Measurement of gas flow by means of critical flow nozzles (ISO 9300:2022)

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

Durchflussmessung von Gasen mit Venturidüsen bei kritischer Strömung (ISO 9300:2022)

Dieses Dokument legt die geometrische Gestalt und die Betriebsweise (Einbau in ein System und Betriebsbedingungen) von Düsen bei kritischer Strömung (CFNs, en: critical flow nozzles) fest, die den Massendurchfluss eines durch ein System strömenden Gases bestimmen, ohne die CFN grundsätzlich zu kalibrieren. Es enthält außerdem die notwendigen Angaben für die Berechnung des Durchflusses und der zugehörigen Unsicherheit.
Dieses Dokument gilt für Düsen, in denen das Gas im kleinsten Strömungsquerschnitt auf die kritische Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt wird und eine gleichbleibende Strömung nur für einphasiges Gas vorliegt. Bei Erreichen der kritischen Geschwindigkeit in der Düse hat der Massendurchfluss des durch die Düse strömenden Gases unter den auf der Einlaufseite vorhandenen Bedingungen sein Maximum, wobei die CFN nur innerhalb festgelegter Grenzen eingesetzt werden kann, z. B. das Verhältnis von Halsteil der CFN zum Durchmesser des Einlaufrohrs und Reynolds-Zahl. Dieses Dokument behandelt CFNs mit Toroid- und Zylinderhals, die in ausreichend häufigen Versuchen direkt kalibriert wurden, wodurch die sich draus ergebenden Koeffizienten mit vorhersagbaren Grenzwerten für die Unsicherheit angewendet werden können.

Mesurage de débit de gaz au moyen de tuyères en régime critique (ISO 9300:2022)

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

Merjenje pretoka plina na podlagi kritičnega toka v Venturijevi šobi (ISO 9300:2022)

General Information

Status
Published
Public Enquiry End Date
30-Sep-2021
Publication Date
17-Jul-2022
Technical Committee
Current Stage
6060 - National Implementation/Publication (Adopted Project)
Start Date
13-Jul-2022
Due Date
17-Sep-2022
Completion Date
18-Jul-2022

RELATIONS

Buy Standard

Standard
SIST EN ISO 9300:2022
English language
131 pages
sale 10% off
Preview
sale 10% off
Preview
e-Library read for
1 day
Draft
oSIST prEN ISO 9300:2021
German language
122 pages
sale 10% off
Preview
sale 10% off
Preview
e-Library read for
1 day

Standards Content (sample)

SLOVENSKI STANDARD
SIST EN ISO 9300:2022
01-september-2022
Nadomešča:
SIST EN ISO 9300:2005

Merjenje pretoka plina na podlagi kritičnega toka v Venturijevi šobi (ISO 9300:2022)

Measurement of gas flow by means of critical flow nozzles (ISO 9300:2022)
Durchflussmessung von Gasen mit Venturidüsen bei kritischer Strömung (ISO
9300:2022)
Mesurage de débit de gaz au moyen de tuyères en régime critique (ISO 9300:2022)
Ta slovenski standard je istoveten z: EN ISO 9300:2022
ICS:
17.120.10 Pretok v zaprtih vodih Flow in closed conduits
SIST EN ISO 9300:2022 de

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

---------------------- Page: 1 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
---------------------- Page: 2 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
EN ISO 9300
EUROPEAN STANDARD
NORME EUROPÉENNE
June 2022
EUROPÄISCHE NORM
ICS 17.120.10 Supersedes EN ISO 9300:2005
English Version
Measurement of gas flow by means of critical flow nozzles
(ISO 9300:2022)

Mesurage de débit de gaz au moyen de tuyères en Durchflussmessung von Gasen mit Venturidüsen bei

régime critique (ISO 9300:2022) kritischer Strömung (ISO 9300:2022)
This European Standard was approved by CEN on 17 June 2022.

CEN members are bound to comply with the CEN/CENELEC Internal Regulations which stipulate the conditions for giving this

European Standard the status of a national standard without any alteration. Up-to-date lists and bibliographical references

concerning such national standards may be obtained on application to the CEN-CENELEC Management Centre or to any CEN

member.

This European Standard exists in three official versions (English, French, German). A version in any other language made by

translation under the responsibility of a CEN member into its own language and notified to the CEN-CENELEC Management

Centre has the same status as the official versions.

CEN members are the national standards bodies of Austria, Belgium, Bulgaria, Croatia, Cyprus, Czech Republic, Denmark, Estonia,

Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Iceland, Ireland, Italy, Latvia, Lithuania, Luxembourg, Malta, Netherlands, Norway,

Poland, Portugal, Republic of North Macedonia, Romania, Serbia, Slovakia, Slovenia, Spain, Sweden, Switzerland, Turkey and

United Kingdom.
EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION
COMITÉ EUROPÉEN DE NORMALISATION
EUROPÄISCHES KOMITEE FÜR NORMUNG
CEN-CENELEC Management Centre: Rue de la Science 23, B-1040 Brussels

© 2022 CEN All rights of exploitation in any form and by any means reserved Ref. No. EN ISO 9300:2022 E

worldwide for CEN national Members.
---------------------- Page: 3 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
EN ISO 9300:2022 (E)
Contents Page

European foreword ....................................................................................................................................................... 3

---------------------- Page: 4 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
EN ISO 9300:2022 (E)
European foreword

This document (EN ISO 9300:2022) has been prepared by Technical Committee ISO/TC 30

"Measurement of fluid flow in closed conduits" in collaboration with CCMC.

