ISO 5167-1:2022
(Main)Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full — Part 1: General principles and requirements
Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full — Part 1: General principles and requirements
This document defines terms and symbols and establishes the general principles for methods of measurement and computation of the flow rate of fluid flowing in a conduit by means of pressure differential devices (orifice plates, nozzles, Venturi tubes, cone meters, and wedge meters) when they are inserted into a circular cross-section conduit running full. This document also specifies the general requirements for methods of measurement, installation and determination of the uncertainty of the measurement of flow rate. ISO 5167 (all parts) is applicable only to flow that remains subsonic throughout the measuring section and where the fluid can be considered as single-phase. It is not applicable to the measurement of pulsating flow.
Mesurage 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
Le présent document définit des termes et symboles et établit les principes généraux pour le mesurage et le calcul du débit des fluides dans une conduite au moyen d’appareils déprimogènes (diaphragmes, tuyères, tubes de Venturi, cônes de mesure et débitmètres à coin) insérés dans des conduites en charge de section circulaire. Le présent document spécifie aussi les exigences générales en ce qui concerne les méthodes de mesure, l’installation des appareils et la détermination de l’incertitude de la mesure de débit. L’ISO 5167 (toutes les parties) est applicable uniquement à un écoulement qui reste subsonique dans tout le tronçon de mesurage et où le fluide peut être considéré comme monophasique. Elle n’est pas applicable au mesurage d’un écoulement pulsé.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 5167-1
Third edition
2022-06
Measurement of fluid flow by means of
pressure differential devices inserted
in circular cross-section conduits
running full —
Part 1:
General principles and requirements
Mesurage 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
Reference number
© ISO 2022
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on
the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below
or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Email: copyright@iso.org
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .v
Introduction . vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
3.1 Pressure measurement . 2
3.2 Primary devices . . 2
3.3 Flow . 3
4 Symbols and subscripts . 6
4.1 Symbols . 6
5 Principle of the method of measurement and computation . 7
5.1 Principle of the method of measurement . 7
5.2 Method of determination of the required diameter ratio for the selected standard
primary device . 8
5.3 Computation of flow rate . . 8
5.4 Determination of density, pressure and temperature . 8
5.4.1 General . 8
5.4.2 Density . 9
5.4.3 Static pressure . 9
5.4.4 Temperature . 9
5.5 Differential pressure flow measurement system . 10
5.5.1 General . 10
5.5.2 Primary device . 11
5.5.3 Impulse lines and transmitters .12
5.5.4 Impulse line isolation valves and valve manifolds .12
5.5.5 Flow computer . .12
5.6 Differential pressure flow measurement system design considerations .12
5.6.1 Flow rate turndown and stacked transmitters .12
5.6.2 Meter calibration .12
5.6.3 Permanent pressure loss . 13
5.6.4 Diagnostics and meter verification . 14
5.6.5 Overall uncertainty of differential pressure metering system . 14
6 General requirements for the measurements .14
6.1 Primary device . 14
6.2 Nature of the fluid. 15
6.3 Flow conditions . 15
7 Installation requirements .15
7.1 General . 15
7.2 Minimum upstream and downstream straight lengths . 17
7.3 General requirement for flow conditions at the primary device . 17
7.3.1 Requirement . 17
7.3.2 Swirl-free conditions . 17
7.3.3 Good velocity profile conditions . 17
7.4 Flow conditioners . 17
7.4.1 Compliance testing . 17
7.4.2 Specific test .20
8 Uncertainties on the measurement of flow rate .20
8.1 General . 20
8.2 Definition of uncertainty .20
8.3 Practical computation of the uncertainty . 21
8.3.1 Component uncertainties . 21
iii
8.3.2 Practical working formula . 21
Annex A (informative) Iterative computations .24
Annex B (informative) Examples of values of the pipe wall uniform equivalent roughness, k .26
a
Annex C (informative) Flow conditioners and flow straighteners .27
Annex D (informative) Differential pressure transmitters, flow range and turndown .29
Annex E (informative) Example of uncertainty calculation for a differential pressure device .36
Annex F (informative) Permanent pressure loss example .40
Bibliography .42
iv
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to
the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see
www.iso.org/iso/foreword.html.
ISO 5167-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 30, Measurement of fluid flow in closed conduits,
Subcommittee SC 2, Pressure differential devices, in collaboration with the European Committee for
Standardization (CEN) Technical Committee CEN/SS F05, Measuring instruments, in accordance with
the Agreement on technical cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).
This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 5167-1:2003), which has been technically
revised
The main changes are as follows:
— improved consistency between ISO 5167-1 to ISO 5167-6 (some items that were new in ISO 5167-5
and ISO 5167-6 have been moved to this document);
— a primary element has been set as part of a differential pressure metering system;
— a short section on diagnostics and CBM (Condition Based Monitoring) has been included;
— a limitation on the use of the 5 % 2° rule for an acceptable profile has been noted;
— improved text about uncertainty calculation and an example in Annex E has been provided;
— annexes on turndown and permanent pressure loss have been included.
A list of all parts in the ISO 5167 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
v
Introduction
ISO 5167, consisting of six parts, covers the geometry and method of use (installation and operating
conditions) of orifice plates, nozzles, Venturi tubes, cone meters and wedge meters when they are
inserted in a conduit running full to determine the flow rate of the fluid flowing in the conduit. It also
gives necessary information for calculating the flow rate and its associated uncertainty.
ISO 5167 (all parts) is applicable only to pressure differential devices in which the flow remains
subsonic throughout the measuring section and where the fluid can be considered as single-phase, but
is not applicable to the measurement of pulsating flow. Furthermore, each of these devices can only be
used uncalibrated within specified limits of pipe size and Reynolds number, or alternatively they can be
used across their calibrated range.
ISO 5167 (all parts) deals with devices for which direct calibration experiments have been made,
sufficient in number, spread and quality to enable coherent systems of application to be based on
their results and coefficients to be given with certain predictable limits of uncertainty. ISO 5167 also
provides methodology for bespoke calibration of differential pressure meters.
The devices introduced into the pipe are called primary devices. The term primary device also includes
the pressure tappings. All other instruments or devices required to facilitate the instrument readings
are known as secondary devices, and the flow computer that receives these readings and performs
the algorithms is known as a tertiary device. ISO 5167 covers primary devices; secondary devices (see
ISO 2186) and tertiary devices will be mentioned only occasionally.
Aspects of safety are not dealt with in ISO 5167-1 to ISO 5167-6. It is the responsibility of the user to
ensure that the system meets applicable safety regulations.
Additional documents that may provide assistance include:
— ISO/TR 3313;
— ISO/TR 9464;
— ISO/TR 12767;
— ISO/TR 15377.
vi
INTERNATIONAL STANDARD ISO 5167-1:2022(E)
Measurement of fluid flow by means of pressure
differential devices inserted in circular cross-section
conduits running full —
Part 1:
General principles and requirements
1 Scope
This document defines terms and symbols and establishes the general principles for methods of
measurement and computation of the flow rate of fluid flowing in a conduit by means of pressure
differential devices (orifice plates, nozzles, Venturi tubes, cone meters, and wedge meters) when they
are inserted into a circular cross-section conduit running full. This document also specifies the general
requirements for methods of measurement, installation and determination of the uncertainty of the
measurement of flow rate.
