components of the sensor are as follows.

a) The meter tube is the pipe section of the sensor through which the liquid flows. For a meter

with field coils mounted outside the meter tube, this would be constructed from a non-magnetic

material. On a design where the field coils are inside the meter tube, it may be made of a magnetic

material.

b) An insulating liner which electrically insulates the measuring electrodes from the meter tube

preventing the induced U from short circuiting through the meter tube. The liner may be concentric

with the pipe or be profiled to provide a specific cross-section at the plane of the measuring

electrodes; if the meter tube is non-conductive, then a liner is not mandatory.
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ISO 20456:2017(E)

c) The field coils produce the magnetic field. The most common configuration is to have two field coils

mounted diametrically opposite to each other, though single field coil designs are available. Field

coils may be mounted on the outside of the meter tube or within the meter tube isolated from the

fluid. The field coils can be either:
— excited by sinusoidal alternating current (AC), as described in 6.3.4, or

— excited by direct current. In this case, it is usual to use a pulsed direct current (DC) as described

further in 6.3.3;

d) The measuring electrodes which detect the induced U . These normally comprise two metallic

contacts diametrically opposite to each other standing slightly out from the liner which are in

direct contact with the fluid. In some designs for harsh applications, capacitive electrodes may be

used which are not in direct contact with the fluid.

The sensor may also contain a reference or ground electrode to provide a reference value for the

measured U , and/or an empty pipe detection electrode which triggers an alarm when not in contact

with the fluid.

The materials for the lining and for the electrodes shall be selected depending on the liquid to be

measured (see Annex A).

The sensor is usually connected to the piping by means of flanges; however, measuring devices

with flangeless versions and other process connections are also available. The process fluid shall be

electrically connected to the body of the flowmeter by means of a grounding electrode or electrically

conductive and unlined adjacent pipework or grounding (potential equalizing) rings; see 8.1.3.

Key
1 field coils
2 coil housing
3 lined meter tube
4 measuring electrodes
5 power supply
A transmitter
B sensor
Figure 2 — Elements of an industrial electromagnetic flowmeter
NOTE The sensor can have a non-circular cross-section.
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ISO 20456:2017(E)
6.3 Transmitter
6.3.1 General
The transmitter carries out the following functions:
a) provides the current to drive the field coils;

b) amplifies and processes the measuring electrode signal in order to derive a signal proportional to

the flowrate;

c) reduces various noise signals, e.g. fluid noise, electrical noise and common mode noise;

d) provides means of compensating for supply voltage and frequency variations where necessary;

e) provides the various outputs specified by the user or incorporated in the meter. These may include

a visual display and/or electronic outputs of the flowrate, alarm functions, totalised values and

diagnostics;

f) provides an interface for the user to configure the meter using buttons, touchpad or connections to

a PC or other device;
g) may provide an interface to a network.
Instruments may include additional circuitry to perform self-verification.

The transmitter may be mounted directly onto the sensor or remotely, connected to the sensor by a cable.

6.3.2 Alternating magnetic field in the measuring system

Electromagnetic flowmeters use an alternating magnetic field to avoid any voltages which may interfere

with the measurement of flow.

In addition to the flow related voltage, U , described in Clause 5, two other source voltages exist in

electromagnetic flowmeters. These are the electrochemical voltage, U , and the voltage created by

changes in the magnetic field, the transformer voltage, U . Both of these voltages may have a similar or

larger magnitude than U .
Further details may be found in Annex B.
6.3.3 Measuring system with applied pulsed DC excitation (simplified model)

In measuring systems with applied pulsed DC excitation, the magnetic field polarity is alternately

reversed. During each magnetic field polarity cycle, the electrode voltage is measured once the

magnetic field is considered to be constant. This period is called the measuring window (see Figure 3).

