ISO 5167-4:2003
(Main)Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full — Part 4: Venturi tubes
Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full — Part 4: Venturi tubes
ISO 5167-4:2003 specifies the geometry and method of use (installation and operating conditions) of Venturi tubes when they are inserted in a conduit running full to determine the flowrate of the fluid flowing in the conduit. ISO 5167-4:2003 also provides background information for calculating the flow-rate and is applicable in conjunction with the requirements given in ISO 5167-1. ISO 5167-4:2003 is applicable only to Venturi tubes in which the flow remains subsonic throughout the measuring section and where the fluid can be considered as single-phase. In addition, each of these devices can only be used within specified limits of pipe size, roughness, diameter ratio and Reynolds number. ISO 5167-4:2003 is not applicable to the measurement of pulsating flow. It does not cover the use of Venturi tubes in pipes sized less than 50 mm or more than 1 200 mm, or for where the pipe Reynolds numbers are below 20 000. ISO 5167-4:2003 deals with the three types of classical Venturi tubes: cast, machined and rough welded sheet-iron. A Venturi tube is a device which consists of a convergent inlet connected to a cylindrical throat which is in turn connected to a conical expanding section called the "divergent". The differences between the values of the uncertainty of the discharge coefficient for the three types of classical Venturi tube show, on the one hand, the number of results available for each type of classical Venturi tube and, on the other hand, the more or less precise definition of the geometric profile. The values are based on data collected many years ago. Venturi nozzles (and other nozzles) are dealt with in ISO 5167-3.
Mesure de débit des fluides au moyen d'appareils déprimogènes insérés dans des conduites en charge de section circulaire — Partie 4: Tubes de Venturi
L'ISO 5167-4:2003 spécifie la géométrie et le mode d'emploi (conditions d'installation et d'utilisation) de tubes de Venturi insérés dans une conduite en charge dans le but de déterminer le débit du fluide s'écoulant dans cette conduite. L'ISO 5167-4:2003 fournit également des informations de fond nécessaires au calcul de ce débit, et il convient de l'utiliser conjointement avec les exigences stipulées dans l'ISO 5167-1. L'ISO 5167-4:2003 est applicable uniquement aux tubes de Venturi utilisés dans les limites spécifiées de diamètre de conduite, de rugosité, de rapport des diamètres et de nombre de Reynolds, dans lesquels l'écoulement reste subsonique dans tout le tronçon de mesurage contenant un fluide pouvant être considéré comme monophasique. Elle n'est pas applicable au mesurage d'un écoulement pulsé. Elle ne couvre pas l'utilisation de tubes de Venturi dans des conduites de diamètre inférieur à 50 mm ou supérieur à 1 200 mm, ni les cas où les nombres de Reynolds rapportés à la tuyauterie sont inférieurs à 2 x 105. L'ISO 5167-4:2003 traite de trois types de tubes de Venturi classiques: a) à convergent brut de fonderie; b) usiné; c) en tôle soudée brute. Un tube de Venturi se compose d'un convergent d'entrée, relié à un col cylindrique qui est, à son tour, relié à un évasement de forme tronconique appelé «divergent». Les différences entre les valeurs de l'incertitude du coefficient de décharge pour les trois types de tube de Venturi classique indiquent, d'une part, le nombre de résultats disponibles pour chaque type de tube de Venturi classique et, d'autre part, la définition plus ou moins précise du profil géométrique. Les valeurs sont fondées sur des données recueillies il y a de nombreuses années. Les Venturi-tuyères (et d'autres tuyères) font l'objet de l'ISO 5167-3.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 5167-4
First edition
2003-03-01
Measurement of fluid flow by means of
pressure differential devices inserted in
circular cross-section conduits running
full —
Part 4:
Venturi tubes
Mesure de débit des fluides au moyen d'appareils déprimogènes
insérés dans des conduites en charge de section circulaire —
Partie 4: Tubes de Venturi
Reference number
ISO 5167-4:2003(E)
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ISO 2003
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ISO 5167-4:2003(E)
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Published in Switzerland
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ISO 5167-4:2003(E)
Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope. 1
2 Normative references . 2
3 Terms and definitions. 2
4 Principles of the method of measurement and computation. 2
5 Classical Venturi tubes. 3
5.1 Field of application . 3
5.2 General shape . 3
5.3 Material and manufacture. 7
5.4 Pressure tappings. 7
5.5 Discharge coefficient, C . 8
5.6 Expansibility [expansion] factor, ε . 9
5.7 Uncertainty of the discharge coefficient C. 10
5.8 Uncertainty of the expansibility [expansion] factor ε. 10
5.9 Pressure loss. 10
6 Installation requirements . 11
6.1 General. 11
6.2 Minimum upstream and downstream straight lengths for installation between various
fittings and the Venturi tube . 11
6.3 Flow conditioners . 15
6.4 Additional specific installation requirements for classical Venturi tubes . 15
Annex A (informative) Table of expansibility [expansion] factor . 17
Annex B (informative) Classical Venturi tubes used outside the scope of ISO 5167-4. 18
Annex C (informative) Pressure loss in a classical Venturi tube . 22
Bibliography . 24
© ISO 2003 — All rights reserved iii
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ISO 5167-4:2003(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.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 5167-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 30, Measurement of fluid flow in closed conduits,
Subcommittee SC 2, Pressure differential devices.
This first edition of ISO 5167-4, together with the second edition of ISO 5167-1 and the first editions of
ISO 5167-2 and ISO 5167-3, cancels and replaces the first edition of ISO 5167-1:1991, which has been
technically revised, and ISO 5167-1:1991/Amd.1:1998.