ISO 5167 (all parts) is applicable only to flow that remains subsonic throughout the measuring section
and where the fluid can be considered as single-phase. It is not applicable to the measurement of
pulsating flow.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements 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 4006, Measurement of fluid flow in closed conduits — Vocabulary and symbols
ISO 5167 (all parts), Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular
cross-section conduits running full
ISO 5168, Measurement of fluid flow — Procedures for the evaluation of uncertainties
ISO/IEC Guide 98-3, Uncertainty of measurement — Part 3: Guide to the expression of uncertainty in
measurement (GUM: 1995)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms, definitions and symbols given in ISO 4006 and the
following apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1 Pressure measurement
3.1.1
wall pressure tapping
annular slot or circular hole drilled in the wall of a conduit in such a way that the edge of the hole is
flush with the internal surface of the conduit
Note 1 to entry: The pressure tapping is usually a circular hole but in certain cases may be an annular slot.
3.1.2
static pressure
p
pressure which can be measured by connecting a pressure-measuring device to a wall pressure tapping
(3.1.1)
Note 1 to entry: Only the value of the absolute static pressure is considered in ISO 5167 (all parts).
3.1.3
differential pressure
DP
Δp
difference between the (static) pressures measured at the wall pressure tappings, one of which is on
the upstream side and the other of which is on the downstream side of a primary device [or in the
throat for a throat-tapped nozzle, a Venturi nozzle (3.2.4) or a Venturi tube (3.2.5)], inserted in a straight
pipe through which flow occurs, when any difference in height between the upstream and downstream
tappings has been taken into account
Note 1 to entry: In ISO 5167 (all parts) the term “differential pressure” is used only if the pressure tappings are in
the positions specified for each standard primary device.
3.1.4
pressure ratio
τ
ratio of the absolute (static) pressure at the downstream pressure tapping to the absolute (static)
pressure at the upstream pressure tapping
3.1.5
vena contracta
location in a fluid stream where the diameter of the stream is smallest
3.2 Primary devices
3.2.1
orifice
throat opening of minimum cross-sectional area of a primary device
3.2.2
orifice plate
thin plate in which a circular opening has been machined
Note 1 to entry: Standard orifice plates are described as “thin plate” and “with sharp square edge”, because the
thickness of the plate is small compared with the diameter of the measuring section and because the upstream
edge of the orifice (3.2.1) is sharp and square.
3.2.3
nozzle
device which consists of a convergent inlet connected to a cylindrical section generally called the
“throat”
3.2.4
Venturi nozzle
device which consists of a convergent inlet which is a standardized ISA 1932 nozzle connected to a
cylindrical part called the “throat”, which is itself connected to an expanding section called the
“divergent” which is conical
3.2.5
Venturi tube
device which consists of a convergent inlet which is conical connected to a cylindrical part called the
“throat”, which is itself connected to an expanding section called the “divergent” which is conical
3.2.6
cone meter
device which consists of a cone-shaped restriction held in the centre of the pipe with the nose of the
cone upstream
3.2.7
wedge meter
device which consists of a wedge-shaped restriction
3.2.8
diameter ratio
β
square root of the ratio of the area of the throat of the
primary device to the internal area of the measuring pipe upstream of the primary device
Note 1 to entry: In ISO 5167-2 and ISO 5167-3 the diameter ratio is the ratio of the diameter of the throat of the
primary device to the internal diameter of the measuring pipe upstream of the primary device.
Note 2 to entry: In ISO 5167-4, where the primary device has a cylindrical section upstream, having the same
diameter as that of the pipe, the diameter ratio is the ratio of the throat diameter to the diameter of this cylindrical
section at the plane of the upstream pressure tappings.
3.2.9
carrier ring
device which is used to hold the primary element in the centre of the pipe and may incorporate the
pressure tappings
3.3 Flow
3.3.1
flow rate
rate of flow
q
mass or volume of fluid passing through the primary device per unit time
3.3.1.1
mass flow rate
rate of mass flow
q
m
mass of fluid passing through the primary device per unit time
3.3.1.2
volume flow rate
rate of volume flow
q
V
volume of fluid passing through the primary device per unit time
Note 1 to entry: In the case of volume flow rate, it is necessary to state the pressure and temperature at which the
volume is referenced.
3.3.2
Reynolds number
Re
dimensionless parameter expressing the ratio between the inertia and viscous forces
3.3.2.1
pipe Reynolds number
Re
D
dimensionless parameter expressing the ratio between the inertia and viscous forces in the upstream
pipe
VD 4q
1 m
Re ==
D
νμπ D
3.3.2.2
throat Reynolds number
Re
d
dimensionless parameter expressing the ratio between the inertia and viscous forces in the orifice or
throat of the primary device
Re
D
Re =
d
β
Note 1 to entry: When an orifice plate is used the throat Reynolds number is sometimes called the orifice
Reynolds number.
3.3.3
isentropic exponent
κ
ratio of the relative variation in pressure to the corresponding relative variation in density under
elementary reversible adiabatic (isentropic) transformation conditions
Note 1 to entry: The isentropic exponent κ appears in the different formulae for the expansibility [expansion]
factor ε and varies with the nature of the gas and with its temperature and pressure.
Note 2 to entry: There are many gases and vapours for which no values for κ have been published so far,
particularly over a wide range of pressure and temperature. In such a case, for the purposes of ISO 5167 (all parts),
the ratio of the specific heat capacity at constant pressure to the specific heat capacity at constant volume of
ideal gases can be used in place of the isentropic exponent.
3.3.4
Joule Thomson coefficient
isenthalpic temperature-pressure coefficient
μ
JT
rate of change of temperature with respect to pressure at constant enthalpy:
∂T
μ =
JT
∂p
H
Note 1 to entry: The Joule Thomson coefficient varies with the nature of the gas and with its temperature and
pressure and can be calculated.
Note 2 to entry: An approximation for the Joule Thomson coefficient for some natural gases is given in
ISO/TR 9464:2008, 5.1.5.4.4.
3.3.5
discharge coefficient
C
coefficient, defined for an incompressible fluid flow, which relates the actual flow rate to the theoretical
flow rate through a device, and is given by the formula for incompressible fluids
q 1−β
m
C =
Ap2Δ ρ
t 1
Note 1 to entry: Calibration of standard primary devices by means of incompressible fluids (liquids) shows
that the discharge coefficient is dependent only on the Reynolds number for a given primary device in a given
installation.
The numerical value of C for any individual differential pressure meter is the same for different installations
whenever such installations are geometrically similar and the flows are characterised by identical Reynolds
numbers.
The formulae for the numerical values of C given in ISO 5167 (all parts) are based on data determined
experimentally.
The uncertainty in the value of C can be reduced by flow calibration in a suitable laboratory.
Note 2 to entry: The quantity 11/ −β is called the “velocity of approach factor”, and C is called the
1−β
“flow coefficient”.
3.3.6
expansibility [expansion] factor
ε
coefficient used to take into account the compressibility of the fluid
q 1−β
m
ε =
AC 2Δpρ
t 1
Note 1 to entry: Calibration of a given primary device by means of a compressible fluid (gas) shows that the
following ratio is dependent on the value of the Reynolds number as well as on the values of the pressure ratio
and the isentropic exponent of the gas:
q 1−β
m
Ap2Δ ρ
t 1
The method adopted for representing these variations consists of multiplying the discharge coefficient, C, of the
primary device considered, as determined by direct calibration carried out with liquids for the same value of the
Reynolds number, by the expansibility [expansion] factor, ε.
The expansibility factor, ε, is equal to unity when the fluid is considered incompressible (liquid) and is less than
unity when the fluid is compressible (gaseous).
This method is possible because experiments show that ε is practically independent of the Reynolds number
and, for a given diameter ratio of a given primary device, ε only depends on the pressure ratio and the isentropic
exponent.