This measured voltage is a sum of both U and U .
c v

The difference between minimum and maximum value of the measured voltage, U , is proportional to

the flow velocity in the meter tube (see Figure 3).
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ISO 20456:2017(E)
Key
measuring window
Figure 3 — Principle of pulsed DC system (simplified model)
6.3.4 Measuring system with applied AC excitation (simplified model)

In AC excitation, line voltage (typically 115 V or 230 V at 50 Hz or 60 Hz) is applied directly to the field

coils or is supplied by the transmitter. This voltage generates a magnetic field in the sensor that varies

in strength with the amplitude of the applied voltage. The variation follows the pattern of a sine wave

(see Figure 4). This mean
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 20456
Première édition
2017-09
Mesurage du débit des fluides
dans les conduites fermées —
Recommandations pour l'utilisation
des débitmètres électromagnétiques
dans les liquides conducteurs
Measurement of fluid flow in closed conduits — Guidance for the use
of electromagnetic flowmeters for conductive liquids
Numéro de référence
ISO 20456:2017(F)
ISO 2017
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ISO 20456:2017(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2017

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,

y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut

être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

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Publié en Suisse
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ISO 20456:2017(F)
Sommaire Page

Avant-propos ................................................................................................................................................................................................................................v

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

1 Domaine d'application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Symboles ....................................................................................................................................................................................................................... 3

5 Théorie et formules de base ..................................................................................................................................................................... 4

6 Conception et principe de fonctionnement .............................................................................................................................. 4

6.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 4

6.2 Capteur .......................................................................................................................................................................................................... 5

6.3 Transmetteur ............................................................................................................................................................................................ 7

6.3.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 7

6.3.2 Champ magnétique alternatif dans le système de mesure .......................................................... 8

6.3.3 Système de mesure avec excitation par CC pulsé appliqué (modèle simplifié) ......... 8

6.3.4 Système de mesure avec excitation par CA appliqué (modèle simplifié) ....................... 8

6.4 Signal de sortie du débitmètre/du transmetteur ...................................................................................................... 9

7 Marquage de l’équipement .....................................................................................................................................................................10

7.1 Données recommandées .............................................................................................................................................................10

7.1.1 Capteur ..................................................................................................................................................................................10

7.1.2 Transmetteur ...................................................................................................................................................................10

8 Conception de l’installation et mise en œuvre ...................................................................................................................10

8.1 Capteur .......................................................................................................................................................................................................10

8.1.1 Dimensionnement .......................................................................................................................................................10

8.1.2 Conditions de montage ........................................................................................................................................... .11

8.1.3 Égalisation des potentiels — Exigences générales ..........................................................................12

8.1.4 Connexions électriques ...........................................................................................................................................13

8.1.5 Montage du capteur ...................................................................................................................................................14

8.1.6 Dimensions d’installation des raccords à brides ..............................................................................15

8.2 Emplacement du transmetteur ..............................................................................................................................................16

8.3 Considérations fonctionnelles ................................................................................................................................................16

8.3.1 Généralités .........................................................................................................................................................................16

8.3.2 Influence de la conductivité du liquide .....................................................................................................17

8.3.3 Influence du nombre de Reynolds .................................................................................................................17

8.3.4 Influence du profil des vitesses ........................................................................................................................17

9 Étalonnage, validation et vérification du débitmètre .................................................................................................17

9.1 Étalonnage du débitmètre ..........................................................................................................................................................17

9.2 Vérification du débitmètre (vérification électronique in situ) ...................................................................17

10 Évaluation des performances du débitmètre ......................................................................................................................18

10.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................18

10.2 Applications dans le domaine d’application d’autres normes ....................................................................18

11 Analyse d'incertitude ....................................................................................................................................................................................18

Annexe A (informative) Matériaux de fabrication des capteurs ...........................................................................................20

Annexe B (informative) Considérations pratiques applicables au système de mesure avec

excitation par CA et CC .................................................................................................................................................................................23

Annexe C (informative) Protection cathodique ......................................................................................................................................25

Annexe D (informative) Conversion des diamètres nominaux des unités métriques en

unités américaines ..........................................................................................................................................................................................27

© ISO 2017 – Tous droits réservés iii
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ISO 20456:2017(F)

Annexe E (informative) Spécifications d’exactitude du fabricant .......................................................................................28

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................32

iv © ISO 2017 – Tous droits réservés
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ISO 20456:2017(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 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/ foreword .html.

