ISO 3354:2008
(Main)Measurement of clean water flow in closed conduits — Velocity-area method using current-meters in full conduits and under regular flow conditions
Measurement of clean water flow in closed conduits — Velocity-area method using current-meters in full conduits and under regular flow conditions
ISO 3354:2008 specifies a method for the determination of the volume flow-rate in a closed conduit by means of the velocity-area method using propeller-type current-meters under the following conditions: a) the velocity distribution is regular; b) the fluid is water which is clean or considered to be clean; c) the conduit is full; d) the flow is steady. ISO 3354:2008 deals in particular with the technology and calibration of propeller-type current-meters, the measurement of local velocities and the calculation of the flow-rate by velocity integration.
Mesurage de débit d'eau propre dans les conduites fermées — Méthode d'exploration du champ des vitesses dans les conduites en charge et dans le cas d'un écoulement régulier, au moyen de moulinets
L'ISO 3354:2008 spécifie une méthode de détermination du débit-volume par exploration du champ des vitesses au moyen de moulinets à hélice dans une conduite fermée, dans les conditions suivantes: la répartition des vitesses doit être régulière, le fluide doit être de l'eau propre ou considérée comme telle, la conduite doit être en charge et le régime doit être permanent. L'ISO 3354:2008 traite en particulier de la technologie et de l'étalonnage des moulinets, du mesurage des vitesses locales et du calcul du débit par intégration de ces vitesses.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 3354
Third edition
2008-07-15
Measurement of clean water flow in
closed conduits — Velocity-area method
using current-meters in full conduits and
under regular flow conditions
Mesurage de débit d'eau propre dans les conduites fermées —
Méthode d'exploration du champ des vitesses dans les conduites en
charge et dans le cas d'un écoulement régulier, au moyen de moulinets
Reference number
©
ISO 2008
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ii © ISO 2008 – All rights reserved
Contents Page
Foreword. v
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Terms and symbols .2
3.1 Terms .2
3.2 Symbols .3
4 Principle.4
4.1 General.4
4.2 Measurement of the measuring cross-section .5
4.3 Measurement of local velocities.6
4.4 Location and number of measuring points in the cross-section .7
5 Description of the current-meter.9
6 Requirements for the use of current-meters .9
6.1 Selection of the measuring cross-section .9
6.2 Devices for improving flow conditions.10
6.3 Calibration of the current-meter.11
6.4 Limits of use.11
6.5 Inspection and maintenance of current-meters .13
7 Setting of current-meters into the conduit.13
7.1 Setting of current-meters.13
7.2 Mounting in a circular cross-section.13
7.3 Mounting in a rectangular cross-section .14
8 Determination of the mean axial fluid velocity by graphical integration of the velocity area .16
8.1 General.16
8.2 Circular cross-sections.16
8.3 Rectangular cross-sections.18
9 Determination of the mean axial fluid velocity by numerical integration of the velocity
area.20
9.1 General.20
9.2 Circular cross-sections.21
9.3 Rectangular cross-sections.22
10 Determination of the mean axial fluid velocity by arithmetical methods.23
10.1 General.23
10.2 Log-linear method.23
10.3 Log-Chebyshev method.25
11 Uncertainty in the measurement of flow-rate .27
11.1 General.27
11.2 Sources of error in local velocity measurements .27
11.3 Sources of error in estimation of flow-rate .28
11.4 Propagation of errors .29
11.5 Presentation of results.29
11.6 Calculation of uncertainty.30
Annex A (normative) Measuring sections other than circular or rectangular sections .33
Annex B (normative) Corrections for blockage effect.38
Annex C (normative) Recommendations for the selection of the type of current-meter and
mounting strut. 39
Annex D (normative) Example of measuring point distribution along a radius for velocity
measurement in a conduit of circular cross-section in the case of the graphical and
numerical methods . 41
Annex E (normative) Determination of boundary layer coefficient, m, for extrapolation near the
wall. 43
Annex F (normative) Definition of terms and procedures used in the uncertainty calculation . 45
Annex G (normative) Student's t distribution. 48
Annex H (informative) Examples of values of component uncertainties. 49
Annex J (informative) Example of calculation of the uncertainty in the flow-rate measurement
using current-meters . 51
iv © ISO 2008 – All rights reserved
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
This International Standard was prepared by Technical Committee ISO/TC 30, Measurement of fluid flow in
closed conduits, Subcommittee SC 5, Velocity and mass methods.
This third edition results from the reinstatement of ISO 3354:1988 which was withdrawn in 2003 and with
which it is technically identical.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 3354:2008(E)
Measurement of clean water flow in closed conduits —
Velocity-area method using current-meters in full conduits
and under regular flow conditions
1 Scope
This International Standard specifies a method for the determination of the volume flow-rate in a closed
conduit by means of the velocity-area method using propeller-type current-meters under the following
conditions:
a) the velocity distribution is regular (see 6.1.2);
1)
b) the fluid is water which is clean or considered to be clean ;
c) the conduit is full;
2)
d) the flow is steady .
It deals in particular with the technology and calibration of propeller-type current-meters, the measurement of
local velocities and the calculation of the flow-rate by velocity integration.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 3455, Hydrometry — Calibration of current-meters in straight open tanks
ISO 4006, Measurement of fluid flow in closed conduits — Vocabulary and symbols
ISO 5168, Measurement of fluid flow — Procedures for the evaluation of uncertainties
ISO 7194, Measurement of fluid flow in closed conduits — Velocity-area methods of flow measurement in
swirling or asymmetric flow conditions in circular ducts by means of current-meters or Pitot static tubes
1) This method may be applied to other single-phase fluids but special precautions should be taken in this case.
2) The steady flows observed in conduits are in practice flows in which quantities such as velocity, pressure, density and
temperature vary in time about mean values independent of time; these are actually “mean steady flows”.
3 Terms, definitions and symbols
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 4006 and the following apply.
3.1 Terms
3.1.1
current-meter
device provided with a rotor the rotational frequency of which is a function of the local velocity of the fluid in
which the device is immersed
NOTE 1 This International Standard is concerned only with propeller-type current-meters, i.e. current-meters the rotor
of which is a propeller rotating around an axis approximately parallel to the direction of flow.
NOTE 2 Obviously this definition does not prohibit the use of self-compensating propellers (see 6.1.5), the merit of
which is, in particular, that they can be used at a rather high angle relative to the local direction of the flow. However, the
use of cup-type current-meters is not allowed for the purposes of this International Standard.
3.1.2
stationary array
set of current-meters mounted on one or more fixed supports which sample simultaneously the whole
measuring cross-section
3.1.3
peripheral flow-rate
the volume flow-rate in the area located between the pipe wall and the contour defined by the velocity
measuring points which are closest to the wall
3.1.4
mean axial fluid velocity
ratio of the volume flow-rate (the integral over a cross-section of the conduit of the axial components of the
local fluid velocity) to the area of the measuring cross-section
3.1.5
relative velocity
ratio of the flow velocity at the considered point to a reference velocity measured at the same time, which is
either the velocity at a particular point (e.g. at the centre of a circular conduit) or the mean axial fluid velocity in
the measuring section
3.1.6
straight length
portion of a conduit whose axis is straight, and in which the cross-sectional area and cross-sectional shape
are constant; the cross-sectional shape is usually circular or rectangular, but could be annular or any other
regular shape
3.1.7
irregularity
any pipe fitting or configuration of a conduit which renders the conduit different from a straight length or which
produces a considerable difference in wall roughness
NOTE In the case of the method of measurement specified in this International Standard, those irregularities which
create the most serious disturbances are generally bends, valves, gates and sudden widening of the cross-section.
3.1.8
hydraulic diameter
diameter equal to four times the hydraulic radius, i.e. four times the ratio of the wetted cross-sectional area to
the wetted perimeter
EXAMPLE In a conduit of circular cross-section running full, the hydraulic diameter is equal to the geometric
diameter.
2 © ISO 2008 – All rights reserved
3.1.9
index of asymmetry
〈for circular ducts〉 ratio of the standard deviation of the mean velocities calculated along each radius (i.e.
along each radial line from the pipe centre to the wall along which velocity measuring positions are located) to
the mean axial fluid velocity calculated for the pipe, i.e.