The numerical values of ε for orifice plates given in ISO 5167-2 and for cone meters given in ISO 5167-5 are based
on data determined experimentally. For nozzles (see ISO 5167-3), Venturi tubes (see ISO 5167-4) and wedge
meters (see ISO 5167-6) they are based on the thermodynamic general formula applied to isentropic expansion.
3.3.7
arithmetical mean deviation of the roughness profile
Ra
arithmetical mean deviation from the mean line of the profile being measured
Note 1 to entry: The mean line is such that the sum of the squares of the distances between the effective surface
and the mean line is a minimum. In practice, Ra can be measured with standard equipment for machined surfaces
but can only be estimated for rougher surfaces of pipes. See also ISO 21920-3.
Note 2 to entry: For pipes, the uniform equivalent roughness k may also be used. This value can be determined
a
experimentally (see 7.1.5) or taken from tables (see Annex B).
4 Symbols and subscripts
4.1 Symbols
Table 1 — Symbols
a
Symbol Quantity Dimension SI unit
2 2
A Area of throat L m
t
C Discharge coefficient dimensionless —
2 −2 −1 −1
C Molar-heat capacity at constant pressure ML T Θ mol J/(mol⋅K)
m,p
Diameter of orifice (or throat) of primary device under
d L m
working conditions
Upstream internal pipe diameter (or upstream diameter of a
D L m
classical Venturi tube) under working conditions
2 −2 −1
H Enthalpy ML T mol J/mol
k Coverage factor dimensionless —
k Uniform equivalent roughness L m
a
Pressure loss coefficient (the ratio of the pressure loss, Δϖ,
K to the dynamic pressure, ρV /2), also known as the minor dimensionless —
loss coefficient
l Pressure tapping spacing L m
L Relative pressure tapping spacing: L = l/D dimensionless —
−1 −2
p Absolute static pressure of the fluid ML T Pa
−1
q Mass flow rate MT kg/s
m
3 −1 3
q Volume flow rate L T m /s
V
R Radius L m
2 −2 −1 −1
R Universal gas constant ML T Θ mol J/(mol⋅K)
u
Ra Arithmetical mean deviation of the (roughness) profile L m
Re Reynolds number dimensionless —
Re Throat Reynolds number dimensionless —
d
Re Pipe Reynolds number dimensionless —
D
t Temperature of the fluid Θ °C
T Absolute (thermodynamic) temperature of the fluid Θ K
c c
u Standard uncertainty
a
M = mass, L = length, T = time, Θ = temperature
b
γ is the ratio of the specific heat capacity at constant pressure to the specific heat capacity at constant volume.
For ideal gases, the ratio of the specific heat capacities and the isentropic exponent have the same value (see 3.3.3). These
values depend on the nature of the gas.
The dimensions and units are those of the corresponding quantity.
c
Table 1 (continued)
a
Symbol Quantity Dimension SI unit
′ Relative standard uncertainty dimensionless —
u
c c
U Expanded uncertainty
′ Relative expanded uncertainty dimensionless —
U
−1
V Mean axial velocity of the fluid in the pipe LT m/s
Z Compressibility factor dimensionless —
β Diameter ratio dimensionless —
b
γ Ratio of specific heat capacities dimensionless —
−1 −2
Δp Differential pressure: Δp = p − p ML T Pa
1 2
−1 −2
Δp Pressure loss across a flow conditioner ML T Pa
c
−1 −2
Δϖ Pressure loss across a primary device ML T Pa
ε Expansibility [expansion] factor dimensionless —
b
κ Isentropic exponent dimensionless —
λ Friction factor dimensionless —
−1 −1
μ Dynamic viscosity of the fluid ML T Pa⋅s
−1 2
μ Joule Thomson coefficient M LT Θ K/Pa
JT
2 −1 2
v Kinematic viscosity of the fluid: v = μ/ρ L T m /s
Relative pressure loss (the ratio of the pressure loss to the
ξ dimensionless —
differential pressure)
−3 3
ρ Density of the fluid ML kg/m
τ Pressure ratio: τ = p /p dimensionless —
2 1
ϕ Total angle of the divergent section dimensionless rad
a
M = mass, L = length, T = time, Θ = temperature
b
γ is the ratio of the specific heat capacity at constant pressure to the specific heat capacity at constant volume.
For ideal gases, the ratio of the specific heat capacities and the isentropic exponent have the same value (see 3.3.3). These
values depend on the nature of the gas.
The dimensions and units are those of the corresponding quantity.
c
5 Principle of the method of measurement and computation
5.1 Principle of the method of measurement
The principle of the method of measurement is based on the installation of a primary device into a
pipeline in which a fluid is running full. The installation of the primary device causes a static pressure
difference between the upstream side and the throat or downstream side of the device. The flow rate
can be determined from the measured value of this pressure difference and the knowledge of the
thermodynamic conditions, fluid properties, meter geometry and meter characteristics. It is assumed
that an uncalibrated differential pressure meter is within the geometric and Reynolds number range
required for the ISO discharge coefficient prediction to be valid. Alternatively, it is assumed that a
bespoke calibrated differential pressure meter is to be used within its calibration range.
The mass flow rate can be determined, since it is related to the differential pressure within the
uncertainty limits stated in ISO 5167, using Formula (1):
C
q = ερAp2Δ (1)
mt 1
1−β
NOTE For practical implementation, this formula is expanded upon as Formula (1) of ISO 5167-2, ISO 5167-3,
ISO 5167-4, ISO 5167-5 and ISO 5167-6.
Similarly, the value of the volume flow rate can be calculated using Formula (2):
q
m
q = (2)
V
ρ
where ρ is the fluid density at the temperature and pressure for which the volume is stated.
5.2 Method of determination of the required diameter ratio for the selected standard
primary device
In practice, when determining the diameter ratio of a primary element to be installed in a given pipeline,
C and ε used in Formula (1) are, in general, not precisely known. Hence the following shall be selected a
priori:
— the type of primary device to be used;
— a flow rate and the corresponding desired value of the differential pressure.
The related values of q and Δp are then inserted in Formula (1), rewritten in the form of Formula (3):
m
4q
Cεβ
m
= (3)
πΔDp2 ρ
1−β
in which the diameter ratio of the selected primary device can be determined by iteration (see Annex A).
For a given flow rate, the uncertainty of the discharge coefficient and that of the predicted differential
pressure are directly linked, because the discharge coefficient is proportional to the reciprocal of the
square root of the differential pressure. Consequently, care shall be taken when determining β that
the maximum differential pressure does not exceed the upper range limit of the transmitter. This is of
particular importance where the uncertainty of the discharge coefficient is large.
5.3 Computation of flow rate
Computation of the flow rate, which is a purely arithmetic process, is performed by replacing the
different terms on the right-hand side of Formula (1) by their numerical values.
C may be dependent on Re, which is itself dependent on q . In such cases the final value of C, and hence
m
of q , is obtained by iteration. See Annex A for guidance regarding the choice of the iteration procedure
m
and initial estimates.
The dimensions used in the formulae are the values of the dimensions at the working conditions.
Measurements taken at any other conditions should be corrected for any possible expansion or
contraction of the primary device and the pipe due to the values of the temperature and pressure of the
fluid during the measurement.
NOTE For corrections due to thermal expansion or contraction see ISO/TR 9464:2008 5.1.6.1.3 and 5.2.6.4.2.
It is necessary to know the density and the viscosity of the fluid at working conditions. In the case
of a compressible fluid, it is also necessary to know the isentropic exponent of the fluid at working
conditions.
5.4 Determination of density, pressure and temperature
5.4.1 General
Any method of determining reliable values of the density, static pressure and temperature of the fluid is
acceptable if it does not interfere with the distribution of the flow in any way at the cross-section where
measurement is made.