ISO 5167 consists of the following parts, under the general title Measurement of fluid flow by means of
pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full:
Part 1: General principles and requirements
Part 2: Orifice plates
Part 3: Nozzles and Venturi nozzles
Part 4: Venturi tubes
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ISO 5167-4:2003(E)
Introduction
ISO 5167, divided into four parts, covers the geometry and method of use (installation and operating
conditions) of orifice plates, nozzles and Venturi tubes when they are inserted in a conduit running full to
determine the flowrate of the fluid flowing in the conduit. It also gives necessary information for calculating the
flowrate and its associated uncertainty.
ISO 5167 is applicable only to pressure differential devices in which the flow remains subsonic throughout the
measuring section and where the fluid can be considered as single-phase, but is not applicable to the
measurement of pulsating flow. Furthermore, each of these devices can only be used within specified limits of
pipe size and Reynolds number.
ISO 5167 deals with devices for which direct calibration experiments have been made, sufficient in number,
spread and quality to enable coherent systems of application to be based on their results and coefficients to
be given with certain predictable limits of uncertainty.
The devices introduced into the pipe are called “primary devices”. The term primary device also includes the
pressure tappings. All other instruments or devices required for the measurement are known as “secondary
1)
devices”. ISO 5167 covers primary devices; secondary devices will be mentioned only occasionally.
ISO 5167 is divided into the following four parts.
a) Part 1 of ISO 5167 gives general terms and definitions, symbols, principles and requirements as well as
methods of measurement and uncertainty that are to be used in conjunction with Parts 2 to 4 of ISO 5167.
b) Part 2 of ISO 5167 specifies orifice plates, which can be used with corner pressure tappings, D and D/2
2)
pressure tappings , and flange pressure tappings.
3)
c) Part 3 of ISO 5167 specifies ISA 1932 nozzles , long radius nozzles and Venturi nozzles, which differ in
shape and in the position of the pressure tappings.
4)
d) This part of ISO 5167 specifies classical Venturi tubes .
Aspects of safety are not dealt with in Parts 1 to 4 of ISO 5167. It is the responsibility of the user to ensure
that the system meets applicable safety regulations.
1) See ISO 2186:1973, Fluid flow in closed conduits — Connections for pressure signal transmissions between primary
and secondary elements.
2) Orifice plates with “vena contracta” pressure tappings are not considered in ISO 5167.
3) ISA is the abbreviation for the International Federation of the National Standardizing Associations, which was
succeeded by ISO in 1946.
4) In the USA the classical Venturi tube is sometimes called the Herschel Venturi tube.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 5167-4:2003(E)
Measurement of fluid flow by means of pressure differential
devices inserted in circular cross-section conduits running
full —
Part 4:
Venturi tubes
1 Scope
This part of ISO 5167 specifies the geometry and method of use (installation and operating conditions) of
Venturi tubes when they are inserted in a conduit running full to determine the flowrate of the fluid flowing in
the conduit.
This part of ISO 5167 also provides background information for calculating the flowrate and is applicable in
conjunction with the requirements given in ISO 5167-1.
This part of ISO 5167 is applicable only to Venturi tubes in which the flow remains subsonic throughout the
measuring section and where the fluid can be considered as single-phase. In addition, each of these devices
can only be used within specified limits of pipe size, roughness, diameter ratio and Reynolds number. This
part of ISO 5167 is not applicable to the measurement of pulsating flow. It does not cover the use of Venturi
tubes in pipes sized less than 50 mm or more than 1 200 mm, or where the pipe Reynolds numbers are below
5
2 × 10 .
This part of ISO 5167 deals with the three types of classical Venturi tubes:
a) cast;
b) machined;
c) rough welded sheet-iron.
A Venturi tube is a device which consists of a convergent inlet connected to a cylindrical throat which is in turn
connected to a conical expanding section called the “divergent”. The differences between the values of the
uncertainty of the discharge coefficient for the three types of classical Venturi tube show, on the one hand, the
number of results available for each type of classical Venturi tube and, on the other hand, the more or less
precise definition of the geometric profile. The values are based on data collected many years ago. Venturi
nozzles (and other nozzles) are dealt with in ISO 5167-3.
NOTE 1 Research into the use of Venturi tubes in high-pressure gas [ W 1 MPa ( W 10 bar)] is being carried out at
present (see References [1], [2], [3] in the Bibliography). In many cases for Venturi tubes with machined convergent
sections discharge coefficients which lie outside the range predicted by this part of ISO 5167 by 2 % or more have been
found. For optimum accuracy Venturi tubes for use in gas should be calibrated over the required flowrate range. In high-
pressure gas the use of single tappings (or at most two tappings in each plane) is not uncommon.
NOTE 2 In the USA the classical Venturi tube is sometimes called the Herschel Venturi tube.
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ISO 5167-4:2003(E)
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 4006:1991, Measurement of fluid flow in closed conduits — Vocabulary and symbols
ISO 5167-1:2003, Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular
cross-section conduits running full — Part 1: General principles and requirements
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 4006 and ISO 5167-1 apply.
4 Principles of the method of measurement and computation
The principle of the method of measurement is based on the installation of a Venturi tube into a pipeline in
which a fluid is running full. In a Venturi tube a static pressure difference exists between the upstream section
and the throat section of the device. Whenever the device is geometrically similar to one on which direct
calibration has been made, the conditions of use being the same, the flowrate can be determined from the
measured value of this pressure difference and from a knowledge of the fluid conditions.
The mass flowrate can be determined by the following formula:
C π
2
qd=∆ερ2p (1)
m 1
4
4
1− β
The uncertainty limits can be calculated using the procedure given in Clause 8 of ISO 5167-1:2003.
Similarly, the value of the volume flowrate can be calculated since
q
m
q =
V
ρ
where ρ is the fluid density at the temperature and pressure for which the volume is stated.