This European Standard shall be given the status of a national standard, either by publication of an

identical text or by endorsement, at the latest by December 2022, and conflicting national standards

shall be withdrawn at the latest by December 2022.

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

patent rights. CEN shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.

This document supersedes EN ISO 9300:2005.

Any feedback and questions on this document should be directed to the users’ national standards

body/national committee. A complete listing of these bodies can be found on the CEN website.

According to the CEN-CENELEC Internal Regulations, the national standards organizations of the

following countries are bound to implement this European Standard: Austria, Belgium, Bulgaria,

Croatia, Cyprus, Czech Republic, Denmark, Estonia, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Iceland,

Ireland, Italy, Latvia, Lithuania, Luxembourg, Malta, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Republic of

North Macedonia, Romania, Serbia, Slovakia, Slovenia, Spain, Sweden, Switzerland, Turkey and the

United Kingdom.
Endorsement notice

The text of ISO 9300:2022 has been approved by CEN as EN ISO 9300:2022 without any modification.

---------------------- Page: 5 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
---------------------- Page: 6 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 9300
Third edition
2022-06
Measurement of gas flow by means of
critical flow nozzles
Mesurage de débit de gaz au moyen de tuyères en régime critique
Reference number
ISO 9300:2022(E)
© ISO 2022
---------------------- Page: 7 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
ISO 9300:2022(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2022

All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may

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
© ISO 2022 – All rights reserved
---------------------- Page: 8 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
ISO 9300:2022(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................... v

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

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

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

3.1 Pressure .............................................................................................................................................................. 1

3.2 Temperature ..................................................................................................................................................... 2

3.3 Nozzle ................................................................................................................................................................... 2

3.4 Flow ...................................................................................................................................................................... 3

3.5 Flow rate ............................................................................................................................................................. 4

3.6 Gas ......................................................................................................................................................................... 5

4 Symbols and abbreviations ................................................................................................................................ 6

5 Basic equations ....................................................................................................................................................... 9

5.1 Gas behaviour ................................................................................................................................................... 9

5.1.1 Isentropic process ........................................................................................................................................... 9

5.1.2 State equation ................................................................................................................................................... 9

5.2 Isentropic flow of a perfect gas ................................................................................................................... 9

5.2.1 Flowing area ...................................................................................................................................................... 9

5.2.2 Static pressure .................................................................................................................................................. 9

5.2.3 Static temperature ....................................................................................................................................... 10

5.3 Theoretical variables at the critical point ........................................................................................... 10

5.3.1 General ............................................................................................................................................................. 10

5.3.2 Critical pressure ............................................................................................................................................ 10

5.3.3 Critical temperature .................................................................................................................................... 10

5.3.4 Critical density ............................................................................................................................................... 10

5.3.5 Critical velocity .............................................................................................................................................. 10

5.4 Theoretical mass flow rates ...................................................................................................................... 10

5.4.1 General ............................................................................................................................................................. 10

5.4.2 Theoretical mass flow rate of a perfect gas ......................................................................................... 10

5.4.3 Theoretical mass flow rate of real gas .................................................................................................. 11

5.5 Mass flow rate ................................................................................................................................................ 11

6 General requirements ....................................................................................................................................... 11

7 Applications for which the method is suitable ......................................................................................... 12

8 CFN ........................................................................................................................................................................... 12

8.1 General requirements for both the standard CFN types ................................................................ 12

8.1.1 General ............................................................................................................................................................. 12

8.1.2 Materials .......................................................................................................................................................... 12

8.1.3 Contraction and throat ............................................................................................................................... 13

8.1.4 Diffuser ............................................................................................................................................................. 13

8.2 Requirements for each standard types of CFN ................................................................................... 14

8.2.1 Standard CFNs .............................................................................................. Error! Bookmark not defined.

8.2.2 Toroidal-throat CFN ..................................................................................................................................... 15

8.2.3 Cylindrical-throat CFN ................................................................................................................................ 16

9 Installation requirements ................................................................................................................................ 18

9.1 General requirements for both the standard configurations ....................................................... 18

9.1.1 Standard configurations ............................................................................................................................ 18

9.1.2 Upstream pressure tapping ...................................................................................................................... 18

9.1.3 Downstream pressure tapping ................................................................................................................ 19

© ISO 2022 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 9 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
ISO 9300:2022(E)

9.1.4 Temperature measurement ..................................................................................................................... 19

9.1.5 Density measurement ................................................................................................................................ 20

9.1.6 Drain hole ....................................................................................................................................................... 20

9.1.7 Downstream condition ............................................................................................................................... 20

9.2 Pipe configuration ....................................................................................................................................... 21

9.2.1 General ............................................................................................................................................................. 21

9.2.2 Upstream pipe ............................................................................................................................................... 21

9.2.3 Pressure measurement .............................................................................................................................. 22

9.2.4 Temperature measurement ..................................................................................................................... 22