1/ 2
n
⎡⎤
⎢⎥UU−
()
∑ i
σ
⎢⎥
U 1
i i=1
Y==
⎢⎥
UU n−1
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
where
U is the mean velocity, calculated, in accordance with the integration method agreed, from the
i
individual point velocity measurements on the ith radius (see 8.2 and 9.2);
U is the mean axial fluid velocity calculated from all the individual point velocity measurements
throughout the cross-section;
n is the number of radii along which measurements are made
3.1.10
regular velocity distribution
distribution of velocities which sufficiently approaches a fully developed velocity distribution to permit an
accurate measurement of the flow-rate to be made
3.2 Symbols
Symbol Quantity Dimension SI unit
2 2
A
area of the measuring cross-section
L m
distance along a measuring line in a rectangular cross-section L m
a, a′
from the extreme measuring point to the nearest wall
D pipe diameter L m
d
propeller diameter L m
a a
e uncertainty (absolute value)
— —
a a
e random uncertainty
— —
r
a a
e systematic uncertainty
— —
s
E relative uncertainty — —
E relative random uncertainty — —
r
E relative systematic uncertainty — —
s
H length of the smaller side of the cross-section of a rectangular L m
conduit
h distance from a given measuring point to the reference wall, in L m
the direction parallel with the smaller side of the cross-section
k equivalent uniform roughness L m
L length of the larger side of the cross-section of a rectangular L m
conduit
Symbol Quantity Dimension SI unit
l distance from a given measuring point to the reference wall, in L m
the direction parallel with the larger side of the cross-section
m
boundary layer coefficient — —
−1
n frequency of rotation of a propeller r/s
T
p number of measuring points along a radius (circular cross- — —
section) or a straight line (rectangular cross-section)
3 −1 3
q volume flow-rate
L T m /s
V
R pipe radius L m
r measuring circle radius L m
*
* — —
r measuring circle relative radius, rr= R
Re Reynolds number — —
−1
U mean axial fluid velocity m/s
LT
−1
u mean velocity along a measurement circumference or line m/s
LT
−1
v local velocity of the fluid m/s
LT
−1
v local velocity of the fluid at the centre-line of the pipe m/s
LT
Y index of asymmetry of the flow — —
y distance from a measuring point to the nearest wall L m
*
— —
*
relative interval between two measuring points, yl=−l L
y ( )
ii−1
polar angle of a measuring point (in a circular cross-section) — rad
α
λ universal coefficient for pipe head loss — —
a
The dimensions and units are those of the quantity to which the symbol refers.
4 Principle
4.1 General
The principle of the method consists of
a) measuring the dimensions of the measuring section, which shall be chosen to be normal to the conduit
axis; this measurement is for defining the area of the cross-section (see 4.2);
b) defining the position of the measuring points in this cross-section, where the number of measuring points
shall be sufficient to permit adequate determination of the velocity distribution (see 4.3);
c) measuring the axial component of the velocity at these measuring points;
d) determining the mean axial fluid velocity from the preceding measurements;
e) calculating the volume flow-rate, which is equal to the product of the cross-sectional area and the mean
axial fluid velocity.
However, for certain cross-sections of particular shape, the treatment of the measurement leads directly to the
flow-rate determination without a preliminary calculation of the cross-sectional area and mean axial fluid
velocity (see Annex A).
4 © ISO 2008 – All rights reserved
The error resulting from the use of the velocity-area method is dependent, among other factors, on the shape
of the velocity profile and on the number and position of the measuring points.
The method of measurement and the requirements defined in this International Standard aim at achieving (at
the 95 % confidence level) an uncertainty in flow-rate not greater than ± 2 % provided that the correction for
blockage effect (see 6.4.3 and Annex B) has been applied.
However, this method is valid only if the flow is not affected by excessive swirl or asymmetry; criteria are given
in 6.1.2 so that an estimate can be made of whether or not the flow is regular enough for this International
Standard to be applicable and whether the uncertainty lies within the required range. If not, reference should
be made to ISO 7194.
In general, if any of the requirements of this International Standard are not fulfilled, this method may still be
applied but the uncertainty in the flow-rate measurement will be larger.
Moreover, only circular and rectangular cross-sections are specifically dealt with in this International Standard,
to cover the large majority of practical cases. Nevertheless, directions on how to proceed for certain other
cross-sections of particular shape are given in Annex A.
This International Standard presents three methods for determining the mean axial fluid velocity as follows.
4.1.1 Graphical integration of the velocity area (see Clause 8)
This method consists of plotting the velocity profile on a graph and evaluating the area under the curve which
is bounded by the measuring points closest to the wall. To the value thus obtained is added a term
representing the peripheral flow-rate (see 3.1.3) which is calculated on the assumption that the velocity profile
in this zone satisfies a power law.
For this method, the measuring points may be located at whichever positions are required in order to obtain a
satisfactory knowledge of the velocity profile.
4.1.2 Numerical integration of the velocity area (see Clause 9)
The only difference between this method and the previous method (4.1.1) lies in the fact that the graphical
velocity profile is replaced by an algebraic curve and the integration is carried out mathematically.
4.1.3 Arithmetical methods (see Clause 10)
The arithmetical methods assume that the velocity distribution follows a particular law; the mean velocity in the
conduit is then given by a linear combination of the individual velocities measured at the locations specified by
the method.
For the arithmetical methods described in Clause 10, the assumption is made that in the peripheral zone the
velocity distribution follows a logarithmic law as a function of the distance from the wall.
4.2 Measurement of the measuring cross-section
4.2.1 Circular cross-sections
The mean diameter of the conduit is taken as equal to the arithmetic mean of measurements carried out on at
least four diameters which are at approximately equal angles to one another in the measuring section. If the
difference between the lengths of two consecutive diameters is greater than 0,5 %, the number of measured
diameters shall be doubled.
4.2.2 Rectangular cross-sections
The smaller side and larger side of the conduit shall both be measured at least on each straight line passing
through the measuring points. If the difference between the widths (or heights) corresponding to two
successive measuring lines is greater than 1 %, the number of measured widths (or heights) shall be doubled.
4.3 Measurement of local velocities
4.3.1 General
The flow velocity at a point of the measuring section is determined by measuring the rotational frequency of a
current-meter placed at that point and by entering this value in the calibration equation of the current-meter.
The current-meter rotational frequency may be obtained:
⎯ either by counting the number of propeller rotations which occur within a predetermined period; or
⎯ by measuring the time required by the propeller to perform a specified number of rotations.
Another method that may be used is that whereby the velocity is determined by direct measurement of the
signal frequency.
For both methods, various measuring points in the cross-section may be explored simultaneously or
successively (see 4.3.2 and 4.3.3).
4.3.2 Simultaneous measurements
When several current-meters are used simultaneously, the method by measuring the time requires more
sophisticated counting equipment than the method by counting the number of revolutions, but it is more
accurate. The latter method may actually lead to an error since if a time interval is chosen, it may not
correspond to a whole number of rotations.
As local velocities are generally subject to long-term fluctuations, it is necessary to provide a sufficient period
of measurement for determining the mean velocity correctly. This period of time may be determined by
measuring the same flow-rate during gradually increasing intervals of time. The time of measurement, t, to be
adopted shall be such that the values of the mean velocity in the cross-section, obtained for measuring times
equal to t and t + ∆t, shall not vary by more than x %. For example, ∆t could be about 30 s and x chosen to be
0,1 %. Time, t, may vary according to the mean fluid velocity.
4.3.3 Non-simultaneous measurements
In cases where all velocity measurements points are not sampled simultaneously, it is essential that the shape
of the velocity profile in the measuring cross-section remain stable and be unaffected by possible variations in
the flow-rate during the measuring period. The steadiness of flow-rate shall then be checked and point
velocities possibly corrected by means of a continuous measurement, during the whole duration of gauging, of
the velocity at a reference point.
If only one measuring device is available, the steadiness of the flow-rate shall be checked by frequently
repeating measurements at the reference point.