Computation of the flowrate, which is a purely arithmetic process, is performed by replacing the different items
on the right-hand side of Equation (1) by their numerical values. Table A.1 gives Venturi tube expansibility
factors (ε). They are not intended for precise interpolation. Extrapolation is not permitted.
The diameters d and D mentioned in Equation (1) are the values of the diameters at working conditions.
Measurements taken at any other conditions should be corrected for any possible expansion or contraction of
the primary device and the pipe due to the values of the temperature and pressure of the fluid during the
measurement.
It is necessary to know the density and the viscosity of the fluid at working conditions. In the case of a
compressible fluid, it is also necessary to know the isentropic exponent of the fluid at working conditions.
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ISO 5167-4:2003(E)
5 Classical Venturi tubes
5.1 Field of application
5.1.1 General
The field of application of the classical Venturi tubes dealt with in this part of ISO 5167 depends on the way in
which they are manufactured.
Three types of standard classical Venturi tube are defined according to the method of manufacture of the
internal surface of the entrance cone and the profile at the intersection of the entrance cone and the throat.
These three methods of manufacture are described in 5.1.2 to 5.1.4 and have somewhat different
characteristics.
There are limits to the roughness and Reynolds number for each type which shall be addressed.
5.1.2 Classical Venturi tube with an “as cast” convergent section
This is a classical Venturi tube made by casting in a sand mould, or by other methods which leave a finish on
the surface of the convergent section similar to that produced by sand casting. The throat is machined and the
junctions between the cylinders and cones are rounded.
These classical Venturi tubes can be used in pipes of diameter between 100 mm and 800 mm and with
diameter ratios β between 0,3 and 0,75 inclusive.
5.1.3 Classical Venturi tube with a machined convergent section
This is a classical Venturi tube cast or fabricated as in 5.1.2 but in which the convergent section is machined
as are the throat and the entrance cylinder. The junctions between the cylinders and cones may or may not be
rounded.
These classical Venturi tubes can be used in pipes of diameter between 50 mm and 250 mm and with
diameter ratios β between 0,4 and 0,75 inclusive.
5.1.4 Classical Venturi tube with a rough-welded sheet-iron convergent section
This is a classical Venturi tube normally fabricated by welding. For larger sizes it may not be machined if the
tolerance required in 5.2.4 can be achieved, but in the smaller sizes the throat is machined.
These classical Venturi tubes can be used in pipes of diameter between 200 mm and 1 200 mm and with
diameter ratios β between 0,4 and 0,7 inclusive.
5.2 General shape
5.2.1 Figure 1 shows a section through the centreline of the throat of a classical Venturi tube. The letters
used in the text refer to those shown on Figure 1.
The classical Venturi tube is made up of an entrance cylinder A connected to a conical convergent section B,
a cylindrical throat C and a conical divergent section E. The internal surface of the device is cylindrical and
concentric with the pipe centreline. The coaxiality of the convergent section and the cylindrical throat is
assessed by visual inspection.
5.2.2 The minimum cylinder length, measured from the plane containing the intersection of the cone
frustum B with the cylinder A, may vary as a result of the manufacturing process (see 5.2.8 to 5.2.10). It is,
however, recommended that it be chosen to be equal to D.
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ISO 5167-4:2003(E)
The entrance cylinder diameter D shall be measured in the plane of the upstream pressure tappings. The
number of measurements shall be at least equal to the number of pressure tappings (with a minimum of four).
The diameters shall be measured near each pair of pressure tappings, and also between these pairs. The
arithmetic mean value of these measurements shall be taken as the value of D in the calculations.
Diameters shall also be measured in planes other than the plane of the pressure tappings.
No diameter along the entrance cylinder shall differ by more than 0,4 % from the value of the mean diameter.
This requirement is satisfied when the difference in the length of any of the measured diameters complies with
the said requirement with respect to the mean of the measured diameters.
Key
1 conical convergent E
2 cylindrical throat, C
3 conical convergent B
4 entrance cylinder A
5 connecting planes
a
7° u ϕ u 15°
b
Flow direction
c
See 5.4.7
Figure 1 — Geometric profile of the classical Venturi tube
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ISO 5167-4:2003(E)
5.2.3 The convergent section B shall be conical and shall have an included angle of 21°± 1° for all types of
classical Venturi tube. It is limited upstream by the plane containing the intersection of the cone frustum B with
the entrance to cylinder A (or their prolongations) and downstream by the plane containing the intersection of
the cone frustum B with the throat C (or their prolongations).
The overall length of the convergent B measured parallel to the centreline of the Venturi tube is therefore
approximately equal to 2,7(D − d).
The convergent section B is blended to the entrance cylinder A by a curvature of radius R , the value of which
1
depends on the type of classical Venturi tube.
The profile of the convergent section shall be checked by means of a template. The deviation between the
template and the conical section of the convergent section shall not exceed, in any place, 0,004D.
The internal surface of the conical section of the convergent section is taken as being a surface of revolution if
two diameters situated in the same plane perpendicular to the axis of revolution do not differ from the value of
the mean diameter by more than 0,4 %.
It shall be checked in the same way that the joining curvature with a radius R is a surface of revolution.
1
5.2.4 The throat C shall be cylindrical with a diameter d. It is limited upstream by the plane containing the
intersection of the cone frustum B with the throat C (or their prolongations) and downstream by the plane
containing the intersection of the throat C with the cone frustum E (or their prolongations). The length of the
throat C, i.e the distance between those two planes, shall be equal to d ± 0,03d whatever the type of classical
Venturi tube.
The throat C is connected to the convergent section B by a curvature of radius R and to the divergent section
2
E by a curvature of radius R . The values of R and R depend on the type of classical Venturi tube.