9.3 Chamber configuration .............................................................................................................................. 23

9.3.1 General ............................................................................................................................................................. 23

9.3.2 Upstream chamber ...................................................................................................................................... 23

9.3.3 Pressure measurement .............................................................................................................................. 23

9.3.4 Temperature measurement ..................................................................................................................... 23

9.3.5 Back-pressure ratio ..................................................................................................................................... 23

10 Calculations .......................................................................................................................................................... 23

10.1 General ............................................................................................................................................................. 23

10.2 Calculation of mass flow rate, q ............................................................................................................ 23

10.3 Calculation of discharge coefficient, C ................................................................................................ 24

10.4 Calculation of critical flow function, C* or C* .................................................................................... 25

10.5 Conversion of measured pressure into stagnation pressure ....................................................... 25

10.6 Conversion of measured temperature into stagnation temperature........................................ 25

10.7 Calculation of viscosity ............................................................................................................................... 25

11 Estimation of critical back-pressure ratio................................................................................................. 26

11.1 For a traditional diffuser at Reynolds numbers higher than 2 × 10 ........................................ 26

11.2 For any diffuser at low Reynolds numbers ......................................................................................... 27

11.3 For CFNs without diffuser or with very short diffuser .................................................................... 28

12 Uncertainties in the measurement of flow rate ....................................................................................... 28

12.1 General ............................................................................................................................................................. 28

12.2 Practical computation of uncertainty ................................................................................................... 29

12.3 Correlated uncertainty components ..................................................................................................... 30

(informative) Discharge coefficient values .................................................................................... 32

(informative) Critical flow function .................................................................................................. 34

(informative) Critical flow function values — Pure gases and air .......................................... 37

(informative) Computation of critical mass flux for critical flow nozzles with high

nozzle throat to upstream pipe diameter ratio, β > 0,25 ............................................................... 62

(informative) Diameter correction method ................................................................................... 66

(informative) Adjustment of discharge coefficient curve on a data set ............................... 71

(informative) Discharge coefficient .................................................................................................. 79

(informative) Critical back pressure ratio ..................................................................................... 84

(informative) Viscosity values – Pure gases and air ..................................................................... 92

(informative) Supplement ................................................................................................................... 108

Bibliography ............................................................................................................................................................... 116

iv © ISO 2022 – All rights reserved
---------------------- Page: 10 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
ISO 9300:2022(E)
Foreword

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

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

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

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

International organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in

the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all

matters of electrotechnical standardization.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see

www.iso.org/iso/foreword.html.

ISO 9300 was prepared by Technical Committee ISO/TC 30, Measurement of fluid flow in closed conduits,

Subcommittee SC 2, Pressure differential devices, in collaboration with the European Committee for

Standardization (CEN) Technical Committee CEN/SS F05, Measuring instruments, in accordance with

the Agreement on technical cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).

This third edition cancels and replaces the second edition (ISO 9300:2005), which has been technically

revised.
The main changes are as follows:

— the discharge coefficient curve is given by a single equation each for the toroidal- and cylindrical-

throat critical flow nozzles (CFNs) that covers both the laminar and turbulent boundary layer

regimes;

— the discharge coefficient curve of the cylindrical-throat CFN is updated based on the recent

experimental and theoretical data;
— the quadrant CFN and detachable diffuser are introduced;
— the basic equations used to measure the discharge coefficient are listed;

— the premature unchoking phenomenon is explained to give attention to the unpredictable

unchoking at low Reynolds numbers;

— REFPROP is introduced for the calculations of critical flow function and viscosity as well as their

fitted curves are given for some pure gases and air;
© ISO 2022 – All rights reserved v
---------------------- Page: 11 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
ISO 9300:2022(E)

— the diameter correction method is introduced to fit the experimental discharge coefficient data to a

reference curve;

— the detailed method to match the discharge coefficient curve on an experimental data set is

described;
— the background of the specifications is given.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
vi © ISO 2022 – All rights reserved
---------------------- Page: 12 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
INTERNATIONAL STANDARD ISO 9300:2022(E)
Measurement of gas flow by means of critical flow nozzles
1 Scope

This document specifies the geometry and method of use (installation in a system and operating

conditions) of critical flow nozzles (CFNs) used to determine the mass flow rate of a gas flowing through

a system basically without the need to calibrate the CFN. It also gives the information necessary for

calculating the flow rate and its associated uncertainty.

This document is applicable to nozzles in which the gas flow accelerates to the critical velocity at the

minimum flowing section, and only where there is steady flow of single-phase gas. When the critical

velocity is attained in the nozzle, the mass flow rate of the gas flowing through the nozzle is the

maximum possible for the existing inlet condition, while the CFN can only be used within specified

limits, e.g. the CFN throat to inlet diameter ratio and Reynolds number. This document deals with the

toroidal- and cylindrical-throat CFNs for which direct calibration experiments have been made in

sufficient number to enable the resulting coefficients to be used with certain predictable limits of

uncertainty.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.

ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https://www.iso.org/obp
— IEC Electropedia: available at https://www.electropedia.org/
3.1 Pressure
3.1.1
static pressure
pressure of the flowing gas (see Annex J)

Note 1 to entry: The static pressure is measured through a wall pressure tapping (3.1.3).