However, note that velocity profile fluctuations do not necessarily create flow-rate fluctuations. In such a case
the use of a reference point velocity may lead to errors and it is preferable to check that the flow-rate is steady
by means of any pressure-difference device (e.g. standardized or non-standardized pressure-difference flow-
meter, a piezometric control on a convergence, a device on a bend, a spiral casing, a device for indicating a
peculiar pressure loss) even if it is not calibrated, provided that its reliability and adequate sensitivity have
been ascertained.
6 © ISO 2008 – All rights reserved
When the curve of the reference velocity, v , has been plotted against time, this curve is used to relate all
r
velocity measurements to the same reference flow-rate, q (preferably that which corresponds to the mean of
the reference velocity measurements). For comparatively small changes in the reference velocity, the velocity,
v , measured at any point at time, t, can be corrected by multiplying by the ratio of the reference velocity, v ,
i,t r,0
corresponding to the flow-rate, q , to reference velocity, v , at time, t :
0 r,t
⎛⎞
v
r,0
vv=
⎜⎟
ii,0 ,t
⎜⎟
v
r,t
⎝⎠
where v is the velocity at point i to be used for the integration.
i,0
4.3.4 Checking the velocity distribution
Even when the mean axial fluid velocity is calculated by a method which does not require plotting of the
velocity profile, it is recommended, in order to be confident that the velocity distribution is regular, that this
plotting be carried out, or at least that its regularity be checked by some other means.
In the same way, when several measurements are made on the same cross-section at different flow-rates, it is
recommended that the velocity profiles be plotted in a non-dimensional manner [i.e. by using the relative
velocities (see 3.1.5)] to check their consistency with one another and hence to ensure that there are no
abnormal features at particular flow-rates (thus, the profiles shall not change erratically as the flow-rate varies
over a wide range of Reynolds numbers).
It may also be useful to plot the velocity distribution curves as indicated above in order to detect any error in
the measurement of a local velocity. The doubtful measurement shall be repeated whenever possible; when
this cannot be done, it shall be rejected and the velocity profile drawn on the basis of the remaining data,
provided that there are independent reasons for believing that the doubtful measurement is false.
4.4 Location and number of measuring points in the cross-section
4.4.1 General
The location of the measuring points depends on the method chosen to calculate the flow-rate. The rules
relating to the methods specified in this International Standard are given in Clauses 8, 9 and 10.
Whatever the method, the following dimensional rules shall be complied with:
⎯ the minimum distance between the current-meter axis and the wall shall be 0,75d;
⎯ the minimum distance between the axes of two current-meters shall be (d + d )/2 + 0,03 m, where d and
1 2 1
d are the outside diameters of the propellers of the current-meters.
NOTE Usually, d and d are equal, but it can be useful to set current-meters having propellers smaller in diameter
1 2
than those used at other locations in the cross-section in the vicinity of the wall to explore best the flow pattern in this area
(see Clause 8).
The location of any current-meter shall be measured to the smaller of the following two uncertainties:
± 0,01 L, where L is the dimension of the conduit parallel to the direction of measurement of the current-
meter position;
± 0,02 y, where y is the distance of the current-meter from the nearest wall.
The minimum number of measuring points, applying in particular to small-dimension conduits, is specified in
4.4.2 and 4.4.3. As it is necessary that the velocity profile be known as accurately as possible, it may be
advantageous to increase the number of measuring points provided that this is allowed by the requirements
given above and that it does not cause notable blockage effects (see 6.4.3).
When a single current-meter is traversed across a conduit, it is first necessary to determine the distance
between a reference point (from which each position is measured) and the wall of the duct. This may
introduce a relatively large systematic error in all position measurements. In such circumstances it is
recommended, in the case of a circular cross-section conduit, that complete diameters be traversed (rather
than opposite radii on each diameter) since the systematic error will then tend to cancel out on the two halves
of the traverse. However, blockage and vibration problems may be more severe when a complete diameter is
traversed.
4.4.2 Circular cross-sections
The measuring points on circular cross-sections shall be located at every point of intersection between a given
number of circles concentric with the pipe axis and a given number of diameters at equal angular spacing.
The mimimum numbers recommended in the scope of this International Standard are three circles and two
mutually perpendicular diameters (see last paragraph) so that the minimum number of measuring points in the
cross-section is 12. An additional measuring point at the centre of the conduit is desirable to check the shape
of the velocity profile.
However, this minimum number is acceptable only if one of the following conditions is fulfilled:
⎯ if it is known that the velocity distribution is very nearly axisymmetrical, which is checked either by
examining the layout of the pipe or by measurements previously carried out in the same cross-section, or
⎯ if the use of a higher number of diameters results in a prohibitive blockage of the measuring section (see
6.4.3).
If neither of these conditions is fulfilled, the velocity distribution shall be scanned more closely, e.g. by
increasing to three the number of diameters. It should be noted that in general the uncertainty in flow
measurement is reduced more by increasing the number of radii along which measurements are made than
by increasing the number of points per radius; nevertheless, there is little advantage in exceeding four
diameters.
When the measurements are carried out by means of a stationary array, reference should be made to 6.4.4
for the minimum diameter of conduits in which this method can be applied; however, in any case the general
requirements given in 4.4.1 on the minimum distance between two current-meters prohibit the use of a
stationary array in conduits the diameter of which is less than 7,5 d + 0,18 m.
If a high accuracy is not required, measurements may be made along a single diameter provided that there is
a straight length of at least 60 D upstream of the measurement section and provided that the Reynolds
number is in excess of the values given in Table 1 for the corresponding values of the universal coefficient for
pipe head loss λ. (For the estimation of λ, see Annex E.)
Table 1 — The minimum Reynolds number as a function of the universal coefficient
for pipe head loss, λ
Re
λ
D
W 0,03
0,025
3 × 10
0,02
0,01
8 © ISO 2008 – All rights reserved
4.4.3 Rectangular cross-sections
The minimum number of measuring points shall be 25. Unless a special layout of measuring points is adopted
for the use of an arithmetical method, their position shall be defined by the intersections of at least five straight
lines running parallel to each of the boundaries of the cross-section.
When the measurements are carried out by means of a stationary array, reference should be made to 6.4.4
for the minimum dimensions of conduits in which this method can be applied; however, in any case the
general requirements given in 4.4.1 on the minimum distance between two current-meters prohibit the use of
a stationary array in conduits the smaller dimension of which is less than 5,5 d + 0,12 m.
5 Description of the current-meter
A propeller-type current-meter consists of a propeller, an axis of rotation, bearings and the current-meter body
with the counting device.
Each current-meter may be fitted with different types of propeller (e.g. of different pitch, diameter). Propellers
may have two or more blades and may be manufactured out of metal or plastics material.
Current-meters for site measurements shall be manufactured out of non-corrosive material only or shall be
effectively protected against corrosion. They shall be of sufficiently sturdy construction for their calibration to
remain valid under normal field operating conditions.
Components shall be interchangeable to allow easy replacement of worn or damaged parts, but this
replacement shall not increase the uncertainty in the measurement.
Output signals may be generated by mechanical contact or by any magnetic, electrical or optical device. They
are totalized or recorded on an appropriate receiver or indicated by an acoustic or optical device.
Counting shall be accurate and reliable for any given velocity within the operational range specified by the
manufacturer. The number of signals delivered per propeller revolution shall be consistent with the velocities
to be measured, the design of the receiver and an acceptable measuring period. In some cases, it will
therefore be necessary to be able to choose the number of signals per propeller revolution.
Provision shall be made for fixing the current-meter on a support in a well-defined position.
6 Requirements for the use of current-meters
6.1 Selection of the measuring cross-section
6.1.1 The cross-section selected for the measurements shall be located in a straight length; it shall be
perpendicular to the direction of flow and of simple shape, e.g. circular, rectangular. The measuring cross-
section shall be located in an area where the individual local velocities fall within the normal working range of
the current-meters used (see 6.4.2).
6.1.2 Close to the measuring cross-section, the flow shall be such that it may be considered to be “regular”,
i.e. it shall be substantially parallel to and symmetric about the conduit axis and shall present neither
excessive turbulence nor swirl. (For further information, see ISO 7194.)