3 2 3
The diameter d shall be measured very carefully in the plane of the throat pressure tappings. The number of
measurements shall be at least equal to the number of pressure tappings (with a minimum of four). The
diameters shall be measured near each pair of pressure tappings and also between these pairs. The
arithmetic mean value of all these measurements shall be taken as the value of d in the calculations.
Diameters shall also be measured in planes other than the plane of the pressure tappings.
No diameter along the throat shall differ by more than 0,1 % of the value of the mean diameter. This
requirement is satisfied when the difference in the length of any of the measured diameters complies with the
said requirement in respect of the mean of the measured diameters.
The throat of the classical Venturi tube shall be machined or be of equivalent smoothness over the whole of its
length to the surface roughness specified in 5.2.7.
It shall be checked that the joining curvatures into the throat with radii R and R are surfaces of revolution as
2 3
described in 5.2.3. This requirement is satisfied when two diameters, situated in the same plane perpendicular
to the axis of revolution, do not differ from the value of the mean diameter by more than 0,1 %.
The values of the radii of curvature R and R shall be checked by means of a template.
2 3
The deviation between the template and the classical Venturi tube shall evolve in a regular way for each
curvature so that the single maximum deviation that is measured occurs at approximately midway along the
template profile. The value of this maximum deviation shall not exceed 0,02d.
5.2.5 The divergent section E shall be conical and may have an included angle, ϕ, of between 7° and 15°. It
is, however, recommended that an angle between 7° and 8° be chosen. Its smallest diameter shall not be less
than the throat diameter.
5.2.6 A classical Venturi tube is called “truncated” when the outlet diameter of the divergent section is less
than the diameter D and “not truncated” when the outlet diameter is equal to diameter D. The divergent portion
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ISO 5167-4:2003(E)
may be truncated by about 35 % of its length without significantly modifying the pressure loss of the device or
its discharge coefficient.
5.2.7 The roughness criterion Ra, of the throat and that of the adjacent curvature shall be as small as
−4
possible and shall always be less than 10 d. The divergent section is rough cast. Its internal surface shall be
clean and smooth. Other parts of the classical Venturi tube have specified roughness limits depending on the
type considered.
5.2.8 The profile of the classical Venturi tube with an “as cast” convergent section has the following
characteristics.
The internal surface of the convergent section B is sand cast. It shall be free from cracks, fissures,
−4
depressions, irregularities and impurities. The roughness criterion Ra for the surface shall be less than 10 D.
The minimum length of the entrance cylinder A shall be equal to the smaller of the following two values:
D, or
0,25D + 250 mm (see 5.2.2).
The internal surface of the entrance cylinder A may be left “as cast” provided that it has the same surface
finish as the convergent section B.
The radius of curvature R shall be equal to 1,375D ± 0,275D.
1
The radius of curvature R shall be equal to 3,625d ± 0,125d.
2
The length of the cylindrical part of the throat shall be no less than d/3. In addition, the length of the cylindrical
part between the end of the joining curvature R and the plane of the pressure tappings, as well as the length
2
of the cylindrical part between the plane of the throat pressure tappings and the beginning of the joining
curvature R , shall be no less than d/6 (see also 5.2.4 for the throat length).
3
The radius of curvature R shall lie between 5d and 15d. Its value shall increase as the divergent angle
3
decreases. A value close to 10d is recommended.
5.2.9 The profile of the classical Venturi tube with a machined convergent section has the following
characteristics.
The minimum length of the entrance cylinder A shall be equal to D.
The radius of curvature R shall be less than 0,25D and preferably equal to zero.
1
The radius of curvature R shall be less than 0,25d and preferably equal to zero.
2
The length of the throat cylindrical part between the end of the curvature R and the plane of the throat
2
pressure tappings shall be no less than 0,25d.
The length of the throat cylindrical part between the plane of the throat pressure tappings and the beginning of
the joining curvature R shall be no less than 0,3d.
3
The radius of curvature R shall be less than 0,25d and preferably equal to zero.
3
The entrance cylinder and the convergent section shall have a surface finish equal to that of the throat (see
5.2.7).
5.2.10 The profile of the classical Venturi tube with a rough-welded sheet-iron convergent section has the
following characteristics.
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ISO 5167-4:2003(E)
The minimum length of the entrance cylinder A shall be equal to D.
There shall be no joining curvature between the entrance cylinder A and the convergent section B other than
that resulting from welding.
There shall be no joining curvature between the convergent section B and the throat C other than that
resulting from welding.
There shall be no joining curvature between the throat C and the divergent section E.
The internal surface of the entrance cylinder A and the convergent section B shall be clean and free from
−4
encrustation and welding deposits. It may be galvanized. Its roughness criterion Ra shall be about 5 × 10 D.
The internal welded seams shall be flush with the surrounding surfaces. They shall not be located in the
vicinity of the pressure tappings.
5.3 Material and manufacture
5.3.1 The classical Venturi tube may be manufactured from any material, provided that it is in accordance
with the foregoing description and will remain so during use.
5.3.2 It is also recommended that the convergent section B and the throat C be joined as one part. It is
recommended that in the case of a classical Venturi tube with a machined convergent, the throat and the
convergent section be manufactured from one piece of material. If, however, they are made in two separate
parts they shall be assembled before the internal surface is finally machined.
5.3.3 Particular care shall be given to the centring of the divergent section E on the throat. There shall be
no step in diameters between the two parts.
This can be established by touch before the classical Venturi tube is installed, but after the divergent section
has been assembled with the throat section.
5.4 Pressure tappings
5.4.1 The upstream and throat pressure tappings shall be made in the form of separate pipe wall pressure
tappings interconnected by annular chambers, piezometer rings or, if there are four tappings, a “triple-T”
arrangement (see 5.4.3 of ISO 5167-1:2003).
5.4.2 If d is greater than or equal to 33,3 mm, the diameter of these tappings shall be between 4 mm and
10 mm and moreover shall never be greater than 0,1D for the upstream tappings and 0,13d for the throat
pressure tappings.