3.1.2
stagnation pressure

pressure which would exist in a flowing gas stream if the stream were brought to rest by an isentropic

process
© ISO 2022 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 13 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
ISO 9300:2022(E)
3.1.3
wall pressure tapping

hole drilled in the wall of a conduit to measure the static pressure (3.1.1) of the flowing gas in the

conduit
3.2 Temperature
3.2.1
static temperature
temperature of the flowing gas (see Annex J)

Note 1 to entry: The static temperature cannot be measured exactly by a temperature sensor fixed in the conduit .

3.2.2
stagnation temperature

temperature which would exist in a flowing gas stream if the stream were brought to rest by an

isentropic process (see Annex J).
3.2.3
recovery temperature (wall temperature, measured temperature)
temperature of the gas touching the wall (see Annex J)

Note 1 to entry: The temperature sensor fixed on a conduit measures the recovery temperature.

3.3 Nozzle
3.3.1
contraction

portion of the nozzle (3.3.5) upstream of the throat (3.3.2) intended to accelerate the flow and attain the

supposed flow field at the critical point (3.4.4)
3.3.2
throat
portion of the nozzle (3.3.5) where the cross section is minimum

Note 1 to entry: This document deals with nozzles with toroidal- and cylindrical-throats.

3.3.3
diffuser

divergent portion of the nozzle (3.3.5) behind the throat (3.3.2) intended to recover the pressure

3.3.4
traditional diffuser
frustum diffuser (3.3.3) machined as one piece
3.3.5
nozzle

device inserted in a system intended to use for measurement of the flow rate through system, which

consists of contraction (3.3.1) and throat (3.3.2), or contraction (3.3.1), throat (3.3.2), and diffuser

(3.3.3)
3.3.6
critical flow nozzle
CFN
nozzle (3.3.5) that attains the critical flow (3.4.2)
2 © ISO 2022 – All rights reserved
---------------------- Page: 14 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
ISO 9300:2022(E)
3.3.7
normal precision nozzle
NPN

nozzle (3.3.5) machined by a lathe, with the surface polished to achieve the desired roughness

3.3.8
high precision nozzle
HPN

nozzle (3.3.5) machined by a lathe that can achieve mirror finish without polishing the surface, thus it

has the form exactly as designed
3.4 Flow
3.4.1
isentropic flow

theoretical flow along which the thermodynamic process is adiabatic and reversible (see Annex J)

3.4.2
critical flow

flow in a nozzle (3.3.5) that has attained the maximum flow rate of the nozzle (3.3.5) for a given set of

inlet conditions (see Annex J)
3.4.3
choke
attaining the critical flow (3.4.2) in a nozzle (3.3.5) (see Annex J)
3.4.4
critical point

location in the CFN (3.3.6) where the flow attains the critical velocity (3.4.11)

3.4.5
critical pressure
p *
static pressure (3.1.1) at the critical point (3.4.4) (see Annex J)
3.4.6
critical pressure of perfect gas
p *

theoretical static pressure (3.1.1) at the critical point (3.4.4) assuming the isentropic flow (3.4.1) of

perfect gas (3.6.1)
3.4.7
critical temperature
T *
static temperature (3.2.1) at the critical point (3.4.4)
3.4.8
critical temperature of perfect gas
T *

theoretical static temperature (3.2.1) at the critical point (3.4.4) assuming the isentropic flow (3.4.1) of

perfect gas (3.6.1)
© ISO 2022 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 15 ----------------------
SIST EN ISO 9300:2022
ISO 9300:2022(E)
3.4.9
critical density
density at the critical point (3.4.4)
3.4.10
critical density of perfect gas
ρ *

theoretical density at the critical point (3.4.4) assuming the isentropic flow (3.4.1) of perfect gas (3.6.1)

3.4.11
critical velocity
flow velocity at the critical point (3.4.4) (see Annex J)
3.4.12
critical velocity of perfect gas

theoretical flow velocity at the critical point (3.4.4) assuming the isentropic flow (3.4.1) of perfect gas

(3.6.1)
3.5 Flow rate
3.5.1
mass flow rate
mass of the gas passing through the CFN (3.3.6) per unit time
Note 1 to entry: In this document,
...

SLOVENSKI STANDARD
oSIST prEN ISO 9300:2021
01-september-2021
Merjenje pretoka plina na podlagi kritičnega toka v Venturijevi šobi (ISO/DIS
9300:2021)
Measurement of gas flow by means of critical flow nozzles (ISO/DIS 9300:2021)
Durchflussmessung von Gasen mit Venturidüsen bei kritischer Strömung (ISO/DIS
9300:2021)
Mesure de débit de gaz au moyen de Venturi-tuyères en régime critique (ISO/DIS
9300:2021)
Ta slovenski standard je istoveten z: prEN ISO 9300
ICS:
17.120.10 Pretok v zaprtih vodih Flow in closed conduits
oSIST prEN ISO 9300:2021 de

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

---------------------- Page: 1 ----------------------
oSIST prEN ISO 9300:2021
---------------------- Page: 2 ----------------------
oSIST prEN ISO 9300:2021
ENTWURF
EUROPÄISCHE NORM
prEN ISO 9300
EUROPEAN STANDARD
NORME EUROPÉENNE
Juli 2021
ICS 17.120.10 Vorgesehen als Ersatz für EN ISO 9300:2005
Deutsche Fassung
Durchflussmessung von Gasen mit Venturidüsen bei
kritischer Strömung (ISO/DIS 9300:2021)

Measurement of gas flow by means of critical flow Mesure de débit de gaz au moyen de Venturi-tuyères en

nozzles (ISO/DIS 9300:2021) régime critique (ISO/DIS 9300:2021)

Dieser Europäische Norm-Entwurf wird den CEN-Mitgliedern zur parallelen Umfrage vorgelegt. Er wurde vom Technischen

Komitee CEN/SS F05 erstellt.