The flow may be assumed to be sufficiently regular to permit the use of this International Standard if the two
following conditions are fulfilled:
a) at any point of the cross-section, the swirl angle shall be less than or equal to 5°;
b) the index of asymmetry, Y (as defined in 3.1.9), shall be less than or equal to 0,05.
As a guide, it can be assumed that a bulk swirl of the flow has no appreciable effect on the confidence limits
given in this International Standard for the flow-rate measurement so long as it results in a deviation in the
local velocity with respect to the pipe axis of less than 5°. An index of asymmetry, Y = 0,05, corresponds
approximately to a component uncertainty in the flow-rate arising from the asymmetry of the velocity
distribution of about 0,35 %, provided that the measuring cross-section is traversed along at least six radii.
6.1.3 For these requirements to be met, the measuring cross-section shall be chosen to be far enough
away from any disturbances that could create asymmetry, swirl or turbulence. The length of straight pipe that
may be required will vary with the flow velocity, upstream disturbances, wall roughness, the level of turbulence
and the degree of swirl, if any.
As a guide, it has often be assumed that there should be a straight length of conduit between the measuring
cross-section and any important irregularity upstream (see 3.1.7) of at least 20 times the hydraulic diameter of
the conduit (see 3.1.8). Similarly, there should be a straight length of at least five times the hydraulic diameter
of the conduit between the measuring cross-section and any important downstream irregularity. These values
have been generally acceptable in the past since conduits had comparatively rough walls. However, with the
use of very smooth modern linings, having lower hydraulic roughness, and the use of conduits larger and
larger in diameter, particular care needs to be taken when estimating the necessary straight lengths.
Furthermore, special consideration is necessary when the upstream irregularity (e.g. bends in different planes)
is such that it can give rise to a swirl of the flow, which is always very slow to disappear.
6.1.4 If there is any doubt about the flow conditions, it is necessary to make preliminary traverse tests to
ascertain the regularity of flow.
If these traverses show that the flow is not satisfactory, i.e. that it does not fulfil the conditions defined in 6.1.2,
reference shall be made to ISO 7194 for carrying out the flow measurement. Note, however, that the
asymmetry of the velocity distribution is taken into account in some measure by the very principle of the
velocity-area method and that it increases only slightly (normally less than ± 1 % if Y is not greater than 0,25)
the inaccuracy of the measurements provided that the number of measuring points is adequate, whereas swirl
affects every measurement of local velocity.
6.1.5 Although measurements with current-meters in oblique or converging flow shall as far as possible be
avoided, they may be carried out if one of the following conditions is fulfilled:
a) the current-meters used are designed to measure accurately the true axial component of the velocity, this
being checked by an appropriate calibration up to the expected maximum velocity;
b) the maximum flow deviation with respect to the current-meter axis does not exceed 5°.
NOTE Commonly used propellers may give correct indications up to angles of incidence of 5° with an accuracy of
1 % (relative deviation between the measured velocity and the axial component of the flow velocity). There exist self-
compensating propellers which measure directly the axial component of velocity with an error smaller than 1 % for greater
angles of incidence, but it is necessary to consider the particular sensitivity of such propellers to the influence of the
current-meter support (especially the angle of the plane containing the velocity vector and the current-meter axis to the
plane containing the current-meter support and axis) and to the flow turbulence.
6.2 Devices for improving flow conditions
If the velocity distribution is too irregular or the flow is not sufficiently parallel, but it is known that no swirl
exists in the flow, it is sometimes possible to remedy these irregularities by means of a guiding installation.
This consists of a slightly converging entrance connected, without creating any separation, to a straight pipe
length, the length of which is, if possible, at least equal to twice the larger dimension of the conduit. It shall be
ensured by calculation that the current-meters closest to the wall are within the boundary layer, the thickness
−0,2
of which is given by δ= 0,37xUx v , and that the procedures for evaluating the peripheral flow apply. If
()
this is not the case, the velocity shall be assumed not to vary between the current-meter closest to the wall
and the boundary layer, and the peripheral flow shall be calculated in the boundary layer only. If arithmetical
integration is used, it shall be checked, for at least one flow measurement, that no abnormal deviation exists
10 © ISO 2008 – All rights reserved
with respect to graphical or numerical integration. It should, however, be noted that the installation of such a
device may modify the flow-rate value.
6.3 Calibration of the current-meter
6.3.1 The calibration of a current-meter requires the empirical determination of the relationship between the
water velocity and the propeller velocity. This relationship is generally represented by one or several straight
lines given by the equation
va=+n b
where
v is the velocity, in metres per second, of the water;
n is the rotational frequency, in revolutions per second, of the propeller;
a and b are constants to be determined by calibration.
6.3.2 Calibration shall be carried out in an installation specially designed for this purpose in conformity with
the specifications of ISO 3455.
6.3.3 For calibration, the current-meter shall be fitted with the same support as that used for measurements.
6.3.4 Each current-meter shall be recalibrated at regular intervals depending on the conditions of use. As a
guide, these intervals are usually of a few hundred hours of operation in water of normal quality. However,
after a series of measurements, it is essential to check the calibration of a current-meter, the propeller or the
bearings of which appear to have been damaged (due to shocks, corrosion, abrasion, etc.). A recalibration is
also necessary if any component of the current-meter is changed.
6.3.5 In principle, each current-meter shall be calibrated individually. However, if the propellers of a series
of current-meters are dimensionally consistent and interchangeable and if a first calibration has proved the
hydraulic similitude of the propellers, statistical calibration equations may be derived from a sufficient number
of individual calibrations under well-defined conditions. In this case, the calibrating organization shall indicate
the maximum probable deviations from the mean calibration equation proposed.
6.4 Limits of use
6.4.1 Nature of the liquid
Current-meters shall not be used when their performance may be disturbed by dissolved or suspended
matters in the water in
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 3354
Troisième édition
2008-07-15
Mesurage de débit d'eau propre dans les
conduites fermées — Méthode
d'exploration du champ des vitesses
dans les conduites en charge et dans le
cas d'un écoulement régulier, au moyen
de moulinets
Measurement of clean water flow in closed conduits — Velocity-area
method using current-meters in full conduits and under regular flow
conditions
Numéro de référence
©
ISO 2008
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos. v
1 Domaine d'application.1
2 Références normatives .1
3 Termes, définitions et symboles.2
3.1 Termes et définitions.2
3.2 Symboles .3
4 Principe.4
4.1 Généralités .4
4.2 Mesurage de la section de jaugeage .5
4.3 Mesurage des vitesses locales .6
4.4 Emplacement et nombre de points de mesure dans la section.7
5 Description du moulinet.9
6 Conditions d'utilisation des moulinets.9
6.1 Choix de la section de mesure .9
6.2 Dispositifs pour l'amélioration de l'écoulement.11
6.3 Étalonnage du moulinet .11
6.4 Limites d'utilisation .11
6.5 Contrôle et entretien du moulinet .13
7 Mise en place des moulinets dans la conduite.13
7.1 Mise en place des moulinets .13
7.2 Montage en section circulaire .14
7.3 Montage en section rectangulaire.14
8 Détermination de la vitesse débitante par détermination graphique du champ des
vitesses.16
8.1 Généralités .16
8.2 Sections circulaires.16
8.3 Sections rectangulaires .18
9 Détermination de la vitesse débitante par intégration numérique du champ des vitesses.20
9.1 Généralités .20
9.2 Sections circulaires.21
9.3 Sections rectangulaires .22
10 Détermination de la vitesse débitante par les méthodes arithmétiques.23
10.1 Généralités .23
10.2 Méthode log-linéaire.23
10.3 Méthode log-Tchebycheff .25
11 Incertitude sur la mesure de débit .27
11.1 Généralités .27
11.2 Sources d'erreur dans le mesurage des vitesses locales.27
11.3 Sources d'erreur sur l'estimation du débit.28
11.4 Composition des erreurs .29
11.5 Présentation des résultats.29
11.6 Calcul de l'incertitude.30
Annexe A (normative) Sections de mesure de formes autres que circulaires et rectangulaires .33
Annexe B (normative) Corrections à apporter pour l'effet d'obstruction .38
Annexe C (normative) Recommandations pour le choix du type de moulinet et de perche-support.39
Annexe D (normative) Exemple de répartition des points de mesure le long d'un rayon pour le
mesurage de la vitesse dans une conduite de section circulaire dans le cas des
méthodes graphique et numérique . 41
Annexe E (normative) Détermination du coefficient de couche limite, m, pour l'extrapolation au
voisinage de la paroi. 43
Annexe F (normative) Définition des termes et des méthodes utilisés dans l'analyse des erreurs. 45
Annexe G (normative) Loi de t de Student. 48
Annexe H (informative) Exemples de valeurs des incertitudes composantes. 49
Annexe J (informative) Exemple du calcul de l'incertitude sur la mesure du débit à l'aide de
moulinets . 51
iv © ISO 2008 – Tous droits réservés
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 3354 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 30, Mesurage de débit des fluides dans les
conduites fermées, sous-comité SC 5, Méthodes de vitesse et massiques.