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 30, Mesure de débit des fluides dans

les conduites fermées, sous-comité SC 5, Méthodes de vitesse et massiques.

Cette première édition de l’ISO 20456 annule et remplace l’ISO 6817:1992, l’ISO 9104:1991 et

l’ISO 13359:1998, qui ont fait l’objet d’une révision technique.
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ISO 20456:2017(F)
Introduction

Les Articles 3 à 7 couvrent les définitions, les symboles et la théorie de base des débitmètres

électromagnétiques. Le présent document ne traite pas des débitmètres à insertion, des débitmètres

partiellement remplis ou des débitmètres pour liquides non conducteurs et hautement conducteurs.

L’Article 8 concerne les types et les méthodes d’installation, les différents types de conception

des débitmètres, les transmetteurs, les longueurs et le dimensionnement du pas, afin d’obtenir les

meilleures performances du débitmètre électromagnétique sur site.

Les Articles 9 à 11 couvrent certaines méthodes d’étalonnage, de vérification, d’évaluation et d’analyse

de l’incertitude, qui peuvent être utiles aux utilisateurs d’organismes d’essai indépendants, pour vérifier

la performance relative du fabricant et pour démontrer l’aptitude de l’application.

Les essais spécifiés dans le présent document ne sont pas nécessairement suffisants pour les

instruments spécialement conçus pour des tâches particulièrement complexes. Inversement, une série

d’essais limitée peut convenir aux instruments conçus pour fonctionner dans une gamme de conditions

limitée.
Le présent document est destiné aux utilisateurs et aux fabricants.
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NORME INTERNATIONALE ISO 20456:2017(F)
Mesurage du débit des fluides dans les conduites
fermées — Recommandations pour l'utilisation des
débitmètres électromagnétiques dans les liquides
conducteurs
1 Domaine d'application

Le présent document s’applique aux débitmètres électromagnétiques industriels utilisés pour mesurer

le débit d’un liquide conducteur dans une conduite fermée remplie. Il traite des types de débitmètres

utilisant à la fois des circuits à courant alternatif (CA) et à courant continu (CC) pulsé pour entraîner les

bobines de champs et les débitmètres branchés sur secteur ainsi que ceux fonctionnant sur batteries ou

d’autres sources d’énergie.

Le présent document n’est pas applicable aux débitmètres à insertion ou aux débitmètres

électromagnétiques conçus pour fonctionner dans des canalisations ou des conduites ouvertes

partiellement remplies, ni au mesurage de pâtes magnétiquement perméables ou aux applications de

métal liquide.

Le présent document ne spécifie aucune exigence de sécurité applicable à l’utilisation environnementale

dangereuse du débitmètre.
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 http:// www .electropedia .org/
3.1
débitmètre électromagnétique

appareil créant un champ magnétique normal au sens de l’écoulement et permettant de déduire le débit

à partir de la tension induite, U , produite par le déplacement d’un liquide conducteur dans le champ

magnétique

Note 1 à l'article: Le débitmètre électromagnétique comprend un capteur (3.2) et un transmetteur (3.3).

3.2
capteur
dispositif contenant au moins les éléments suivants:

— un tube de mesure isolé électriquement à travers lequel s’écoule le liquide conducteur à mesurer;

— une paire d’électrodes servant à mesurer le signal généré dans le liquide;

— un électroaimant servant à produire un champ magnétique dans le tube de mesure (3.4).

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Note 1 à l'article: Le capteur produit un signal proportionnel au débit et, dans certains cas, un signal de référence

(3.9). Voir 6.2.

Note 2 à l'article: Pour un capteur, le terme «élément primaire» ou «tube de circulation» a été précédemment

utilisé.

Note 3 à l'article: Dans certains cas, d’autres électrodes sont utilisées, par exemple des électrodes de terre, des

électrodes de détection de conduite pleine (détection de conduite vide) (voir 3.5).

3.3
transmetteur

appareil contenant les circuits qui entraînent les bobines de champ et extraient le signal de débit

Note 1 à l'article: Cet appareil peut être monté directement sur le capteur (3.2) ou à distance, raccordé au capteur

par un câble.