Wenn aus diesem Norm-Entwurf eine Europäische Norm wird, sind die CEN-Mitglieder gehalten, die CEN-Geschäftsordnung zu

erfüllen, in der die Bedingungen festgelegt sind, unter denen dieser Europäischen Norm ohne jede Änderung der Status einer

nationalen Norm zu geben ist.

Dieser Europäische Norm-Entwurf wurde von CEN in drei offiziellen Fassungen (Deutsch, Englisch, Französisch) erstellt. Eine

Fassung in einer anderen Sprache, die von einem CEN-Mitglied in eigener Verantwortung durch Übersetzung in seine

Landessprache gemacht und dem CEN-CENELEC-Management-Zentrum mitgeteilt worden ist, hat den gleichen Status wie die

offiziellen Fassungen.

CEN-Mitglieder sind die nationalen Normungsinstitute von Belgien, Bulgarien, Dänemark, Deutschland, Estland, Finnland,

Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Kroatien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, den Niederlanden, Norwegen,

Österreich, Polen, Portugal, der Republik Nordmazedonien, Rumänien, Schweden, der Schweiz, Serbien, der Slowakei, Slowenien,

Spanien, der Tschechischen Republik, der Türkei, Ungarn, dem Vereinigten Königreich und Zypern.

Die Empfänger dieses Norm-Entwurfs werden gebeten, mit ihren Kommentaren jegliche relevante Patentrechte, die sie kennen,

mitzuteilen und unterstützende Dokumentationen zur Verfügung zu stellen.

Warnvermerk : Dieses Schriftstück hat noch nicht den Status einer Europäischen Norm. Es wird zur Prüfung und Stellungnahme

vorgelegt. Es kann sich noch ohne Ankündigung ändern und darf nicht als Europäischen Norm in Bezug genommen werden.

EUROPÄISCHES KOMITEE FÜR NORMUNG
EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION
COMITÉ EUROPÉEN DE NORMALISATION
CEN-CENELEC Management-Zentrum: Rue de la Science 23, B-1040 Brüssel

© 2021 CEN Alle Rechte der Verwertung, gleich in welcher Form und in welchem Ref. Nr. prEN ISO 9300:2021 D

Verfahren, sind weltweit den nationalen Mitgliedern von CEN
vorbehalten.
---------------------- Page: 3 ----------------------
oSIST prEN ISO 9300:2021
prEN ISO 9300:2021 (D)
Inhalt
Seite

Europäisches Vorwort................................................................................................................................................. 5

Vorwort ............................................................................................................................................................................ 6

1 Anwendungsbereich ..................................................................................................................................... 7

2 Normative Verweisungen ........................................................................................................................... 7

3 Begriffe .............................................................................................................................................................. 7

4 Symbole und Abkürzungen ..................................................................................................................... 12

5 Grundgleichungen ...................................................................................................................................... 15

5.1 Gasverhalten................................................................................................................................................. 15

5.1.1 Isentroper Prozess ..................................................................................................................................... 15

5.1.2 Zustandsgleichung...................................................................................................................................... 16

5.2 Isentrope Strömung eines idealen Gases ........................................................................................... 16

5.2.1 Strömungsquerschnitt .............................................................................................................................. 16

5.2.2 Statischer Druck .......................................................................................................................................... 16

5.2.3 Statische Temperatur................................................................................................................................ 16

5.3 Theoretische Variablen am kritischen Punkt .................................................................................. 16

5.3.1 Allgemeines................................................................................................................................................... 16

5.3.2 Kritischer Druck.......................................................................................................................................... 16

5.3.3 Kritische Temperatur ............................................................................................................................... 16

5.3.4 Kritische Dichte ........................................................................................................................................... 17

5.3.5 Kritische Geschwindigkeit....................................................................................................................... 17

5.4 Theoretischer Massendurchfluss ......................................................................................................... 17

5.4.1 Allgemeines................................................................................................................................................... 17

5.4.2 Theoretischer Massendurchfluss eines idealen Gases ................................................................. 17

5.4.3 Theoretischer Massendurchfluss eines realen Gases ................................................................... 17

5.5 Massendurchfluss ....................................................................................................................................... 17

6 Allgemeine Anforderungen..................................................................................................................... 18

7 Anwendungen, für die das Messverfahren geeignet ist ................................................................ 18

8 CFN ................................................................................................................................................................... 19

8.1 Allgemeine Anforderungen an beide Standardausführungen ................................................... 19

8.1.1 Allgemeines................................................................................................................................................... 19