Cette troisième édition résulte du rétablissement de l’ISO 3354:1988 qui a été annulée en 2003 et dont le
contenu technique était identique.
NORME INTERNATIONALE ISO 3354:2008(F)
Mesurage de débit d'eau propre dans les conduites fermées —
Méthode d'exploration du champ des vitesses dans les
conduites en charge et dans le cas d'un écoulement régulier, au
moyen de moulinets
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie une méthode de détermination du débit-volume par exploration du
champ des vitesses au moyen de moulinets à hélice dans une conduite fermée, dans les conditions
suivantes:
a) la répartition des vitesses doit être régulière (voir 6.1.2);
1)
b) le fluide doit être de l'eau propre ou considérée comme telle;
c) la conduite doit être en charge;
2)
d) le régime doit être permanent .
Elle traite en particulier de la technologie et de l'étalonnage des moulinets, du mesurage des vitesses locales
et du calcul du débit par intégration de ces vitesses.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 3455, Hydrométrie — Étalonnage des moulinets en bassins découverts rectilignes
ISO 4006, Mesure de débit des fluides dans les conduites fermées — Vocabulaire et symboles
ISO 5168, Mesure de débit des fluides — Procédures pour le calcul de l'incertitude
ISO 7194, Mesurage de débit des fluides dans les conduites fermées — Mesurage de débit dans les
conduites circulaires dans le cas d'un écoulement giratoire ou dissymétrique par exploration du champ des
vitesses au moyen de moulinets ou de tubes de Pitot doubles
1) Cette méthode est applicable à d'autres fluides monophasiques mais dans ce cas, des précautions particulières
doivent être prises.
2) Les écoulements permanents observés dans les conduites sont, en pratique, des écoulements pour lesquels les
grandeurs telles que vitesse, pression, masse volumique et température, varient dans le temps autour de valeurs
moyennes indépendantes du temps; ce sont, en fait, des «écoulements permanents en moyenne».
3 Termes, définitions et symboles
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 4006 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1 Termes et définitions
3.1.1
moulinet
appareil muni d'un rotor dont la vitesse de rotation est fonction de la vitesse locale du fluide dans lequel il est
immergé
NOTE 1 La présente Norme internationale ne traite que des moulinets à hélice, c'est-à-dire des moulinets dont le rotor
est constitué par une hélice tournant autour d'un axe sensiblement parallèle à l'écoulement.
NOTE 2 Cette définition n'interdit évidemment pas l'emploi d'hélices autocomposantes (voir 6.1.5), dont le mérite est
précisemment de pouvoir être utilisées sous une inclinaison relativement importante par rapport à la direction locale de
l'écoulement. Par contre, l'emploi de moulinets à coupelles n'est pas autorisé dans le cadre de la présente norme.
3.1.2
batterie fixe
ensemble de moulinets montés sur un ou plusieurs supports fixes et explorant simultanément toute la section
de mesure
3.1.3
débit pariétal
débit-volume qui s'écoule dans la zone située dans la paroi de la conduite et le contour défini par les points de
mesure de la vitesse les plus proches de la paroi
3.1.4
vitesse débitante
rapport du débit-volume (intégrale dans la section de mesurage de la composante axiale des vitesses locales)
à l'aire de la section de mesure
3.1.5
vitesse relative
rapport de la vitesse de l'écoulement au point considéré à une vitesse de référence mesurée au même
moment, celle-ci pouvant être, soit la vitesse en un point particulier (par exemple au centre d'une conduite
circulaire), soit la vitesse débitante dans la section de mesure
3.1.6
longueur droite
tronçon de conduite dont l'axe est rectiligne et dont la surface et la forme de la section droite sont constantes;
la forme de cette section est généralement circulaire ou rectangulaire, mais peut être annulaire ou de toute
autre forme régulière
3.1.7
singularité
tout élément ou configuration d'une conduite qui fait que cette conduite n'a pas une longueur droite ou qui
entraîne une variation très importante de rugosité à la paroi
NOTE Dans le cadre de la présente Norme internationale, les singularités qui créent les perturbations les plus
gênantes pour le mesurage sont généralement les coudes, les robinets et vannes, les élargissements brusques, etc.
3.1.8
diamètre hydraulique
diamètre égal à quatre fois le rayon hydraulique, c'est-à-dire quatre fois le quotient de l'aire de la section
mouillée par le périmètre mouillé
EXEMPLE Pour une conduite en charge de section circulaire, le diamètre hydraulique est donc égal au diamètre
géométrique.
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3.1.9
indice de dissymétrie
〈pour les conduites circulaires〉 quotient de l'écart-type des vitesses moyennes calculées le long de chaque
rayon (c'est-à-dire de chaque ligne radiale allant du centre de la conduite à la paroi le long de laquelle sont
situés les points de mesure de la vitesse) par la vitesse débitante dans la conduite, soit:
1/ 2
n
⎡⎤
⎢⎥UU−
()
∑ i
σ
⎢⎥
U 1
i i=1
Y==
⎢⎥
UU n−1
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
où
U est la vitesse moyenne calculée conformément à la méthode d'intégration retenue, à partir des
i
vitesses mesurées en chaque point du rayon i (voir 8.2 et 9.2);
U est la vitesse débitante calculée à partir de toutes les vitesses locales mesurées dans la section;
n est le nombre de rayons le long desquels sont faites les mesures.
3.1.10
répartition régulière des vitesses
répartition des vitesses s'approchant suffisamment d'une répartition pleinement établie pour permettre une
mesure précise du débit
3.2 Symboles
Symbole Grandeur Dimension Unité SI
2 2
A aire de la section de mesurage
L m
a, a′ distance à la paroi la plus proche du point de mesurage extrême, L m
le long d'une droite de mesurage en section rectangulaire
D
diamètre de la conduite L m
d diamètre de l'hélice L m
e a a
incertitude (valeur absolue)
a a
e incertitude aléatoire
r
a a
e incertitude systématique
s
E incertitude relative — —
E incertitude aléatoire relative — —
r
E incertitude systématique relative — —
s
H
côté court de la section d'une conduite rectangulaire L m
h distance d'un point de mesure à la paroi d'origine, parallèlement L m
au côté court
k rugosité uniforme équivalente L m
L côté long de la section d'une conduite rectangulaire L m
l distance d'un point de mesure à la paroi d'origine, parallèlement L m
au côté long
m coefficient de couche limite — —
Symbole Grandeur Dimension Unité SI
−1
n fréquence de rotation de l'hélice r/s
T
p nombre de points de mesurage sur un rayon (section circulaire) — —
ou sur une droite (section rectangulaire)
3 −1
q débit-volume
m /s
L T
V
R rayon de la conduite L m
r rayon d’une circonférence de mesurage L m
*
*
— —
r
rayon relatif d’une circonférence de mesurage rr= R
Re nombre de Reynolds — —
−1
U vitesse débitante m/s
LT
−1
u
vitesse moyenne le long d’une circonférence ou d’une droite de m/s
LT
mesurage
−1
v
vitesse locale du fluide m/s
LT
−1
v vitesse locale au centre de la conduite m/s
LT
Y indice de dissymétrie de l’écoulement — —
y distance d’un point de mesurage à la paroi la plus proche L m
*
*
— —
y
intervalle relatif entre deux points de mesurage yl=−( l )L
ii−1
angle polaire d’un point de mesurage (en section circulaire) — rad
α
coefficient universel de perte de charge — —
λ
a
Les dimensions et unités sont celles de la grandeur considérée.