If d is less than 33,3 mm, the diameter of the throat pressure tappings shall be between 0,1d and 0,13d and
the diameter of the upstream pressure tappings shall be between 0,1d and 0,1D.
It is recommended that pressure tappings be as small as compatible with the fluid be used (for example, with
its viscosity and cleanness).
5.4
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 5167-4
Première édition
2003-03-01
Mesure de débit des fluides au moyen
d'appareils déprimogènes insérés dans
des conduites en charge de section
circulaire —
Partie 4:
Tubes de Venturi
Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices
inserted in circular cross-section conduits running full —
Part 4: Venturi tubes
Numéro de référence
ISO 5167-4:2003(F)
©
ISO 2003
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ISO 5167-4:2003(F)
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives. 2
3 Termes, définitions et symboles . 2
4 Principes de la méthode de mesurage et mode de calcul . 2
5 Tubes de Venturi classiques . 3
5.1 Domaine d’application. 3
5.2 Forme générale . 3
5.3 Matériau et fabrication. 7
5.4 Prises de pression . 8
5.5 Coefficient de décharge, C. 9
5.6 Coefficient de détente, eeee. 10
5.7 Incertitude sur le coefficient de décharge C . 10
5.8 Incertitude sur le coefficient de détente eeee . 10
5.9 Perte de pression . 10
6 Exigences d’installation . 12
6.1 Généralités. 12
6.2 Longueurs droites minimales d’amont et d’aval à installer entre différents accessoires et
le tube de Venturi . 12
6.3 Conditionneurs d’écoulement . 15
6.4 Exigences spécifiques supplémentaires d’installation pour les tubes de Venturi
classiques. 16
Annexe A (informative) Tableau des coefficients de détente . 17
Annexe B (informative) Tubes de Venturi classiques en dehors du domaine couvert par
l'ISO 5167- 4 . 18
Annexe C (informative) Perte de pression dans un tube de Venturi classique . 22
Bibliographie . 24
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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 5167-4 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 30, Mesure de débit des fluides dans les
conduites fermées, sous-comité SC 2, Appareils déprimogènes.
Cette première édition de l’ISO 5167-4, conjointement avec la deuxième édition de l’ISO 5167-1 et les
premières éditions de l’ISO 5167-2 et de l’ISO 5167-3, annule et remplace la première édition de
l’ISO 5167-1:1991, laquelle a fait l'objet d'une révision technique, ainsi que l'ISO 5167-1:1991/Amd.1:1998.
L'ISO 5167 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Mesure de débit des fluides au
moyen d'appareils déprimogènes insérés dans des conduites en charge de section circulaire:
Partie 1: Principes généraux et exigences générales
Partie 2: Diaphragmes
Partie 3: Tuyères et Venturi-tuyères
Partie 4: Tubes de Venturi
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ISO 5167-4:2003(F)
Introduction
L’ISO 5167, qui comprend quatre parties, a pour objet la géométrie et le mode d’emploi (conditions
d’installation et d’utilisation) des diaphragmes, tuyères et tubes de Venturi insérés dans une conduite en
charge dans le but de déterminer le débit du fluide s’écoulant dans cette conduite. Elle fournit également les
informations nécessaires au calcul de ce débit et de son incertitude associée.
L’ISO 5167 est applicable uniquement aux appareils déprimogènes dans lesquels l’écoulement reste
subsonique dans tout le tronçon de mesurage et où le fluide peut être considéré comme monophasique; elle
n'est pas applicable au mesurage d’un écoulement pulsé. De plus, chacun de ces appareils ne peut être
utilisé que dans des limites spécifiées de diamètre de conduite et de nombre de Reynolds.
L’ISO 5167 traite d’appareils pour lesquels des expériences d’étalonnage direct ont été effectuées en nombre,
étendue et qualité suffisants pour que l’on ait pu baser, sur leurs résultats, des systèmes cohérents
d’utilisation et pour permettre que les coefficients soient donnés avec une marge d’incertitude prévisible.
Les appareils interposés dans la conduite sont appelés «éléments primaires», en comprenant dans ce terme
les prises de pression, tandis que l’on appelle «éléments secondaires» tous les autres instruments ou
dispositifs nécessaires à l’accomplissement de la mesure. L’ISO 5167 concerne les éléments primaires et ne
1)
mentionne qu’exceptionnellement les éléments secondaires .
Les quatre parties formant l’ISO 5167 sont structurées comme suit.
a) L’ISO 5167-1, à utiliser conjointement avec l'ISO 5167-2, l'ISO 5167-3 et l'ISO 5167-4, donne des
informations générales, telles que termes et définitions, symboles, principes et exigences, tout comme
des méthodes pour le mesurage du débit et pour le calcul de l'incertitude.
b) L'ISO 5167-2 spécifie les diaphragmes avec lesquels sont utilisées des prises de pression dans les
2)
angles, des prises de pression à D et à D/2 et des prises de pression à la bride.
3)
c) L'ISO 5167-3 spécifie les tuyères ISA 1932 , les tuyères à long rayon et les Venturi-tuyères, lesquels
diffèrent entre eux par leur forme et l’emplacement des prises de pression.
4)
d) L'ISO 5167-4 spécifie les tubes de Venturi classiques .
Les aspects de sécurité ne sont pas traités dans les Parties 1 à 4 de l’ISO 5167. Il incombe à l’utilisateur de
s’assurer que le système remplit les réglementations applicables en matière de sécurité.
1) Voir l'ISO 2186:1973, Débit des fluides dans les conduites fermées — Liaisons pour la transmission du signal de
pression entre les éléments primaires et secondaires.
2) Les diaphragmes à prises de pression «vena contracta» ne sont pas traités dans l’ISO 5167.