Note 2 à l'article: Pour un transmetteur, le terme «élément secondaire», «convertisseur» ou «unité électronique»

a été précédemment utilisé.
3.4
tube de mesure

tronçon tubulaire du capteur (3.2) à travers lequel s’écoule le liquide, dont au moins une partie de sa

surface intérieure est isolée électriquement
3.5
électrodes de mesure

paire(s) de contacts électriques ou de plaques de condensateur permettant de détecter la tension induite

3.6
limite inférieure
valeur minimale de la variable mesurée qu’un dispositif peut mesurer
3.7
limite supérieure
valeur maximale de la variable mesurée qu’un dispositif peut mesurer
3.8
plage de mesure
différence entre la limite supérieure et la limite inférieure (3.6)
3.9
signal de référence

signal proportionnel au flux magnétique créé dans le capteur (3.2) et qui est comparé, dans le

transmetteur (3.3), au signal de débit
3.10
signal de sortie
signal délivré par le transmetteur (3.3), qui est proportionnel au débit
3.11
nombre de Reynolds

paramètre sans dimension exprimant le rapport entre force d’inertie et force de viscosité

Note 1 à l'article: Pour l’écoulement en conduite fermée à travers un débitmètre électromagnétique (3.1), il

convient que le nombre de Reynolds repose sur le diamètre nominal du débitmètre et sur la vitesse moyenne

correspondante à travers un tronçon de cette dimension.
3.12
exactitude

étroitesse de l'accord entre le résultat d'un mesurage et la valeur vraie (conventionnelle) du mesurage

Note 1 à l'article: Il convient d’exprimer l’expression quantitative de l’exactitude en termes d’incertitude (voir

Annexe E).
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Note 2 à l'article: Il convient d’éviter l’utilisation du terme «précision» pour désigner l’exactitude.

3.13
incertitude

plage dans laquelle la valeur vraie de la grandeur mesurée est censée se situer avec une

valeur et un niveau de confiance spécifiés
Note 1 à l'article: Voir l’Article 11.
3.14
facteur d’étalonnage

nombre, déterminé par l’étalonnage du liquide, permettant d’associer le signal de sortie (3.10) au débit

volumétrique
3.15
étalonnage

opération qui permet, dans des conditions spécifiées, dans un premier temps, d’établir un lien entre les

grandeurs associées aux incertitudes de mesure fournies par les étalons de mesure, et les indications

correspondantes associées aux incertitudes de mesure et, dans un deuxième temps, d'utiliser ces

informations pour établir un lien afin d'obtenir un résultat de mesure à partir d’une indication

3.16
vérification

moyen permettant de vérifier qu’un débitmètre électromagnétique

(3.1) fonctionne correctement, normalement avec une moins bonne incertitude que dans des conditions

de laboratoire contrôlées
3.17
validation de l’étalonnage

nombre de séquences (une ou plusieurs) à des débits compris entre zéro et la limite supérieure (3.7) afin

de vérifier que le débitmètre fonctionne normalement et conformément aux spécifications du fabricant

3.18
fenêtre de mesure

période de temps pendant laquelle la tension représentant la vitesse d’écoulement est mesurée

3.19
conditions de débit idéales

conditions prévalant lorsqu’une conduite est de longueur infinie et droite sans perturbations internes

Note 1 à l'article: Pour les débitmètres électromagnétiques (3.1), on peut également supposer que le liquide mesuré

a une viscosité et une densité similaires à celles de l’eau. Dans ces conditions, l’écoulement est asymétrique et sera

pleinement développé et turbulent aves les débits et les dimensions de conduite les plus courants du domaine.