4 Principe
4.1 Généralités
Le principe de la méthode consiste
a) à mesurer les dimensions de la section de jaugeage qui aura été choisie perpendiculairement à l’axe de
la conduite; ce mesurage a pour but de définir l'aire de cette section (voir 4.2),
b) à définir dans cette section la position des points de mesurage, qui devront être choisis en nombre
suffisant pour connaître la répartition des vitesses de façon satisfaisante (voir 4.3),
c) à mesurer la composante axiale de la vitesse en ces points de mesure,
d) à déterminer la vitesse débitante à partir des mesures précédentes,
e) à calculer le débit-volume égal au produit de l'aire de la section par la vitesse débitante.
Toutefois, pour certaines sections de forme particulière, le traitement des mesures conduit directement à la
détermination du débit sans passer par la détermination préalable de l'aire de la section et de la vitesse
débitante (voir Annexe A).
L'erreur que l'on commet en utilisant la méthode d'exploration du champ des vitesses dépend, entre autres
facteurs, de la forme du profil des vitesses ainsi que du nombre et de l'emplacement des points de mesure.
4 © ISO 2008 – Tous droits réservés
La méthode de mesure et les exigences définies dans la présente Norme internationale visent à obtenir une
incertitude (au niveau de probabilité de 95 %) sur le débit au plus égale à ± 2 %, à condition que la correction
correspondant à l'effet d'obstruction (voir 6.4.3 et Annexe B), ait été apportée.
Ceci suppose toutefois que l'écoulement ne présente ni giration ni dissymétrie excessives; on trouvera en
6.1.2 des critères permettant de juger si l'écoulement est suffisamment régulier pour que la présente Norme
internationale soit applicable et que l'incertitude reste dans la gamme requise. Dans le cas contraire, on se
référera à l'ISO 7194.
Quand certaines conditions mentionnées dans la présente Norme internationale ne sont pas satisfaites, la
méthode reste généralement applicable, mais l'incertitude sur le débit est alors plus grande.
Par ailleurs, seuls sont traités dans la présente Norme internationale les cas des sections circulaires et
rectangulaires qui couvrent la très grande majorité des cas pratiques. On trouvera cependant à l'Annexe A,
des indications sur la façon d'opérer dans certaines sections de forme plus particulière.
La présente Norme internationale expose trois types suivants de méthodes de détermination de la vitesse
débitante.
4.1.1 Intégration graphique du champ des vitesses (voir Article 8)
Cette méthode consiste à tracer sur un graphique le profil des vitesses et à le planimétrer dans la région de la
conduite limitée par les points de mesure les plus proches de la paroi. À la valeur ainsi obtenue, on ajoute un
terme correspondant au débit pariétal (voir 3.1.3) calculé à partir de l'hypothèse que le profil des vitesses
dans cette zone suit une loi de puissance.
Dans cette méthode, les points de mesure peuvent être placés librement, mais doivent permettre une
connaissance satisfaisante du champ des vitesses.
4.1.2 Intégration numérique du champ des vitesses (voir Article 9)
La seule différence entre cette méthode et la précédente (4.1.1) consiste dans le fait que le graphique du
profil des vitesses est remplacé par une courbe algébrique et que l'intégration est effectuée de manière
analytique.
4.1.3 Méthodes arithmétiques (voir Article 10)
Les méthodes arithmétiques supposent que la répartition des vitesses suit une loi particulière; la vitesse
moyenne dans la conduite est alors donnée par une combinaison linéaire des vitesses individuelles mesurées
en des points dont la position est spécifiée par la méthode.
Les méthodes arithmétiques décrites dans l'Article 10 admettent, dans la zone pariétale, une loi logarithmique
de répartition des vitesses en fonction de la distance à la paroi.
4.2 Mesurage de la section de jaugeage
4.2.1 Sections circulaires
Le diamètre moyen de la conduite est pris égal à la moyenne arithmétique des mesures obtenues suivant au
moins quatre diamètres de la section de jaugeage faisant entre eux des angles sensiblement égaux. Si la
différence entre les longueurs de deux diamètres successifs est supérieure à 0,5 %, le nombre de diamètres
mesurés doit être doublé.
4.2.2 Sections rectangulaires
Le côté long et le côté court de la section rectangulaire doivent être mesurés sur au moins chaque droite
passant par les points de mesure. Si la différence entre les largeurs (ou les hauteurs) correspondant à deux
droites de mesure consécutives est supérieure à 1 %, le nombre de largeurs (ou de hauteurs) mesurées doit
être doublé.
4.3 Mesurage des vitesses locales
4.3.1 Généralités
La vitesse de l'écoulement en un point de la section de jaugeage est déterminée en mesurant la vitesse de
rotation d'un moulinet placé en ce point et en portant cette valeur dans l'équation d'étalonnage du moulinet.
La vitesse de rotation du moulinet peut être obtenue
⎯ soit en comptant le nombre de tours accomplis par l'hélice en un temps prédéterminé,
⎯ soit en mesurant le temps nécessaire pour que l'hélice accomplisse un nombre de tours prédéterminé.
Une autre méthode qui peut être utilisée est celle suivant laquelle la mesure de la vitesse est obtenue par
mesurage direct de la fréquence du signal.
Les différents points de mesure dans la section peuvent être explorés simultanément ou successivement (voir
4.3.2 et 4.3.3).
4.3.2 Mesurages simultanés
Lorsqu'on emploie simultanément plusieurs moulinets, la méthode par comptage du temps nécessite un
appareillage de comptage plus complexe que la méthode par comptage du nombre des tours, mais elle est
plus précise. En effet, on commet avec celle-ci une erreur due à l'intervalle de temps choisi qui peut ne pas
correspondre à un nombre entier de tours.
Les vitesses locales étant généralement sujettes à des fluctuations de longue période, il est nécessaire de
prévoir une durée de mesure suffisante pour déterminer correctement la vitesse moyenne. Cette durée pourra
être fixée en mesurant un même débit avec des temps successivement croissants. La durée de mesure, t, à
adopter doit être telle que les valeurs de la vitesse moyenne dans la section, obtenues avec des temps de
mesurage t et t + ∆t, ne diffèrent pas entre elles de plus de x %. Par exemple, ∆t, pourra être de l'ordre de
30 s, et x pourra être choisi égal à 0,1 %. Le temps t peut être variable selon la vitesse moyenne de
l'écoulement.
4.3.3 Mesurages non simultanés
Dans le cas où tous les points de mesure des vitesses ne sont pas explorés simultanément, il est essentiel
que la forme du profil des vitesses dans la section de jaugeage reste stable et ne soit pas affectée par les
variations éventuelles du débit pendant tout le temps du mesurage. On devra alors vérifier que l'écoulement
est permanent, et éventuellement corriger les vitesses ponctuelles, à l'aide d'un mesurage continu pendant
toute la durée du jaugeage, de la vitesse en un point de référence.
Si l'on ne dispose que d'un seul dispositif de mesure, il y a lieu de s'assurer que l'écoulement est permanent
en réitérant fréquemment le mesurage au point de référence.
Cependant, il faut signaler que des fluctuations du profil des vitesses peuvent se produire sans que cela
entraîne des fluctuations du débit. Dans un tel cas, l'emploi d'une vitesse ponctuelle de référence peut
entraîner des erreurs et il est préférable de contrôler que le débit est permanent à l'aide de tout dispositif
déprimogène (appareil déprimogène, normalisé ou non, contrôle piézométrique sur un convergent, un coude,
une bâche spirale, un dispositif indicateur de perte de charge singulière, etc.), même non étalonné, pourvu
que l'on soit assuré de sa fidélité et d'une sensibilité suffisante.