5.4.2 Density
It is necessary to know the density of the fluid at the upstream pressure tapping; it can either be
measured directly or be calculated from an appropriate equation of state from a knowledge of the
absolute static pressure, absolute temperature and composition of the fluid at that location.
NOTE ISO/TR 9464:2008, 6.4.2 provides a method for correcting density measured downstream of a device
to upstream conditions.
5.4.3 Static pressure
The static pressure of the fluid shall be measured by means of an individual wall pressure tapping, or
several such tappings interconnected, or by means of carrier ring tappings if they are permitted for the
measurement of differential pressure in that tapping plane for the particular primary device.
a
Flow.
b
Section A-A (upstream) also typical for section B-B (downstream).
Figure 1 — “Triple-T” arrangement
Where four pressure tappings are connected together to give the pressure upstream, downstream or
in the throat of the primary device, it is best that they should be connected together in a “triple-T”
arrangement as shown in Figure 1. The “triple-T” arrangement is often used for measurement with
large Venturi tubes.
It is permissible to link simultaneously one pressure tapping with differential pressure measuring
device(s) and static pressure measuring device(s), provided that these connections do not lead to any
distortion of the differential pressure measurement.
5.4.4 Temperature
5.4.4.1 Temperature measurement requires particular care. The thermometer well or pocket shall
take up as little space as possible to avoid reducing the cross-sectional area of the pipe. Thermometer
probes should have adequate immersion depth to ensure the fluid temperature is measured accurately.
Except where a cone meter is used, the temperature of the fluid shall preferably be measured
downstream of the primary device to avoid disturbance to the flow profile affecting the primary device.
If the thermometer well or pocket is located downstream of the primary device, the distance between it
and the primary device shall be at least equal to 5D (and at most 15D when the fluid is a gas). In the case
of a Venturi tube this distance is measured from the throat pressure tapping plane, and the pocket shall
also be at least 2D downstream from the downstream end of the diffuser section.
If the thermometer well or pocket is located upstream of the primary device it shall be located in
accordance with the values given in the applicable part of ISO 5167 describing the primary device.
Within the limits of application of this document, it may generally be assumed that the downstream and
upstream temperatures of the fluid are the same at the differential pressure tappings. However, if the
fluid is a non-ideal gas, the lowest uncertainty is required, and there is a large pressure loss between the
upstream pressure tapping and downstream thermowell, it is then necessary to calculate the upstream
temperature from the downstream temperature assuming an isenthalpic expansion between the two
points. To perform the calculation, the pressure loss, Δϖ, should be calculated from the formulae given
in other parts of the ISO 5167 series for that primary device. Then the corresponding temperature drop
from the upstream tapping to the downstream temperature location, ΔT, can be evaluated using the
Joule Thomson coefficient, μ , which is described in 3.3.4 and given in Formula (4):
JT
ΔΔT=μϖ (4)
JT
[8]
NOTE 1 Experimental work has shown that this is an appropriate method for orifice plates. It is reasonably
and widely assumed that the method works for all differential pressure meters.
NOTE 2 Although an isenthalpic expansion is assumed between the upstream pressure tapping and the
downstream temperature tapping, this is not inconsistent with there being an isentropic expansion between the
upstream tapping and the vena contracta or throat.
NOTE 3 Measurement of temperature at a gas velocity in the pipe higher than approximately 50 m/s can lead
to additional uncertainty associated with the temperature recovery factor.
5.4.4.2 The temperature of the primary device and that of the fluid upstream of the primary device
are assumed to be the same (see 7.1.7).
5.5 Differential pressure flow measurement system
5.5.1 General
A complete differential pressure measuring system comprises several typical components as shown in
Figure 2. Alternative configurations are equally acceptable.
The primary device is either mounted into the pipeline directly as shown or, for example in the case of
an orifice plate, may be installed in a carrier where the differential pressure tappings are located. Some
designs of orifice carrier facilitate the easy removal of the orifice plate for inspection or to change the
orifice bore size without having to stop the flow and de-pressurize the system.
Interconnection of multiple tappings shall be as described in 5.4.3.
Key
1 primary device 6 differential pressure transmitter - low range
2 isolation valves 7 pressure transmitter
3 impulse lines 8 temperature element or temperature transmitter
4 valve manifold 9 instrument communication cables
5 differential pressure transmitter - high range 10 flow computer
a
Flow.
Figure 2 — Differential pressure flow measurement system
5.5.2 Primary device
ISO 5167-2 to ISO 5167-6 specify the meter geometry and characteristics of a selection of primary
devices.
Whilst each primary device may operate satisfactorily for a given application, the selection of the
most appropriate primary device for a given installation and range of process conditions should be
determined by sound engineering judgement.
5.5.3 Impulse lines and transmitters
Impulse lines are used to transmit the differential pressure created by flow through the primary device
to the differential pressure transmitter, which in turn transmits the measured differential pressure
value to the flow computer.
Impulse lines also transmit the static pressure at the upstream tapping to the pressure transmitter,
which in turn transmits the measured upstream pressure value to the flow computer. Impulse
lines should only be used for measuring pressure and differential pressure. They shall not be used
continuously for draining, venting, or sampling, as there shall be no flow in the impulse line during
normal metering operation.
The position and orientation of the pressure and differential pressure transmitters depend on the fluid
being measured. ISO 2186 details the requirements for connecting the impulse lines to the differential
pressure transmitter for fluids in both horizontal and vertical piping installations.
A temperature element or temperature transmitter provides the measured temperature to the flow
computer.
A multivariable transmitter may be used to measure more than one process parameter.
5.5.4 Impulse line isolation valves and valve manifolds
Isolation valves enable the differential pressure transmitter and pressure transmitter to be isolated
from the main process line for maintenance purposes. The valve manifold is used to allow the
differential pressure transmitter to be isolated and equalised for zero differential pressure checks,
venting and maintenance purposes.
5.5.5 Flow computer
The computation of the flow rates from a differential pressure metering system is generally performed
within a digital flow computer. This may be a separate “flow computer” device, or part of an integrated
control system. Additional calculations may be carried out, including totalisation, diagnostics, and
communications with other distributed systems.
5.6 Differential pressure flow measurement system design considerations
5.6.1 Flow rate turndown and stacked transmitters
The flow range of a flow meter is commonly described as the “turndown” (see Annex D).
It is common to connect two or more differential pressure transmitters of different calibrated
ranges across the primary device to measure a wider range of fl
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 5167-1
Troisième édition
2022-06
Mesurage 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
Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices
inserted in circular cross-section conduits running full —
Part 1: General principles and requirements
Numéro de référence
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2022
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
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.
ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vii
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions . 1
3.1 Mesurage de la pression . 2
3.2 Éléments primaires . 2
3.3 Écoulement. 3
4 Symboles et indices .6
4.1 Symboles . 6
5 Principe de la méthode de mesure et mode de calcul . 7
5.1 Principe de la méthode de mesure. 7
5.2 Méthode de détermination du rapport des diamètres requis pour l’élément
primaire normalisé choisi . 8
5.3 Calcul du débit . 8
5.4 Détermination de la masse volumique, de la pression et de la température . 9
5.4.1 Généralités . 9
5.4.2 Masse volumique . 9
5.4.3 Pression statique . 9
5.4.4 Température . 10
5.5 Système de mesure du débit par pression différentielle . 10
5.5.1 Généralités . 10
5.5.2 Élément primaire .12
5.5.3 Lignes d’impulsion et capteurs .12
5.5.4 Vannes d’isolement de ligne d’impulsion et manifolds de vanne .12
5.5.5 Calculateur de débit .12
5.6 Considérations concernant la conception du système de mesure du débit par
pression différentielle .12
5.6.1 Dynamique de mesure (ou rangeabilité) du débit et surinstrumentation .12
5.6.2 Étalonnage du débitmètre . 13
5.6.3 Perte de pression permanente . 13
5.6.4 Diagnostic et vérification du débitmètre . 14
5.6.5 Incertitude globale du système de mesure de la pression différentielle . 14
6 Conditions générales pour les mesurages .15
6.1 Élément primaire. 15
6.2 Nature du fluide .15
6.3 Physique de l’écoulement . 15
7 Exigences d’installation .16
7.1 Généralités . 16
7.2 Longueurs droites minimales d’amont et d’aval . 17
7.3 Exigence générale relative à l’écoulement au voisinage de l’élément primaire . 18
7.3.1 Exigence . 18
7.3.2 Conditions exemptes de giration . 18
7.3.3 Bonnes conditions de profil de vitesse . 18
7.4 Conditionneurs d’écoulement . 18
7.4.1 Essai de conformité . 18
7.4.2 Essai spécifique .20
8 Incertitudes sur la mesure du débit .21
8.1 Généralités . 21
8.2 Définition de l’incertitude . 21
8.3 Calcul pratique de l’incertitude . 21
iii
8.3.1 Incertitude relative aux composantes . 21
8.3.2 Formule pratique de calcul. 22
Annexe A (informative) Calculs par itération .24
Annexe B (informative) Exemples de valeurs pour la rugosité uniforme équivalente, k ,
a
des parois des conduites .27
Annexe C (informative) Conditionneurs et redresseurs d’écoulement .28
Annexe D (informative) Capteurs de pression différentielle, plage de débit et dynamique
de mesure (ou rangeabilité) .30
Annexe E (informative) Exemple de calcul d’incertitude pour un dispositif de pression
différentielle.37
Annexe F (informative) Exemple de perte de pression permanente .41
Bibliographie .43
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 (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 attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www.iso.org/iso/fr/avant-propos.
L’ISO 5167-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 30, Mesure de débit des fluides dans les
conduites fermées, sous-comité SC 2, Appareils déprimogènes, en collaboration avec le comité technique
CEN/SS F05 du Comité européen de normalisation (CEN), Instruments de mesure, conformément à
l’Accord de coopération technique entre l’ISO et le CEN (Accord de Vienne).
Cette troisième édition annule et remplace la deuxième édition (ISO 5167-1:2003), qui a fait l’objet d’une
révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— amélioration de la cohérence entre l’ISO 5167-1 et l’ISO 5167-6 (certains éléments nouveaux dans
l’ISO 5167-5 et l’ISO 5167-6 ont été déplacés dans le présent document);
— un élément primaire a été intégré aux appareils déprimogènes;
— une brève section abordant le sujet du diagnostic et de la surveillance fondée sur l’état a été ajoutée;
— une limitation de l’utilisation de la règle de 5 % 2° pour un profil acceptable est notée;
— un texte optimisé relatif au calcul de l’incertitude ainsi qu’un exemple dans l’Annexe E ont été
ajoutés;
— des annexes relatives à la dynamique de mesure (ou rangeabilité) et à la perte de pression permanente
ont été ajoutées.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 5167 se trouve sur le site web de l’ISO.
v
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
vi
Introduction
L’ISO 5167, qui comprend six parties, a pour objet la géométrie et le mode d’emploi
(conditions d’installation et d’utilisation) des diaphragmes, tuyères, tubes Venturi, cônes de mesure et
débitmètres à coin insérés dans une conduite en charge dans le but de déterminer le débit du fluide
s’écoulant dans cette conduite. Elle fournit également les informations nécessaires au calcul de ce débit
et de son incertitude associée.
L’ISO 5167 (toutes les parties) est applicable uniquement aux appareils déprimogènes dans lesquels
l’écoulement reste subsonique dans tout le tronçon de mesurage et où le fluide peut être considéré
comme monophasique; elle n’est pas applicable au mesurage d’un écoulement pulsé. De plus, chacun
de ces appareils ne peut être utilisé que s’il est non étalonné dans des limites spécifiées de diamètre
de conduite et de nombre de Reynolds. Ils peuvent également être utilisés sur l’ensemble de leur plage
étalonnée.
L’ISO 5167 (toutes les parties) traite d’appareils pour lesquels des expériences d’étalonnage direct ont
été effectuées en nombre, étendue et qualité suffisants pour que l’on ait pu baser, sur leurs résultats, des
systèmes cohérents d’utilisation et pour permettre que les coefficients soient donnés avec une marge
d’incertitude prévisible. L’ISO 5167 fournit également une méthodologie pour l’étalonnage sur mesure
des appareils déprimogènes.
Les appareils introduits dans le tuyau sont appelés «éléments primaires». Le terme «élément primaire»
inclut également les prises de pression. Tous les autres instruments ou appareils nécessaires pour
faciliter les relevés des instruments sont appelés «éléments secondaires». Le calculateur de débit qui
reçoit ces relevés et exécute les algorithmes est appelé «élément tertiaire». L’ISO 5167 concerne les
éléments primaires et ne mentionne qu’exceptionnellement les éléments secondaires (voir l'ISO 2186)
et tertiaires.
Les aspects de la sécurité ne sont pas traités dans l’ISO 5167-1 à l’ISO 5167-6. Il incombe à l’utilisateur
de s’assurer que le système remplit les réglementations applicables en matière de sécurité.
Les documents additionnels susceptibles de fournir une aide sont les suivants:
— ISO/TR 3313;
— ISO/TR 9464;
— ISO/TR 12767;
— ISO/TR 15377.
vii
NORME INTERNATIONALE ISO 5167-1:2022(F)
Mesurage 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
1 Domaine d’application
Le présent document définit des termes et symboles et établit les principes généraux pour le
mesurage et le calcul du débit des fluides dans une conduite au moyen d’appareils déprimogènes
(diaphragmes, tuyères, tubes de Venturi, cônes de mesure et débitmètres à coin) insérés dans des
conduites en charge de section circulaire. Le présent document spécifie aussi les exigences générales en
ce qui concerne les méthodes de mesure, l’installation des appareils et la détermination de l’incertitude
de la mesure de débit.
L’ISO 5167 (toutes les parties) est applicable uniquement à un écoulement qui reste subsonique dans
tout le tronçon de mesurage et où le fluide peut être considéré comme monophasique. Elle n’est pas
applicable au mesurage d’un écoulement pulsé.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de
leur contenu, des exigences 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 4006, Mesure de débit des fluides dans les conduites fermées — Vocabulaire et symboles
ISO 5167 (toutes les parties), Mesure de débit des fluides au moyen d’appareils déprimogènes insérés dans
des conduites en charge de section circulaire
ISO 5168, Mesure de débit des fluides — Procédures pour le calcul de l'incertitude
Guide ISO/IEC 98-3, Incertitude de mesure — Partie 3: Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure
(GUM: 1995)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes, définitions et symboles de l’ISO 4006 ainsi que les
suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp;
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/ .
3.1 Mesurage de la pression
3.1.1
prise de pression à la paroi
fente annulaire ou orifice circulaire aménagé(e) dans la paroi d’une conduite, dont le bord est arasé à la
paroi interne de cette conduite
Note 1 à l'article: La prise de pression est habituellement un orifice circulaire, mais peut, dans certains cas, être
une fente annulaire.
3.1.2
pression statique
p
pression mesurable en reliant un appareil de mesure de la pression à une prise de pression à la paroi
(3.1.1)
Note 1 à l'article: Dans l’ISO 5167 (toutes les parties), on considère exclusivement la valeur de la pression statique
absolue.