3) ISA est le sigle de la Fédération internationale des associations nationales de normalisation, organisme auquel l'ISO a
succédé en 1946.
4) Aux États-Unis, le tube de Venturi classique est parfois nommé «tube de Herschel».
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NORME INTERNATIONALE ISO 5167-4:2003(F)
Mesure de débit des fluides au moyen d'appareils
déprimogènes insérés dans des conduites en charge de section
circulaire —
Partie 4:
Tubes de Venturi
1 Domaine d'application
La présente partie de l’ISO 5167 spécifie la géométrie et le mode d’emploi (conditions d’installation et
d’utilisation) de tubes de Venturi insérés dans une conduite en charge dans le but de déterminer le débit du
fluide s’écoulant dans cette conduite.
La présente partie de l’ISO 5167 fournit également des informations de fond nécessaires au calcul de ce débit,
et il convient de l’utiliser conjointement avec les exigences stipulées dans l’ISO 5167-1.
La présente partie de l'ISO 5167 est applicable uniquement aux tubes de Venturi utilisés dans les limites
spécifiées de diamètre de conduite, de rugosité, de rapport des diamètres et de nombre de Reynolds, dans
lesquels l’écoulement reste subsonique dans tout le tronçon de mesurage contenant un fluide pouvant être
considéré comme monophasique. Elle n'est pas applicable au mesurage d'un écoulement pulsé. Elle ne
couvre pas l’utilisation de tubes de Venturi dans des conduites de diamètre inférieur à 50 mm ou supérieur à
5
1 200 mm, ni les cas où les nombres de Reynolds rapportés à la tuyauterie sont inférieurs à 2 ¥ 10 .
La présente partie de l’ISO 5167 traite de trois types de tubes de Venturi classiques:
a) à convergent brut de fonderie;
b) usiné;
c) en tôle soudée brute.
Un tube de Venturi se compose d’un convergent d’entrée, relié à un col cylindrique qui est, à son tour, relié à
un évasement de forme tronconique appelé «divergent». Les différences entre les valeurs de l’incertitude du
coefficient de décharge pour les trois types de tube de Venturi classique indiquent, d’une part, le nombre de
résultats disponibles pour chaque type de tube de Venturi classique et, d’autre part, la définition plus ou moins
précise du profil géométrique. Les valeurs sont fondées sur des données recueillies il y a de nombreuses
années. Les Venturi-tuyères (et d'autres tuyères) font l'objet de l'ISO 5167-3.
NOTE 1 Des recherches sur l’utilisation de tubes de Venturi avec du gaz à haute pression [ W 1 MPa ( W 10 bar)] sont
actuellement en cours (voir les références [1], [2] et [3] dans la Bibliographie): dans de nombreux cas de tubes de Venturi
à convergent usiné, on a trouvé des coefficients de décharge situés à 2 % ou plus hors de la gamme prévue par la norme.
Pour une précision optimale, il convient d’étalonner dans du gaz les tubes de Venturi utilisés sur l’ensemble de la gamme
de débit requise. L’utilisation de prises de pression individuelles (ou au plus de deux prises dans chaque plan) n’est pas
inhabituelle dans du gaz à haute pression.
NOTE 2 Aux États-Unis, le tube de Venturi classique est parfois nommé «tube de Herschel».
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ISO 5167-4:2003(F)
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 4006:1991, Mesure de débit des fluides dans les conduites fermées — Vocabulaire et symboles
ISO 5167-1:2003, Mesure de débit des fluides au moyen d'appareils déprimogènes insérés dans des
conduites en charge de section circulaire — Partie 1: Principes généraux et exigences générales
3 Termes, définitions et symboles
Pour les besoins du présent document, les termes, définitions et symboles donnés dans l’ISO 4006 et dans
l’ISO 5167-1 s'appliquent.
4 Principes de la méthode de mesurage et mode de calcul
Le principe de la méthode de mesurage consiste à interposer un tube de Venturi sur le passage d’un fluide
s’écoulant en charge dans une conduite, ce qui crée une pression différentielle statique entre le côté amont et
le col. On peut déduire la valeur du débit de la mesure de cette pression différentielle et de la connaissance
des caractéristiques du fluide en écoulement ainsi que des circonstances d'utilisation de l'appareil. Il est
admis que celui-ci est géométriquement semblable à l'un de ceux ayant fait antérieurement l'objet
d'étalonnages directs et qu'il est utilisé dans les mêmes conditions.
Le débit-masse, q , peut être déterminé à l’aide l’Équation (1):
m
C π
2
qd=∆ερ2p (1)
m 1
4 4
1− β
Les limites d'incertitude peuvent être calculées par la procédure indiquée à l'Article 8 de l'ISO 5167-1:2003.
De même, on peut calculer la valeur du débit-volume, q , sachant que
V
q
m
q =
V
ρ
où ρ est la masse volumique du fluide à la température et à la pression pour lesquelles le volume est donné.
Le calcul du débit, qui est un procédé purement arithmétique, est effectué par le remplacement des différents
termes situés à droite de l'Équation de base (1) par leur valeur numérique. Le Tableau A.1 donne les
coefficients de détente ε des tubes de Venturi. Ils ne sont pas prévus pour une interpolation précise.
L'extrapolation n'est pas permise.
Les diamètres d et D mentionnés dans les formules sont les valeurs des diamètres dans les conditions de
service. Il convient donc de corriger les valeurs d et D mesurées dans d’autres conditions pour tenir compte
de la dilatation ou de la contraction éventuelle du diaphragme et de la conduite résultant des valeurs de la
température et de la pression du fluide lors du mesurage.
Il est nécessaire de connaître la masse volumique et la viscosité du fluide dans les conditions de service.