4 Symboles
Symbole Grandeur Unités (SI)
intensité du champ magnétique
Tesla (T)
intensité moyenne du champ magnétique Tesla (T)
d diamètre intérieur du tube de mesure mètres (m)
intensité du champ électrique volts par mètre (V/m)
U tension électrochimique volts (V)
U tension du transformateur volts (V)
U tension liée à la vitesse volts (V)
F force de Lorentz newtons (N)
Lorentz
k constante sans dimension (—)
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Symbole Grandeur Unités (SI)
k constante sans dimension (—)
L écartement des électrodes de mesure mètres (m)
q débit-volume du liquide mètres cubes par seconde (m /s)
vitesse débitante moyenne du liquide mètres par seconde (m/s)
∇ opérateur Nabla ou Del sans dimension (—)

Voir l’Annexe D pour une table de conversion des unités métriques en unités américaines des diamètres

nominaux.
5 Théorie et formules de base

Lorsqu’un liquide conducteur s’écoule dans un champ magnétique, une ou des tension(s), U , sont

générées conformément à la loi de Faraday [voir Formule (2)]. L’intensité des tensions induites est

donnée par l’expression simplifiée indiquée dans la Formule (1):
 
Fq=+Ev×B = 0 (1)
Lorentz
 
Ev=− ×=BU∇ ;
∇ Uv=− ×B
L’intégration spatiale de la Formule (1) donne lieu à la Formule (2):
Uk= BL v (2)
ve1

Dans le cas d’une conduite circulaire, le débit-volume est donné dans la Formule (3):

q= v (3)
qui, combinée à la Formule (2), donne lieu à la Formule (4):
πd U
 
q = (4)
 
4kL B
 
1 e
ou à la Formule (5):
qk= U (5)
2 v

La Formule (5) peut être interprétée de différentes manières pour produire un facteur d’étalonnage

qui, en pratique, est généralement déterminé par l’étalonnage par voie humide, comme décrit en 9.1.

6 Conception et principe de fonctionnement
6.1 Généralités

Comme indiqué sur le schéma de la Figure 1, le champ magnétique est placé par rapport à un tube de

mesure revêtu de sorte que le trajet du liquide conducteur circulant dans le tube de mesure est normal

au champ magnétique. Conformément à la loi de Faraday, le déplacement du liquide dans le champ

magnétique induit une tension U , dans le liquide, dans un trajet mutuellement normal à la fois au

champ et au sens de déplacement du liquide. Le fait de placer des électrodes en contact avec le liquide

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dans des montages isolés ou d’utiliser des électrodes isolées à couplage capacitif dans le tube de mesure

selon un plan diamétral normal au champ magnétique, produit une tension proportionnelle à la vitesse

d’écoulement qui peut être traitée par un transmetteur. Les débitmètres reposant sur ce principe

peuvent mesurer le débit dans n’importe quelle direction dans le tube de mesure.
Légende
1 système de bobines
2 tube de mesure revêtu
3 électrodes de mesure
B densité de flux magnétique
L écartement des électrodes de mesure
U signal de débit (tension liée à la vitesse)
vitesse débitante moyenne du liquide
Figure 1 — Principe de la loi de Faraday

Le débitmètre électromagnétique comprend un capteur à travers lequel s’écoule le liquide process, ainsi

qu’un transmetteur qui convertit le signal de débit produit par le capteur en un signal normalisé pour

être accepté par les instruments industriels (voir, par exemple, l’IEC 60381-1 et l’IEC 60381-2).

Le système produit un signal de sortie proportionnel au débit-volume (ou à la vitesse moyenne).

Généralement, son application est uniquement limitée par l’exigence de conductivité électrique du

liquide de mesure.

Le capteur et le transmetteur peuvent être séparés, liés par un ou plusieurs câbles électriques ou

intégrés au transmetteur directement raccordé au capteur.
6.2 Capteur

La Figure 2 est une vue éclatée d’un modèle industriel de capteur doté d’un transmetteur intégré. Les

principaux composants du capteur sont les suivants.

a) Le tube de mesure est le tronçon tubulaire du capteur à travers lequel s’écoule le liquide. Pour

un débitmètre dont les bobines de champ sont montées à l’extérieur du tube de mesure, il doit

être fabriqué dans un matériau non magnétique. Sur un modèle où les bobines de champ sont à

l’intérieur du tube de mesure, il peut être fabriqué dans un matériau magnétique.

b) Un revêtement isolant qui isole électriquement les électrodes de mesure du tube de mesure, ce

qui empêche la tension induite U de court-circuiter le tube de mesure. Le revêtement peut être