3.1.3
pression différentielle
DP
Δp
différence des pressions statiques mesurées à des prises de pression à la paroi, dont l’une est située en
amont et l’autre en aval d’un élément primaire [ou dans le col pour une tuyère à prise de pression au
col, une Venturi-tuyère (3.2.4) ou un tube de Venturi (3.2.5)] interposé dans une tuyauterie rectiligne où
s’écoule un fluide, lorsque toute différence de hauteur entre les prises de pression amont et aval a été
prise en considération
Note 1 à l'article: Dans l’ISO 5167 (toutes les parties), le terme de «pression différentielle» n’est utilisé que si les
prises de pression sont situées aux emplacements spécifiés pour chaque élément primaire normalisé.
3.1.4
rapport des pressions
τ
rapport de la pression (statique) absolue à la prise de pression aval par la pression (statique) absolue à
la prise de pression amont
3.1.5
vena contracta
emplacement dans un flux de fluide où le diamètre du flux est le plus petit
3.2 Éléments primaires
3.2.1
orifice
ouverture du col d’aire minimale de l’élément primaire
3.2.2
diaphragme
plaque mince percée d’un orifice circulaire
Note 1 à l'article: Les diaphragmes normalisés sont dits «en plaque mince» et «à arête vive rectangulaire»,
parce que l’épaisseur de la plaque est faible relativement au diamètre de la tuyauterie de mesure et parce que
l’arête amont de l’orifice (3.2.1) forme un angle droit et est à bord vif.
3.2.3
tuyère
dispositif convergent suivi d’une partie cylindrique dite «col»
3.2.4
Venturi-tuyère
dispositif convergent, constitué d’une tuyère normalisée ISA 1932 suivie d’une partie cylindrique dite
«col», elle-même reliée à un évasement conique dit «divergent»
3.2.5
tube de Venturi
dispositif convergent conique suivi d’une partie cylindrique dite «col», elle-même reliée à un évasement
conique dit «divergent»
3.2.6
cônes de mesure
dispositif qui consiste en une restriction conique maintenue au centre de la conduite avec la pointe
avant du cône orientée en amont
3.2.7
débitmètre à coin
dispositif constitué d’une restriction en forme de coin
3.2.8
rapport des diamètres
β
racine carrée du rapport de l’aire du col de
l’élément primaire et de l’aire interne diamètre de l’orifice de la tuyauterie de mesure en amont de cet
élément primaire
Note 1 à l'article: Dans l’ISO 5167-2 et l’ISO 5167-3, le rapport des diamètres correspond au rapport du diamètre
du col d’un élément primaire sur le diamètre interne de la tuyauterie de mesure en amont de cet élément primaire.
Note 2 à l'article: Dans l’ISO 5167-4, dans le cas où l’élément primaire comporte une partie cylindrique en amont,
de diamètre équivalent au diamètre de la tuyauterie, le rapport des diamètres correspond au rapport entre le
diamètre du col et le diamètre de cette partie cylindrique, mesuré dans le plan des prises de pression en amont.
3.2.9
bague porteuse
dispositif utilisé pour maintenir l’élément primaire au centre de la conduite et pouvant intégrer les
prises de pression
3.3 Écoulement
3.3.1
débit
vitesse d’écoulement
q
masse ou volume de fluide traversant l’élément primaire par unité de temps
3.3.1.1
débit-masse
débit massique
q
m
masse de fluide traversant l’élément primaire par unité de temps
3.3.1.2
débit-volume
vitesse d’écoulement volumique
q
V
volume de fluide traversant l’élément primaire par unité de temps
Note 1 à l'article: Dans le cas du débit-volume, il est nécessaire de préciser la pression et la température à laquelle
le volume se rapporte.
3.3.2
nombre de Reynolds
Re
paramètre sans dimension, exprimant le rapport entre les forces d’inertie et les forces de viscosité
3.3.2.1
nombre de Reynolds rapporté à la tuyauterie
Re
D
paramètre sans dimension, exprimant le rapport entre les forces d’inertie et les forces de viscosité dans
la tuyauterie amont
VD 4q
1 m
Re ==
D
νμπ D
3.3.2.2
nombre de Reynolds au col
Re
d
paramètre sans dimension, exprimant le rapport entre les forces d’inertie et les forces de viscosité dans
l’orifice ou dans le col de l’élément primaire
Re
D
Re =
d
β
Note 1 à l'article: Lorsqu’un diaphragme est utilisé, le nombre de Reynolds au col est parfois appelé nombre de
Reynolds à l’orifice.
3.3.3
exposant isentropique
κ
rapport de la variation relative de la pression à la variation relative de la masse volumique qui lui
correspond dans une transformation adiabatique réversible (isentropique) élémentaire
Note 1 à l'article: L’exposant isentropique κ apparaît dans les différentes formules du coefficient de détente ε et
varie selon la nature du gaz, sa température et sa pression.
Note 2 à l'article: Il existe de nombreux gaz et vapeurs pour lesquels des valeurs de κ n’ont pas encore été publiées
pour une plage étendue de pressions et de températures. Dans ce cas, pour les besoins de l’ISO 5167 (toutes les
parties), le rapport de la capacité thermique massique à pression constante à la capacité thermique massique à
volume constant pour les gaz parfaits peut être utilisé à la place de l’exposant isentropique.
3.3.4
coefficient de Joule Thomson
coefficient isenthalpique température-pression
μ
JT
vitesse de changement de température par rapport à la pression pour une enthalpie constante
∂T
μ =
JT
∂p
H
Note 1 à l'article: Le coefficient de Joule Thomson varie avec la nature du gaz, sa température et sa pression, et
peut être calculé.
Note 2 à l'article: Une approximation du coefficient de Joule Thomson pour certains gaz naturels est indiquée à
l’ISO/TR 9464:2008, 5.1.5.4.4.
3.3.5
coefficient de décharge
C
coefficient, défini pour un écoulement de fluide incompressible, qui relie le débit réel traversant
l’appareil au débit théorique, et qui est donné par la formule pour les fluides incompressibles
q 1−β
m
C =
Ap2Δ ρ
t 1
Note 1 à l'article: L’étalonnage direct d’éléments primaires normalisés exécuté au moyen de fluides dits
incompressibles (liquides) montre que le coefficient de décharge n’est fonction que du nombre de Reynolds pour
un élément primaire donné dans une installation donnée.
La valeur numérique de C de tout appareil déprimogène individuel est la même pour des installations différentes
chaque fois que ces installations sont géométriquement semblables et que les écoulements y sont caractérisés
par des nombres de Reynolds égaux.
Les formules utilisées pour les valeurs numériques de C données dans l’ISO 5167 (toutes les parties) sont basées
sur des données expérimentales.
L’incertitude de la valeur de C peut être réduite par l’étalonnage de l’écoulement dans un laboratoire approprié.
Note 2 à l'article: La grandeur 11/ −β est appelée «coefficient de vitesse d’approche» et C est
1−β
appelé «coefficient de débit».
3.3.6
coefficient de détente
ε
coefficient utilisé pour tenir compte de la compressibilité du fluide
q 1−β
m
ε =
AC 2Δpρ
t 1
Note 1 à l'article: L’étalonnage d’un élément primaire défini au moyen d’un fluide compressible (gaz) montre que
le rapport suivant est fonction à la fois de la valeur du nombre de Reynolds, des valeurs du rapport des pressions
et de l’exposant isentropique du gaz:
q 1−β
m
Ap2Δ ρ
t 1
La méthode adoptée pour représenter ces variations consiste à multiplier le coefficient de décharge, C,
de l’élément primaire considéré, déterminé par un étalonnage direct au moyen de liquides réalisé pour la même
valeur du nombre de Reynolds, par le coefficient de détente ε.