Dans le cas de fluide compressible, il est également nécessaire de connaître l’exposant isentropique du fluide
dans les conditions de service.
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5 Tubes de Venturi classiques
5.1 Domaine d’application
5.1.1 Généralités
Le domaine d’application des tubes de Venturi classiques traités dans la présente partie de l’ISO 5167
dépend de leur mode de construction.
Trois types de tubes de Venturi classiques normalisés sont définis selon la manière de réaliser la surface
intérieure du cône d’entrée et l’arrondi à l’intersection du cône et du col. Ces trois modes de réalisation sont
décrits en 5.1.2 à 5.1.4 et présentent des caractéristiques légèrement différentes.
Il existe des limites à la rugosité et au nombre de Reynolds pour chaque type devant être traité.
5.1.2 Tube de Venturi à convergent brut de fonderie
C’est un tube de Venturi classique coulé dans un moule en sable ou construit par toute autre méthode
laissant un fini de surface du cône d’entrée semblable à celui obtenu par moulage en sable. Le col est usiné
et les intersections entre les cylindres et les cônes sont arrondies.
Ce tube de Venturi classique peut être utilisé dans des conduites de 100 mm à 800 mm de diamètre et pour
des rapports des diamètres β compris entre 0,3 et 0,75 inclus.
5.1.3 Tube de Venturi classique à convergent usiné
C’est un tube de Venturi classique coulé ou construit comme indiqué en 5.1.2, mais dont le cône d’entrée est
usiné comme le col et le cylindre d’entrée. Les intersections entre les cylindres et les cônes peuvent être
arrondies ou non.
Ce tube de Venturi classique peut être utilisé dans des conduites de 50 mm à 250 mm de diamètre et pour
des rapports des diamètres β compris entre 0,4 et 0,75 inclus.
5.1.4 Tube de Venturi classique à convergent en tôle soudée brute
C’est un tube de Venturi classique qui est normalement fabriqué par soudage. Il peut ne pas être usiné pour
les grandes dimensions si la tolérance requise en 5.2.4 peut être obtenue, mais le col est usiné pour les plus
petites dimensions.
Ce tube de Venturi classique peut être utilisé dans des conduites de 200 mm à 1 200 mm de diamètre et pour
des rapports des diamètres β compris entre 0,4 et 0,7 inclus.
5.2 Forme générale
5.2.1 La Figure 1 représente la coupe d’un tube de Venturi classique passant par l’axe du col. Les lettres
dans le texte renvoient aux repères correspondants dans la Figure 1.
Le tube de Venturi classique se compose d’un cylindre d’entrée A suivi d’un convergent tronconique B, d’un
col cylindrique C et d’un divergent tronconique E. La surface intérieure de l’appareil est cylindrique et de
révolution autour de l’axe de la conduite. On peut juger de la coaxialité du convergent et du col cylindrique par
simple examen visuel.
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Légende
1 convergent tronconique E
2 col cylindrique C
3 convergent tronconique B
4 col cylindrique C
5 plans de raccordement
a
7° u j u 15°
b
Sens de l'écoulement
c
Voir 5.4.7
Figure 1 — Profil du tube de Venturi classique
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5.2.2 La longueur minimale du cylindre, mesurée à partir du plan contenant l’intersection du tronc de cône
B avec le cylindre A, peut varier avec le mode de construction (voir 5.2.8 à 5.2.10). Il est cependant
recommandé de la choisir égale à D.
Le diamètre D du cylindre d’entrée doit être mesuré dans le plan des prises de pression amont. Il doit y avoir
au moins autant de mesurages que de prises de pression (quatre au minimum).
Les diamètres doivent être mesurés au voisinage de chaque couple de prises de pression et également entre
ces couples. La moyenne arithmétique de toutes ces mesures doit être prise comme valeur de D dans les
calculs.
Ces diamètres doivent être également mesurés dans d’autres plans que celui des prises de pression.
Aucun diamètre du cylindre d’entrée ne doit différer de plus de 0,4 % de la valeur du diamètre moyen. Cette
exigence est réputée satisfaite lorsque la différence de longueur de n’importe lequel des diamètres mesurés
la satisfait par rapport à la moyenne arithmétique des diamètres mesurés.
5.2.3 Le convergent B doit être tronconique et avoir un angle au sommet de 21° ± 1° pour tous les types de
tubes de Venturi classiques. Il est délimité, en amont, par le plan contenant l'intersection du tronc de cône B
avec le cylindre d'entrée A (ou de leurs prolongements) et, en aval, par le plan contenant l'intersection du
tronc de cône B avec le col C (ou de leurs prolongements).
La longueur totale du convergent B, mesurée parallèlement à l'axe de révolution du tube de Venturi, est donc
approximativement égale à 2,7 (D – d).
Le convergent B est raccordé au cylindre d'entrée A par un congé de rayon R , dont la valeur dépend du type
1
du tube de Venturi classique.
Le profil du convergent doit être vérifié au gabarit. L'écart entre le gabarit et la partie tronconique du
convergent ne doit dépasser en aucun point 0,004D.
On admet que la surface intérieure de la partie tronconique du convergent est de révolution si deux diamètres
situés dans un même plan perpendiculaire à l'axe de révolution ne diffèrent pas de plus de 0,4 % de la valeur
du diamètre moyen.
On doit vérifier de la même façon que le congé de raccordement de rayon R est de révolution.
1
5.2.4 Le col C, de diamètre d, doit être cylindrique. Il est délimité, en amont, par le plan contenant
l'intersection du tronc de cône B avec le col C (ou de leurs prolongements) et, en aval, par le plan contenant
l'intersection du col C avec le tronc de cône E (ou de leurs prolongements). La longueur du col C, c'est-à-dire
la distance séparant ces deux plans, doit être égale à d ± 0,03d, quel que soit le type du tube de Venturi
classique.