6 © ISO 2008 – Tous droits réservés
Ayant tracé la courbe de variation de la vitesse de référence, v , en fonction du temps, on utilisera cette
r
courbe pour ramener toutes les mesures d'exploration à un même débit de référence q (de préférence celui
qui correspond à la moyenne des mesures de référence). Pour des variations relativement faibles de la
vitesse de référence, on peut transposer la vitesse v , mesurée en un point quelconque i à l'instant t, en la
i,t
multipliant par le rapport entre la vitesse de référence v correspondant au débit q et la vitesse de référence
r,0 0
v à l'instant t:
r,t
⎛⎞
v
r,0
vv= ⎜⎟
ii,0 ,t
⎜⎟
v
r,t
⎝⎠
où v est la vitesse au point i à utiliser pour l'intégration.
i,0
4.3.4 Contrôle de la répartition des vitesses
Même lorsque la vitesse débitante est calculée par une méthode qui ne nécessite pas de tracer le profil des
vitesses, il est recommandé, afin de s'assurer que la répartition des vitesses est régulière, de procéder à ce
tracé ou, à défaut, d'en contrôler la régularité de toute autre manière.
De la même façon, quand on effectue plusieurs mesurages dans une même section à des débits différents, il
est recommandé de tracer les profils des vitesses de manière adimensionnelle [c'est-à-dire en utilisant les
vitesses relatives (voir 3.1.5)], afin de vérifier leur bonne concordance et s'assurer ainsi qu'il n'existe pas de
profils anormaux pour certains débits (les profils ne doivent pas varier de manière erratique, quand le débit
varie, pour une large gamme de nombre de Reynolds).
Il peut également être utile de tracer les courbes de répartition des vitesses comme indiqué ci-dessus afin de
déceler une erreur éventuelle dans la mesure d'une vitesse locale. Si cela est possible, le mesurage suspecté
doit être recommencé, sinon, il doit être éliminé et le profil des vitesses tracé sur la base des profils obtenus
précédemment pourvu qu'il y ait des raisons indépendantes de penser que cette mesure suspectée est
fausse.
4.4 Emplacement et nombre de points de mesure dans la section
4.4.1 Généralités
La position des points de mesure dépend de la méthode choisie pour calculer le débit. Les règles relatives
aux méthodes spécifiées dans la présente Norme internationale sont données dans les Articles 8, 9 et 10,
respectivement.
Quelle que soit la méthode, les règles dimensionnelles suivantes doivent être respectées:
⎯ distance minimale entre l'axe du moulinet et la paroi: 0,75d;
⎯ entraxe minimal entre deux moulinets: (d + d )/2 + 0,03 m, d et d étant les diamètres extérieurs de
1 2 1 2
l'hélice des moulinets.
NOTE d et d sont le plus souvent égaux, mais il peut être utile de placer au voisinage de la paroi des hélices de
1 2
plus faible diamètre afin d'explorer le mieux possible l'écoulement dans cette zone (voir Article 8).
Le positionnement du moulinet doit être mesuré avec une incertitude égale à la plus petite des valeurs
suivantes:
± 0,01 L, L étant la dimension de la conduite parallèlement à la mesure du positionnement du moulinet;
± 0,02 y, y étant la distance du moulinet à la paroi la plus proche.
4.4.2 et 4.4.3 spécifiant un nombre minimal de points de mesure s'appliquent particulièrement à des conduites
de petites dimensions. Compte tenu du besoin de connaître le mieux possible le profil des vitesses, le nombre
de points de mesure sera avantageusement accru dans la mesure où les règles dimensionnelles ci-dessus le
permettent et où cela n'entraîne pas d'effet d'obstruction sensible (voir 6.4.3).
Quand on utilise un seul moulinet pour l'exploration de la conduite, on doit tout d'abord déterminer la distance
entre un point de référence (à partir duquel on mesure chaque position) et la paroi de la conduite. Cela peut
introduire une erreur systématique relativement grande pour tous les mesurages de positionnement. Dans ces
circonstances, il est recommandé, dans le cas d'une conduite de section circulaire, d'explorer des diamètres
complets (plutôt que des rayons opposés sur chaque diamètre), car l'erreur systématique tendra ainsi à
s'annuler sur les deux moitiés de l'exploration.
Cependant, les problèmes dus à l'obstruction et aux vibrations peuvent s'avérer plus graves lorsque
l'exploration est effectuée sur un diamètre complet.
4.4.2 Sections circulaires
Les points de mesure dans les sections circulaires doivent être situés aux intersections d'un nombre donné de
circonférences centrées sur l'axe de la conduite et d'un nombre donné de diamètres d'égal espacement
angulaire.
Les nombres minimaux recommandés dans le cadre de la présente Norme internationale sont de trois
circonférences et de deux diamètres perpendiculaires entre eux (voir dernier alinéa), de sorte que le nombre
minimal de points de mesure dans la section soit de 12. Un point de mesure supplémentaire au centre de la
conduite est souhaitable pour vérifier la forme du profil des vitesses.
Cependant, ce nombre minimal n'est acceptable que si l'une des deux conditions suivantes est remplie:
⎯ si on a la quasi-certitude que la répartition des vitesses est très proche d'une répartition axi-symétrique,
soit du fait du tracé de la conduite, soit à la suite de mesurages effectués précédemment dans la même
section, ou
⎯ si la mise en place d'un nombre plus élevé de diamètres entraîne une obstruction rédhibitoire de la
section de mesure (voir 6.4.3).
Dans le cas contraire, il faudra procéder à une exploration plus serrée du champ des vitesses, par exemple
en portant à trois le nombre des diamètres. Il faut en effet souligner que, le plus souvent, l'incertitude sur la
mesure du débit sera davantage réduite en augmentant le nombre de rayons sur lesquels les mesurages sont
faits, plutôt qu'en augmentant le nombre de points par rayon; il n'y aurait cependant guère d'intérêt à
dépasser le nombre de quatre diamètres.
Quand les mesurages sont faits au moyen d'une batterie fixe, on se référera à 6.4.4 pour le diamètre minimal
des conduites dans lesquelles cette méthode est applicable; mais, en tout état de cause, les exigences
générales données en 4.4.1 relatives à l'espacement des moulinets conduisent à interdire l'emploi d'une
batterie fixe dans les conduites de diamètre inférieur à 7,5d + 0,18 m.
Si l'on ne recherche pas une grande exactitude, on peut effectuer les mesurages le long d'un seul diamètre, à
condition qu'il y ait une longueur droite d'au moins 60D en amont de la section de mesure et que le nombre de
Reynolds soit supérieur aux valeurs données dans le Tableau 1, pour les valeurs correspondantes du
coefficient universel de perte de charge λ (pour l'évaluation de λ, voir Annexe E).
Tableau 1 — Nombre de Reynolds minimal en fonction du coefficient universel de perte de charge, λ
λ Re
D
W 0,03
0,025
3 × 10
0,02
0,01
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4.4.3 Sections rectangulaires
Le nombre de points de mesure doit être au mimimum de 25. À moins que l'on ne doive adopter une
disposition spéciale des points de mesure pour utiliser une méthode arithmétique, leur emplacement doit être
défini par les intersections d'au moins cinq droites parallèles à chacune des parois de la conduite.
NOTE Quand les mesurages sont faits au moyen d'une batterie fixe, on se référera à 6.4.4 pour les dimensions
minimales des conduites dans lesquelles cette méthode est applicable; en tout état de cause, les exigences générales
données en 4.4.1, relatives à l'espacement des moulinets, conduisent à interdire l'emploi d'une batterie fixe dans les
conduites dont la plus petite dimension est inférieure à 5,5d + 0,12 m.
5 Description du moulinet
Le moulinet à hélice se compose d'une hélice, d'un axe de rotation, de paliers et du corps du moulinet avec le
dispositif de comptage.
Chaque moulinet peut être équipé d'hélices de différents types (pas, diamètre). L'hélice comporte deux pales
ou plus, et elle peut être fabriquée en métal ou en matière plastique.
Les moulinets pour mesurages in situ doivent être fabriqués entièrement en matériau inoxydable ou bien être
protégés de façon efficace contre la corrosion. Ils doivent être de construction suffisamment robuste pour que
leur étalonnage reste valable dans les conditions normales de fonctionnement in situ.