Le coefficient de détente, ε, est égal à l’unité lorsque le fluide est considéré comme incompressible (liquide) et est
inférieur à l’unité lorsque le fluide est compressible (gazeux).
Cette méthode est utilisable parce que l’expérience montre que ε est pratiquement indépendant du nombre de
Reynolds et que, pour un rapport de diamètres donné d’un élément primaire donné, ε ne dépend que du rapport
des pressions, de la pression statique et de l’exposant isentropique.
Les valeurs numériques de ε, données dans l’ISO 5167-2 pour ce qui concerne les diaphragmes et dans l’ISO 5167-5
pour ce qui concerne les cônes de mesure, ont été déterminées expérimentalement. Pour les tuyères (voir
l’ISO 5167-3), les tubes Venturi (voir l’ISO 5167-4) et les débitmètres à coin (voir l’ISO 5167-6), ces valeurs sont
basées sur une formule générale de thermodynamique appliquée à la détente isentropique.
3.3.7
écart moyen arithmétique du profil de rugosité
Ra
écart moyen arithmétique par rapport à la ligne moyenne du profil considéré
Note 1 à l'article: Cette ligne moyenne est telle que la somme des carrés des distances entre la surface réelle et
cette ligne soit minimale. En pratique, Ra peut être mesuré avec un matériel normalisé pour ce qui concerne les
surfaces usinées, mais ne peut être qu’estimé lorsqu’il s’agit des surfaces plus rugueuses de conduites. Voir aussi
l’ISO 21920-3.
Note 2 à l'article: Pour les conduites, la rugosité uniforme équivalente, k , peut également être utilisée.
a
Cette valeur peut être déterminée expérimentalement (voir 7.1.5) ou lue dans les tableaux (voir Annexe B).
4 Symboles et indices
4.1 Symboles
Tableau 1 — Symboles
a
Symbole Grandeur Dimension Unité SI
2 2
A Aire du col L m
t
C Coefficient de décharge sans dimension —
2 −2 −1 −1
C Capacité thermique molaire à pression constante ML T Θ mol J/(mol⋅K)
m,p
Diamètre de l’orifice (ou du col) de l’élément primaire dans les condi-
d L m
tions de service
Diamètre intérieur de la conduite en amont (ou diamètre amont d’un
D L m
tube de Venturi classique) dans les conditions de service
2 −2 −1
H Enthalpie ML T mol J/mol
k Facteur d’élargissement sans dimension —
k Rugosité uniforme équivalente L m
a
Coefficient de perte de pression (le rapport entre la perte de
K pression, Δϖ, et la pression dynamique, ρV /2), également appelé sans dimension —
coefficient de perte mineure
l Éloignement d’une prise de pression L m
L Éloignement relatif d’une prise de pression: L = l/D sans dimension —
−1 −2
p Pression statique absolue du fluide ML T Pa
−1
q Débit-masse MT kg/s
m
3 −1 3
q Débit-volume L T m /s
V
R Rayon L m
2 −2 −1 −1
R Constante universelle des gaz ML T Θ mol J/(mol⋅K)
u
Ra Écart moyen arithmétique du profil (de rugosité) L m
Re Nombre de Reynolds sans dimension —
Re Nombre de Reynolds au col sans dimension —
d
Re Nombre de Reynolds rapporté à la tuyauterie sans dimension —
D
t Température du fluide Θ °C
T Température absolue (thermodynamique) du fluide Θ K
a
M = masse, L = longueur, T = temps, Θ = température
b
γ est le rapport de la capacité thermique massique à pression constante à la capacité thermique massique à volume
constant. Pour les gaz parfaits, ce rapport et l’exposant isentropique ont la même valeur (voir 3.3.3). Ces valeurs dépendent
de la nature du gaz.
Les dimensions et les unités sont celles de la grandeur correspondante.
c
Tableau 1 (suite)
a
Symbole Grandeur Dimension Unité SI
c c
u Incertitude-type
uˊ Incertitude-type relative sans dimension —
c c
U Incertitude élargie
Uˊ Incertitude élargie relative sans dimension —
−1
V Vitesse axiale moyenne du fluide dans la conduite LT m/s
Z Facteur de compressibilité sans dimension —
β Rapport des diamètres sans dimension —
b
γ Rapport des capacités thermiques massiques sans dimension —
−1 −2
Δp Pression différentielle: Δp = p − p ML T Pa
1 2
−1 −2
Δp Perte de pression au niveau d’un conditionneur d’écoulement ML T Pa
c
−1 −2
Δϖ Perte de pression au niveau d’un élément primaire ML T Pa
ε Coefficient de détente sans dimension —
b
κ Exposant isentropique sans dimension —
λ Facteur de frottement sans dimension —
−1 −1
μ Viscosité dynamique du fluide ML T Pa⋅s
−1 2
μ Coefficient de Joule Thomson M LT Θ K/Pa
JT
2 −1 2
v Viscosité cinématique du fluide: v = μ/ρ L T m /s
Perte de pression relative (rapport de la perte de pression à la pres-
ξ sans dimension —
sion différentielle)
−3 3
ρ Masse volumique du fluide ML kg/m
τ Rapport de pression: τ = p − p sans dimension —
2 1
ϕ Angle au sommet du divergent sans dimension rad
a
M = masse, L = longueur, T = temps, Θ = température
b
γ est le rapport de la capacité thermique massique à pression constante à la capacité thermique massique à volume
constant. Pour les gaz parfaits, ce rapport et l’exposant isentropique ont la même valeur (voir 3.3.3). Ces valeurs dépendent
de la nature du gaz.
Les dimensions et les unités sont celles de la grandeur correspondante.
c
5 Principe de la méthode de mesure et mode de calcul
5.1 Principe de la méthode de mesure
Le principe de la méthode de mesure consiste à interposer un élément primaire sur le passage d’un
fluide s’écoulant en charge dans une conduite. L’installation de l’élément primaire entraîne une
différence de pression statique entre les côtés amont et le col ou l’aval de l’élément. Il est possible
de déduire la valeur du débit à partir de la valeur mesurée de cette pression différentielle et de la
connaissance des conditions thermodynamiques, des propriétés du fluide, de la géométrie et des
caractéristiques du débitmètre. Il est présumé qu’un appareil déprimogène non étalonné se situe dans
la plage géométrique et de Reynolds requise pour que l’estimation du coefficient de décharge de l’ISO
soit valide. Alternativement, il est présumé qu’un appareil déprimogène étalonné sur mesure soit utilisé
dans sa plage d’étalonnage.
Le débit-masse, étant donné qu’il est lié à la pression différentielle, dans les limites d’incertitude
indiquées dans l’ISO 5167, peut être déterminé à l’aide de la Formule (1):
C
q = ερAp2Δ (1)
mt 1
1−β
NOTE Pour une mise en œuvre pratique, cette formule est développée comme Formule (1) de l’ISO 5167-2,
l’ISO 5167-3, l’ISO 5167-4, l’ISO 5167-5 et l’ISO 5167-6.
De même, on peut calculer la valeur du débit-volume à l’aide de la Formule (2):
q
m
q = (2)
V
ρ
où ρ est la masse volumique du fluide à la température et à la pression pour lesquelles le volume est
donné.
5.2 Méthode de détermination du rapport des diamètres requis pour l’élément
primaire normalisé choisi
Dans la pratique, lors de la détermination du rapport des diamètres d’un élément primaire à installer
dans une tuyauterie donnée, on ne connaît pas, en général, C et ε intervenant dans la Formule (1). Il faut
donc d’abord sélectionner:
— le type d’élément primaire à utiliser;
— une valeur du débit et la valeur correspondante souhaitée de la pression différentielle.