8.1.2 Werkstoffe ..................................................................................................................................................... 19

8.1.3 Engstelle und Halsteil................................................................................................................................ 19

8.1.4 Diffusor ........................................................................................................................................................... 20

8.2 Anforderungen an die Standardausführungen................................................................................ 20

8.2.1 Standard-CFNs.............................................................................................................................................. 20

8.2.2 CFN mit Toroidhals..................................................................................................................................... 21

8.2.3 CFN mit Zylinderhals ................................................................................................................................. 22

9 Einbauanforderungen ............................................................................................................................... 24

9.1 Allgemeine Anforderungen an beide Standardkonfigurationen .............................................. 24

9.1.1 Standardkonfigurationen ........................................................................................................................ 24

9.1.2 Druckentnahmestelle im Einlaufrohr ................................................................................................. 24

9.1.3 Druckentnahmestelle am Auslaufrohr ............................................................................................... 25

9.1.4 Messung der Temperatur ........................................................................................................................ 25

---------------------- Page: 4 ----------------------
oSIST prEN ISO 9300:2021
prEN ISO 9300:2021 (D)

9.1.5 Messung der Dichte.....................................................................................................................................26

9.1.6 Entleerungsbohrung ..................................................................................................................................26

9.1.7 Bedingungen im Nachlaufrohr ...............................................................................................................26

9.2 Rohrkonfiguration ......................................................................................................................................26

9.2.1 Allgemeines ...................................................................................................................................................26

9.2.2 Einlaufrohr.....................................................................................................................................................26

9.2.3 Messung des Drucks ...................................................................................................................................27

9.2.4 Messung der Temperatur .........................................................................................................................28

9.3 Kammerkonfiguration...............................................................................................................................28

9.3.1 Allgemeines ...................................................................................................................................................28

9.3.2 Einlaufkammer.............................................................................................................................................28

9.3.3 Messung des Drucks ...................................................................................................................................28

9.3.4 Messung der Temperatur .........................................................................................................................28

9.3.5 Ausgangsdruckverhältnis.........................................................................................................................28

10 Berechnungen...............................................................................................................................................29

10.1 Allgemeines ...................................................................................................................................................29

10.2 Berechnung des Massendurchflusses, q ...........................................................................................29

10.3 Berechnung des Durchflusskoeffizienten, C ....................................................................................29

10.4 Berechnung der kritischen Durchflussfunktion, C* oder C* ......................................................30

10.5 Umrechnung des gemessenen Drucks in Ruhedruck.....................................................................31

10.6 Umrechnung der gemessenen Temperatur in Ruhetemperatur ...............................................31

10.7 Berechnung der Viskosität.......................................................................................................................31

11 Abschätzung des kritischen Ausgangsdruckverhältnisses ..........................................................31

11.1 Für herkömmlichen Diffusor bei Reynolds-Zahlen höher als 2 × 10 .....................................31

11.2 Für alle Diffusoren bei niedrigen Reynolds-Zahlen........................................................................32

11.3 Für CFNs ohne Diffusor oder mit sehr kurzem Diffusor................................................................33

12 Unsicherheiten bei der Durchflussmessung .....................................................................................33

12.1 Allgemeines ...................................................................................................................................................33

12.2 Praktische Berechnung der Messunsicherheit.................................................................................34

12.3 Korrelierte Unsicherheitskomponenten ............................................................................................35

Anhang A (informativ) Werte der Durchflusskoeffizienten ......................................................................37

Anhang B (informativ) Kritische Durchflussfunktion .................................................................................39

B.1 Allgemeines ...................................................................................................................................................39

B.2 Kritische Durchflussfunktion eines idealen Gases..........................................................................39

B.3 Kritische Durchflussfunktion eines realen Gases ...........................................................................40

B.4 Kritische Durchflussfunktion zur Verwendung bei Durchflusskalibrierung der CFN .......40

B.4.1 Allgemeines ...................................................................................................................................................40

B.4.2 Verwendung im gleichen Gas bei gleichen Ruhebedingungen ...................................................40

B.4.3 Verwendung im gleichen Gas im gleichen Bereich der Ruhebedingungen............................41

B.4.4 Bei Notwendig von genauen Werten ....................................................................................................41

B.5 Gase mit signifikantem Schwingungsrelaxationseffekt ................................................................41

Anhang C (normativ) Werte der kritischen Durchflussfunktion — Reingase und Luft...................42

C.1 Allgemeines ...................................................................................................................................................42

C.2 Stickstoff .........................................................................................................................................................43

C.3 Argon................................................................................................................................................................45

C.4 Trockene Luft mit Kohlenstoffdioxid (CIPM 2007-Zusammensetzung + CO /0,04 %) ..............47

C.5 Trockene Luft ohne Kohlenstoffdioxid (CIPM 2007-Zusammensetzung ohne CO )...........49

C.6 Luftfeuchtekorrektur für Luft mit einer typischen Zusammensetzung ..................................51

C.7 Methan.............................................................................................................................................................52

C.8 Kohlenstoffdioxid ........................................................................................................................................56

C.9 Sauerstoff........................................................................................................................................................59

---------------------- Page: 5 ----------------------
oSIST prEN ISO 9300:2021
prEN ISO 9300:2021 (D)