Les pièces détachées doivent être interchangeables pour permettre un remplacement aisé des parties usées
ou endommagées, mais ce remplacement ne doit pas accroître l'incertitude de mesure.
Les signaux peuvent être émis par un contact mécanique ou un moyen magnétique, électrique ou optique. Ils
sont totalisés ou enregistrés sur un récepteur approprié, ou indiqués par un dispositif acoustique ou optique.
Le comptage doit être précis et sûr pour n'importe quelle vitesse comprise dans les limites d'emploi définies
par le constructeur. Le nombre de signaux délivrés par révolution de l'hélice doit être compatible avec les
vitesses à mesurer, la conception du récepteur utilisé et un temps de mesure acceptable. Dans certains cas, il
sera donc nécessaire de pouvoir choisir le nombre de signaux par tour d'hélice.
Des dispositifs doivent être prévus pour fixer le moulinet sur une perche dans une position bien déterminée.
6 Conditions d'utilisation des moulinets
6.1 Choix de la section de mesure
6.1.1 La section choisie pour effectuer les mesurages doit être située dans un alignement droit; elle doit
être perpendiculaire à la direction de l'écoulement et de forme géométrique simple, par exemple circulaire ou
rectangulaire. La section de mesure doit être située dans une zone où les vitesses locales de l'écoulement se
trouvent dans la gamme normale d'utilisation des moulinets employés (voir 6.4.2).
6.1.2 Au voisinage de la section de mesure, l'écoulement doit pouvoir être considéré comme «régulier»,
c'est-à-dire qu'il doit être sensiblement parallèle et symétrique par rapport à l'axe de la conduite et qu'il ne doit
présenter ni turbulence excessive ni giration. On pourra pour cela se référer à l'ISO 7194.
On admettra que l'écoulement est suffisamment régulier pour autoriser l'emploi de la présente Norme
internationale si les deux conditions suivantes sont satisfaites:
a) en tout point de la section, l'angle de giration doit être inférieur ou égal à 5°;
b) l'indice de dissymétrie Y (tel que défini en 3.1.9) doit être inférieur ou égal à 0,05.
En effet, à titre indicatif, on peut considérer qu'une giration globale de l'écoulement reste sans influence
notable sur les limites de confiance, données dans la présente Norme internationale, du débit mesuré tant
qu'elle se traduit par une inclinaison des vitesses locales par rapport à l'axe de la conduite inférieure à 5°.
Quant à la valeur Y = 0,05, elle correspond approximativement à une incertitude composante sur le débit, due
à la dissymétrie de la répartition des vitesses d'environ 0,35 %, pour autant que la section de mesure soit
explorée sur au moins six rayons.
6.1.3 Pour satisfaire à ces conditions, la section de mesure doit être choisie suffisamment éloignée de toute
singularité qui pourrait créer une dissymétrie, une giration ou de la turbulence. La longueur droite de
tuyauterie qui peut être nécessaire varie avec la vitesse de l'écoulement, les singularités amont, la rugosité
des parois, le niveau de turbulence et le degré de giration, s'il en existe.
À titre indicatif, on a souvent considéré que la longueur droite de tuyauterie entre la section de mesure et
toute singularité importante (voir 3.1.7) en amont, doit être d'au moins 20 fois le diamètre hydraulique de la
conduite (voir 3.1.8). De même, la longueur droite entre la section de mesure et toute singularité importante
en aval, doit être d’au moins cinq fois le diamètre hydraulique de la conduite. Ces valeurs pouvaient être
acceptées de façon assez générale lorsque les conduites présentaient des parois relativement rugueuses,
mais la diminution générale de la rugosité hydraulique due à l’emploi de revêtements modernes très lisses,
aussi bien qu’à l’existence de conduites de diamètres de plus en plus grand, conduit à une grande prudence
dans l’estimation des longueurs droites nécessaires.
De plus, on devra se montrer particulièrement exigeant lorsque la nature des singularités amont (coudes dans
des plans différents, par exemple) est telle qu’elle peut entraîner une giration de l’écoulement, toujours très
longue à disparaître.
6.1.4 Si l’on n’est pas certain des conditions de l’écoulement, il est nécessaire d’effectuer des explorations
préliminaires permettant de s’assurer que l’écoulement est régulier.
Si ces explorations montrent que l’écoulement n’est pas satisfaisant, c’est-à-dire qu’il ne répond pas aux
conditions définies en 6.1.2, on doit se référer à l’ISO 7194 pour effectuer le mesurage du débit. Il faut
cependant souligner que la dissymétrie de la répartition des vitesses est, jusqu’à un certain point, prise en
compte par le principe même de la méthode d’exploration du champ des vitesses et qu’elle n’augmente que
peu (normalement moins de ± 1 % si Y n'est pas supérieur à 0,25) l'imprécision des mesures, tout au moins si
le nombre de points de mesurage est suffisant, au contraire de la giration qui fausse chaque mesure de
vitesse locale.
6.1.5 Bien que des mesurages au moulinet en écoulement oblique ou convergent doivent autant que
possible être évités, ils peuvent cependant être pratiqués si l'une des conditions suivantes est satisfaite:
a) les moulinets utilisés sont étudiés pour mesurer avec exactitude la vraie composante axiale de la vitesse,
cela étant contrôlé par un étalonnage approprié jusqu'à la vitesse maximale prévisible de l'écoulement;
b) la déviation maximale de l'écoulement par rapport à l'axe du moulinet ne dépasse pas 5°.
NOTE Les hélices usuelles peuvent donner des indications correctes jusqu'à des incidences de 5° avec une
exactitude de 1 % (écart relatif entre la vitesse mesurée et la composante axiale de la vitesse de l'écoulement). Il existe
des hélices autocomposantes qui mesurent directement la composante axiale de la vitesse avec une erreur inférieure à
1 % pour des angles d'incidence supérieurs, mais il est nécessaire d'attirer l'attention sur la sensibilité particulière de ce
type d'hélices à l'influence du support du moulinet (notamment l'angle formé par le plan contenant le vecteur vitesse et
l'axe du moulinet avec le plan contenant le support et l'axe du moulinet) et à la turbulence de l'écoulement.
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6.2 Dispositifs pour l'amélioration de l'écoulement
Si la répartition des vitesses est trop irrégulière ou l'écoulement insuffisamment parallèle, mais si l'on a pu
s'assurer que l'écoulement ne présente pas de giration, il est parfois possible d'y remédier à l'aide d'une
installation de guidage. Celle-ci comportera une entrée légèrement convergente raccordée, sans que cela
provoque des décollements, à un tronçon droit dont la longueur sera si possible au moins égale à deux fois la
plus grande dimension de la conduite. On s'assurera par un calcul que les moulinets les plus proches de la
−0,2
paroi sont dans la couche limite dont l'épaisseur est donnée par δ= 0,37xU()x v ,et que les modes
opératoires d'évaluation du débit pariétal s'appliquent. Dans le cas contraire, la vitesse sera admise invariable
entre le moulinet le plus proche de la paroi et la couche limite; le débit pariétal ne sera calculé que dans celle-
ci. Si une intégration arithmétique est utilisée, on vérifiera, pour au moins une mesure du débit, qu'aucun écart
anormal n'existe avec une intégration graphique ou numérique. Il faut toutefois signaler que l'installation d'un
tel dispositif peut modifier la valeur du débit.
6.3 Étalonnage du moulinet
6.3.1 L'étalonnage d'un moulinet consiste à déterminer expérimentalement la relation entre la vitesse de
l'eau et celle de l'hélice. Cette relation est représentée en général par une ou plusieurs droites d'équation:
va=+n b
où
v est la vitesse de l'eau, en mètres par seconde;
n est la vitesse de rotation de l'hélice, en tours par seconde;
a et b sont des constantes à déterminer par étalonnage.
6.3.2 L'étalonnage doit être effectué dans une installation conçue à cet effet, en conformité avec les
prescriptions de l'ISO 3455.
6.3.3 Lors de son étalonnage, le moulinet doit être équipé du même support que celui qui sera utilisé lors
des mesurages.
6.3.4 Chaque moulinet doit
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.