On porte les valeurs corrélatives de q et Δp dans la Formule (1), réécrite sous la forme de la Formule (3):
m
Cεβ 4q
m
= (3)
πΔDp2 ρ
1−β 1
et dans laquelle le rapport des diamètres de l’élément primaire choisi peut être déterminé par itération
(voir Annexe A).
Pour un débit donné, l’incertitude du coefficient de décharge et celle de la pression différentielle
estimée sont directement liées, car le coefficient de décharge est proportionnel à l’inverse de la
racine carrée de la pression différentielle. Par conséquent, une attention toute particulière doit être
accordée à la détermination de β, de sorte que la pression différentielle maximale ne dépasse pas la
limite supérieure de la plage du capteur de pression différentielle. Cela est particulièrement important
lorsque l’incertitude du coefficient de décharge est importante.
5.3 Calcul du débit
On effectue le calcul du débit de façon purement arithmétique en remplaçant les différents termes du
second membre de la Formule (1) par leurs valeurs numériques.
C peut dépendre de Re, qui est lui-même dépendant de q . Dans ce cas, il est nécessaire d’obtenir la
m
valeur finale de C, et donc de q , par itération. Voir l’Annexe A pour le choix du procédé d’itération et des
m
valeurs initiales.
Les dimensions utilisées dans les formules sont les valeurs des dimensions dans les conditions de
service. Il convient donc de corriger les valeurs d et D mesurées dans d’autres conditions pour tenir
compte de la dilatation ou contraction éventuelle de l’élément primaire et de la conduite résultant des
valeurs de la température et de la pression du fluide lors du mesurage.
NOTE Pour les corrections dues à la dilatation ou à la contraction thermique, voir l’ISO/TR 9464:2008
5.1.6.1.3 et 5.2.6.4.2.
Il est nécessaire de connaître la masse volumique et la viscosité du fluide dans les conditions de service.
Dans le cas d’un fluide compressible, il est également nécessaire de connaître l’exposant isentropique
du fluide dans les conditions de service.
5.4 Détermination de la masse volumique, de la pression et de la température
5.4.1 Généralités
Toute méthode permettant de déterminer des valeurs fiables de la masse volumique, de la pression
statique et de la température du fluide est acceptable si elle n’empêche pas la répartition de l’écoulement
de quelque manière que ce soit dans la section où le mesurage est effectué.
5.4.2 Masse volumique
Il est nécessaire de connaître la masse volumique du fluide à la prise de pression amont; elle peut
être soit mesurée directement, soit calculée au moyen d’une équation d’état appropriée à partir de la
connaissance de la pression statique absolue, de la température absolue et de la composition du fluide à
cet endroit.
NOTE L’ISO/TR 9464:2008, 6.4.2 propose une méthode de correction de la masse volumique mesurée en
aval d’un dispositif dans des conditions en amont.
5.4.3 Pression statique
La pression statique du fluide doit être mesurée au moyen d’une prise de pression individuelle à la paroi,
ou de plusieurs prises de ce type reliées entre elles, ou au moyen de prises sur une bague porteuse si
ces dernières sont permises pour le mesurage de la pression différentielle dans ce plan pour l’élément
primaire particulier.
a
Débit.
b
Section A-A (amont), caractéristique valable aussi pour la section B-B (aval).
Figure 1 — Disposition en «triple T»
Lorsque quatre prises de pression sont reliées entre elles pour donner la pression en amont, en aval ou
dans le col de l’élément primaire, il est préférable qu’elles soient reliées entre elles sous la forme d’une
disposition en «triple T» comme indiqué à la Figure 1. La disposition en «triple T» est souvent utilisée
pour le mesurage avec des tubes de Venturi de grande taille.
Il est permis de relier simultanément une prise de pression à un appareil de mesure de pression
différentielle et à un appareil de mesure de pression statique à condition de vérifier que ces liaisons ne
conduisent pas à une détérioration de la mesure de la pression différentielle.
5.4.4 Température
5.4.4.1 Le mesurage de la température nécessite des précautions particulières. Le logement pour
thermomètre (ou gaine thermométrique) doit être d’encombrement aussi réduit que possible afin
d’éviter la réduction de l’aire de section. Il convient que les sondes de thermomètre soient immergées
à une profondeur suffisante pour garantir une mesure précise de la température du liquide. Hormis
en cas d’utilisation d’un cône de mesure, la température du fluide doit de préférence être mesurée en
aval de l’élément primaire pour éviter toute perturbation du profil d’écoulement affectant l’élément
primaire.
Si le logement pour thermomètre (ou gaine thermométrique) est situé en aval de l’élément primaire,
la distance entre celui-ci et l’élément primaire doit être au moins égale à 5D (et au plus 15D lorsque le
fluide est un gaz). Dans le cas d’un tube Venturi, l’éloignement est mesuré à partir du plan de la prise de
pression au col, et la gaine thermométrique doit être à au moins 2D en aval de l’extrémité en aval de la
section du diffuseur.
Si le logement pour thermomètre (ou gaine thermométrique) est situé en amont de l’élément primaire,
il doit être placé conformément aux valeurs indiquées dans la partie applicable de l’ISO 5167 qui décrit
l’élément primaire.
En règle générale, il peut être présumé, dans le cadre du présent document, qu’au niveau des prises de
pression différentielles, les températures aval et amont du fluide sont les mêmes. Toutefois, si le fluide
n’est pas un gaz parfait, l’incertitude la plus faible est requise et une perte de pression importante
est enregistrée entre la prise de pression en amont et le puits thermométrique en aval. Il est alors
nécessaire de calculer la température amont à partir de la température en aval, en présumant une
détente isenthalpique entre les deux points. Pour effectuer le calcul, il convient de calculer la perte de
pression Δϖ à partir des formules données dans d’autres parties de la série ISO 5167, pour cet élément
primaire. La baisse de température correspondante entre la prise amont et l’emplacement de mesure de
la température en aval, ΔT, peut être évaluée au moyen du coefficient de Joule Thomson, μ , lequel est
JT
défini en 3.3.4 et indiqué dans la Formule (4):
ΔΔT=μϖ (4)
JT
[8]
NOTE 1 Des travaux expérimentaux ont montré que cette méthode était appropriée pour les diaphragmes.
Il est raisonnablement et largement présumé que la méthode fonctionne pour tous les appareils déprimogènes.
NOTE 2 Bien qu’une détente isenthalpique soit présumée entre la prise de pression amont et la prise de
température aval, cela n’est pas contradictoire avec le fait qu’il existe une détente isentropique entre la prise
amont et la «vena contracta» ou col.
NOTE 3 Le mesurage de la température dans la conduite, à une vitesse du gaz supérieure à environ 50 m/s
peut entraîner une incertitude supplémentaire associée au facteur de compensation de température.
5.4.4.2 La température de l’élément primaire et celle du fluide en amont de l’élément primaire sont
présumées être les mêmes (voir 7.1.7).
5.5 Système de mesure du débit par pression différentielle
5.5.1 Généralités
Un système complet de mesure de la pression différentielle comprend plusieurs composants types,
comme illustré à la Figure 2. Les configurations alternatives sont également acceptables.
L’élément primaire est monté directement dans la canalisation, comme illustré, ou, par exemple dans
le cas d’un diaphragme, il peut être installé dans un support contenant toutes les prises de pression
différentielle. Certaines conceptions de support d’orifice facilitent le retrait du diaphragme à des
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
Loading comments...