C.10 Dampf (Einphasengas).............................................................................................................................. 62

Anhang D (informativ) Berechnung des kritischen Massenstroms für Düsen bei kritischer

Strömung mit einem großen Durchmesserverhältnis Düsenhals/Einlaufrohr, β > 0,25 65

D.1 Allgemeines................................................................................................................................................... 65

D.2 Korrektionsfaktoren ................................................................................................................................. 65

Anhang E (informativ) Durchmesserkorrekturmethode .......................................................................... 69

E.1 Allgemeines................................................................................................................................................... 69

E.2 Durchführung............................................................................................................................................... 69

E.2.1 Visuelles Verfahren.................................................................................................................................... 70

E.2.2 Grobes Verfahren........................................................................................................................................ 70

E.2.3 Feines Verfahren......................................................................................................................................... 71

Anhang F (informativ) Anpassung der Durchflusskoeffizienten-Kurve an einen Datensatz ....... 74

F.1 Allgemeines................................................................................................................................................... 74

F.2 Anpassungsverfahren ............................................................................................................................... 75

Anhang G (informativ) Durchflusskoeffizient................................................................................................ 82

G.1 Allgemeines................................................................................................................................................... 82

G.2 Strömungsfeldverteilung entlang eines Durchmessers am kritischen Punkt ..................... 82

G.3 Abhängigkeit des Durchflusskoeffizienten von der Reynolds-Zahl ......................................... 83

G.4 Grenzschichtenübergang ......................................................................................................................... 84

G.5 Kurven der Durchflusskoeffizienten ................................................................................................... 85

G.6 Ermitteln der Kurven der Durchflusskoeffizienten ....................................................................... 86

Anhang H (informativ) Kritisches Ausgangsdruckverhältnis .................................................................. 87

H.1 Allgemeines................................................................................................................................................... 87

H.2 Theoretisches kritisches Ausgangsdruckverhältnis ..................................................................... 88

H.3 Beispiele für die typischen Drosselungsmuster mit dem Phänomen der vorzeitigen

Entdrosselung (PUP) ................................................................................................................................. 89

H.4 Drosselungsprüfung .................................................................................................................................. 92

H.4.1 Gegen eine Referenz-CFN ......................................................................................................................... 92

H.4.2 Gegen ein Referenz-Durchflussmessgerät......................................................................................... 93

Anhang I (informativ) Werte der Viskosität — Reingas und Luft ........................................................... 94

I.1 Allgemeines................................................................................................................................................... 94

I.2 Stickstoff......................................................................................................................................................... 96

I.3 Argon ............................................................................................................................................................... 96

I.4 Trockene Luft ............................................................................................................................................... 98

I.5 Methan ............................................................................................................................................................ 99

I.5 Kohlenstoffdioxid .....................................................................................................................................104

I.6 Sauerstoff .....................................................................................................................................................107

I.7 Dampf (Einphasengas)............................................................................................................................108

Anhang J (informativ) Begründung..................................................................................................................110

J.1 Allgemeines.................................................................................................................................................110

J.2 Ergänzungen zum Hauptteil .................................................................................................................110

Literaturhinweise ....................................................................................................................................................116

---------------------- Page: 6 ----------------------
oSIST prEN ISO 9300:2021
prEN ISO 9300:2021 (D)
Europäisches Vorwort

Dieses Dokument (prEN ISO 9300:2021) wurde vom Technischen Komitee ISO/TC 30 „Measurement of fluid

flow in closed conduits“ in Zusammenarbeit mit dem Technischen Komitee CEN/SS F05 „Messinstrumente“

erarbeitet, dessen Sekretariat von CCMC gehalten wird.
Dieses Dokument ist derzeit zur parallelen Umfrage vorgelegt.
Dieses Dokument wird EN ISO 9300:2005 ersetzen.
Anerkennungsnotiz

Der Text von ISO/DIS 9300:2021 wurde von CEN als prEN ISO 9300:2021 ohne irgendeine Abänderung

genehmigt.

Rückmeldungen oder Fragen zu diesem Dokument sollten an das jeweilige nationale Normungsinstitut des

Anwenders gerichtet werden. Eine vollständige Liste dieser Institute ist auf den Internetseiten von CEN

abrufbar.
---------------------- Page: 7 ----------------------
oSIST prEN ISO 9300:2021
prEN ISO 9300:2021 (D)
Vorwort

ISO (die Internationale Organisation für Normung) ist eine weltweite Vereinigung nationaler Normungs-

institute (ISO-Mitgliedsorganisationen). Die Erstellung von Internationalen Normen wird üblicherweise von

Technischen Komitees von ISO durchgeführt. Jede Mitgliedsorganisation, die Interesse an einem Thema hat,

für welches ein Technisches Komitee gegründet wurde, hat das Recht, in diesem Komitee vertreten zu sein.

Internationale staatliche und nichtstaatliche Organisationen, die in engem Kontakt mit ISO stehen, nehmen

ebenfalls an der Arbeit teil. ISO arbeitet bei allen elektrotechnischen Normungsthemen eng mit der

Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) zusammen.