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concentrique par rapport à la conduite ou être profilé de façon à fournir une section transversale

spécifique au niveau du plan des électrodes de mesure; si le débitmètre n’est pas conducteur, alors

il n’est pas obligatoire d’utiliser un revêtement.

c) Les bobines de champ produisent le champ magnétique. La configuration la plus courante consiste

en deux bobines de champ montées diamétralement opposées l’une par rapport à l’autre, même

s’il existe des modèles à une seule bobine de champ. Les bobines de champ peuvent être montées

à l’extérieur du tube de mesure ou à l’intérieur du tube de mesure isolé du liquide. Les bobines de

champ peuvent être:
— excitées par un courant alternatif (CA) sinusoïdal, comme décrit en 6.3.4, ou

— excitées par un courant continu. Dans ce cas, il est courant d’utiliser un courant continu (CC)

pulsé comme décrit en 6.3.3.

d) Les électrodes de mesure qui détectent la tension U induite. Normalement, elles comprennent

des contacts métalliques diamétralement opposés les uns aux autres et positionnés légèrement en

dehors du revêtement, en contact direct avec le liquide. Dans certains modèles conçus pour des

applications complexes, des électrodes capacitives qui ne sont pas en contact direct avec le liquide

peuvent être utilisées.

Le capteur peut également contenir une électrode de référence ou de terre pour fournir une valeur de

référence pour la tension U mesurée, et/ou une électrode de détection de conduite vide qui déclenche

une alarme lorsqu’elle n’est pas en contact avec le liquide.

Les matériaux utilisés pour le revêtement et pour les électrodes doivent être choisis en fonction du

liquide à mesurer (voir Annexe A).

Généralement, le capteur est raccordé à la conduite à l’aide de brides; cependant, il existe également

des modèles sans brides et d’autres raccords de process. Le liquide de process doit être électriquement

raccordé au corps du débitmètre à l’aide d’une électrode de terre, d’une conduite adjacente

électriquement conductrice et non revêtue ou de bagues de mise à la terre (égalisation des potentiels);

voir 8.1.3.
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Légende
1 bobines de champ
2 logement de bobine
3 tube de mesure revêtu
4 électrodes de mesure
5 alimentation électrique
A transmetteur
B capteur
Figure 2 — Éléments d’un débitmètre électromagnétique industriels
NOTE Le capteur peut avoir une section transversale non circulaire.
6.3 Transmetteur
6.3.1 Généralités
Le transmetteur exerce les fonctions suivantes:
a) il fournit le courant pour entraîner les bobines de champ;

b) il amplifie et traite le signal de l’électrode de mesure afin d’obtenir un signal proportionnel au débit;

c) il réduit les différents signaux de bruit, par exemple le bruit du liquide, le bruit électrique et le bruit

de mode commun;

d) il fournit un moyen de compensation des variations de tension d’alimentation et de fréquence

lorsque cela est nécessaire;

e) il fournit les différents signaux de sortie spécifiés par l’utilisateur ou incorporés dans le débitmètre.

Celles-ci peuvent comprendre un affichage visuel et/ou des signaux de sortie électroniques du

débit, des fonctions d’alarme, des valeurs totalisées et du diagnostic;

f) il fournit une interface permettant à l’utilisateur de configurer le débitmètre à l’aide de boutons,

d’un clavier ou des connexions à un PC ou à un autre dispositif;
g) il peut fournir une interface réseau.

Les instruments peuvent comprendre d’autres circuits permettant d’effectuer une auto-vérification.

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ISO 20456:2017(F)

Le transmetteur peut être monté directement sur le capteur ou à distance, raccordé au capteur par

un câble.
6.3.2 Champ magnétique alternatif dans le système de mesure

Les débitmètres électromagnétiques utilisent un champ magnétique alternatif qui permet d’empêcher

les tensions susceptibles d’interférer avec le mesurage du débit.

En plus de la tension liée au débit, U , décrite à l’Article 5, il existe deux autres tensions de source dans

les débitmètres électromagnétiques. Il s’agit de la tension électrochimique, U , et de la tension créée par

les variations d
...

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