Die Verfahren, die bei der Entwicklung dieses Dokuments angewendet wurden und die für die weitere Pflege

vorgesehen sind, werden in den ISO/IEC-Direktiven, Teil 1 beschrieben. Es sollten insbesondere die

unterschiedlichen Annahmekriterien für die verschiedenen ISO-Dokumentenarten beachtet werden. Dieses

Dokument wurde in Übereinstimmung mit den Gestaltungsregeln der ISO/IEC-Direktiven, Teil 2 erarbeitet

(siehe www.iso.org/directives).

Es wird auf die Möglichkeit hingewiesen, dass einige Elemente dieses Dokuments Patentrechte berühren

können. ISO ist nicht dafür verantwortlich, einige oder alle diesbezüglichen Patentrechte zu identifizieren.

Details zu allen während der Entwicklung des Dokuments identifizierten Patentrechten finden sich in der

Einleitung und/oder in der ISO-Liste der erhaltenen Patenterklärungen (siehe www.iso.org/patents).

Jeder in diesem Dokument verwendete Handelsname dient nur zur Unterrichtung der Anwender und bedeutet

keine Anerkennung.

Für eine Erläuterung des freiwilligen Charakters von Normen, der Bedeutung ISO-spezifischer Begriffe und

Ausdrücke in Bezug auf Konformitätsbewertungen sowie Informationen darüber, wie ISO die Grundsätze der

Welthandelsorganisation (WTO, en: World Trade Organization) hinsichtlich technischer Handelshemmnisse

(TBT, en: Technical Barriers to Trade) berücksichtigt, siehe www.iso.org/iso/foreword.html.

ISO 9300 wurde vom Technischen Komitee ISO/TC 30, Measurement of fluid flow in closed conduits,

Unterkomitee SC 2, Pressure differential devices, erarbeitet.

Diese dritte Ausgabe ersetzt die zweite Ausgabe (ISO 9300:2005), die technisch überarbeitet wurde.

Die in dieser Norm enthaltenen Informationen wurden aus vielen veröffentlichten Dokumenten und basierend

auf der Erfahrung der Mitglieder des Technischen Komitees und anderer sachkundiger Ingenieure

zusammengetragen. Diese Norm vereint verfügbare technische Informationen und bewährte Praktiken und

soll ein praktischer Leitfaden für die ordnungsgemäße Verwendung von Düsen bei kritischer Strömung sein.

Rückmeldungen oder Fragen zu diesem Dokument sollten an das jeweilige nationale Normungsinstitut des

Anwenders gerichtet werden. Eine vollständige Auflistung dieser Institute ist unter

www.iso.org/members.html zu finden.
---------------------- Page: 8 ----------------------
oSIST prEN ISO 9300:2021
prEN ISO 9300:2021 (D)
1 Anwendungsbereich

Diese Internationale Norm legt die geometrische Gestalt und die Betriebsweise (Einbau in ein System und

Betriebsbedingungen) von Düsen bei kritischer Strömung (CFNs, en: critical flow nozzles) fest, die den

Massendurchfluss eines durch ein System strömenden Gases bestimmen, ohne die CFN grundsätzlich zu

kalibrieren. Sie enthält außerdem die notwendigen Angaben für die Berechnung des Durchflusses und der

zugehörigen Unsicherheit.

Muss der Durchfluss CFN kalibriert werden, müssen alle Anschlüsse, Betriebsbedingungen und Berechnungen

den Vorgaben der Kalibriereinrichtung entsprechen, was in dieser Internationalen Norm nicht abgedeckt

wird. Für einige Bedingungen, wie z. B. kleine CFNs oder Gas mit signifikantem Schwingungsrelaxationseffekt

usw., wird die Durchflusskalibrierung empfohlen.

Diese Internationale Norm gilt für Düsen, in denen das Gas im kleinsten Strömungsquerschnitt auf die

kritische Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt wird und eine gleichbleibende Strömung nur für

einphasiges Gas vorliegt. Bei Erreichen der kritischen Geschwindigkeit in der Düse hat der Massendurchfluss

des durch die Düse strömenden Gases unter den auf der Einlaufseite vorhandenen Bedingungen sein

Maximum, wobei die CFN nur innerhalb festgelegter Grenzen eingesetzt werden kann, z. B. das Verhältnis von

Halsteil der CFN zum Durchmesser des Einlaufrohrs und Reynolds-Zahl. Diese Internationale Norm behandelt

CFNs mit Toroid- und Zylinderhals, die in ausreichend häufigen Versuchen direkt kalibriert wurden, wodurch

die sich draus ergebenden Koeffizienten mit vorhersagbaren Grenzwerten für die Unsicherheit angewendet

werden können.

Sie enthält Angaben für Fälle, in denen die Rohrleitung vor der CFN einen kreisrunden Querschnitt aufweist,

oder in denen ein großes Volumen (eine Kammer) vor der CFN oder vor einer Reihe von CFNs vorhanden ist.

Die Raumkonfiguration bietet die Möglichkeit, CFNs in Parallelschaltung einzubauen, um damit große

Durchflüsse und/oder veränderliche Volumendurchflüsse zu erzielen.

Zu Informationszwecken wird die Durchmesserkorrekturmethode (DCM, en: diameter correctio

...

Questions, Comments and Discussion

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