Le col C est réuni au convergent B par un congé de rayon R et au divergent E par un congé de rayon R . Les
2 3
valeurs de R et R dépendent du type du tube de Venturi classique.
2 3
Le diamètre d doit être mesuré très soigneusement dans le plan des prises de pression au col. Il doit y avoir
au moins autant de mesurages que de prises de pression (quatre au minimum). Les diamètres doivent être
mesurés au voisinage de chaque couple de prises de pression et également entre ces couples. La moyenne
arithmétique de toutes ces mesures doit être prise comme valeur de d dans les calculs.
Ces diamètres doivent également être mesurés dans d'autres plans que celui des prises de pression.
Aucun diamètre du col ne doit différer de plus de 0,1 % de la valeur du diamètre moyen. Cette exigence est
réputée satisfaite lorsque la différence de longueur de n'importe lequel des diamètres mesurés la satisfait par
rapport à la moyenne arithmétique des diamètres mesurés.
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Le col du tube de Venturi classique doit être usiné ou posséder, sur toute sa longueur, un état de surface
équivalent à la rugosité indiquée en 5.2.7.
On doit vérifier que les congés de raccordement au col de rayon R et R sont de révolution comme indiqué en
2 3
5.2.3. Cette exigence est réputée satisfaite lorsque deux diamètres, situés dans un même plan
perpendiculaire à l'axe de révolution, ne diffèrent pas de plus de 0,1 % du diamètre moyen.
La valeur des rayons de courbure R et R doit être vérifiée au gabarit.
2 3
L'écart entre le gabarit et le tube de Venturi classique doit évoluer de façon régulière pour chaque congé de
sorte que l'écart maximal mesuré soit approximativement situé au milieu du profil du gabarit. La valeur de cet
écart maximal ne doit pas dépasser 0,02d.
5.2.5 Le divergent E doit être tronconique et peut avoir un angle au sommet, ϕ, compris entre 7° et 15°. Il
est cependant recommandé de choisir un angle compris entre 7° et 8°. Son plus petit diamètre ne doit pas
être inférieur au diamètre du col.
5.2.6 Un tube de Venturi classique est dit «tronqué» lorsque le diamètre de sortie du divergent est inférieur
au diamètre D et «non tronqué» s'il lui est égal. On peut tronquer le divergent de 35 % environ de sa longueur
sans modifier sensiblement la perte de pression de l'appareil ou son coefficient de décharge.
5.2.7 Le critère de rugosité, Ra, du col et celui du congé adjacent doit être aussi faible que possible et
–4
toujours inférieur à 10 d. Le divergent est brut de fonderie. Sa surface interne doit être propre et lisse.
D’autres parties du tube de Venturi classique ont des limites de rugosité spécifiées en fonction du type
considéré.
5.2.8 Le profil du tube de Venturi classique à convergent brut de fonderie présente les particularités
suivantes.
La surface intérieure du convergent B est moulée au sable. Elle doit être exempte de craquelures, de
fissures, de dépressions, d’irrégularités et d’impuretés. Le critère de rugosité Ra pour la surface doit être
–4
inférieur à 10 D.
La longueur minimale du cylindre d'entrée A doit être égale à la plus petite des deux grandeurs suivantes:
D, ou
0,25D + 250 mm (voir 5.2.2).
La surface intérieure du cylindre d'entrée A peut rester brute de fonderie à condition qu'elle présente le
même état de surface que le convergent B.
Le rayon du congé R doit être égal à 1,375D ± 0,275D.
1
Le rayon du congé R doit être égal à 3,625d ± 0,125d.
2
La longueur de la partie cylindrique du col doit être au moins égale à d/3. De plus, la longueur de la partie
cylindrique comprise entre la fin du congé R et le plan des prises de pression, ainsi que la longueur de la
2
partie cylindrique comprise entre le plan des prises de pression au col et le début du congé R , doivent
3
être au moins égales à d/6 (voir aussi 5.2.4 pour la longueur du col).
Le rayon du congé R doit être compris entre 5d et 15d. Sa valeur doit augmenter lorsque l'angle du
3
divergent diminue. Une valeur proche de 10d est recommandée.
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ISO 5167-4:2003(F)
5.2.9 Le profil du tube de Venturi classique à convergent usiné présente les particularités suivantes.
La longueur minimale du cylindre d'entrée A doit être égale à D.
Le rayon du congé R doit être inférieur à 0,25D mais, de préférence, égal à zéro.
1
Le rayon du congé R doit être inférieur à 0,25d mais, de préférence, égal à zéro.
2
La longueur de la partie cylindrique du col comprise entre la fin du congé R et le plan des prises de
2
pression au col doit être au moins égale à 0,25d.
La longueur de la partie cylindrique du col comprise entre le plan des prises de pression au col et le
début du congé R doit être au moins égale à 0,3d.
3
Le rayon du congé R doit être inférieur à 0,25d mais, de préférence, égal à zéro.
3
Le cylindre d'entrée et le convergent doivent avoir un état de surface égal à celui du col (voir 5.2.7).
5.2.10 Le profil du tube de Venturi classique à convergent en tôle soudée brute présente les particularités
suivantes.
La longueur minimale du cylindre d'entrée A doit être égale à D.
Il ne doit pas y avoir de congé de raccordement entre le cylindre d'entrée A et le convergent B autre que
celui résultant de la soudure.
Il ne doit pas y avoir de congé de raccordement entre le convergent B et le col C autre que celui résultant
de la soudure.
Il ne doit pas y avoir de congé de raccordement entre le col C et le divergent E.
La surface intérieure du cylindre d'entrée A et du convergent B doit être propre, exempte de calamine et
de résidus de soudure. Elle peut être galvanisée. Son critère de rugosité Ra doit être de l'ordre de
-4
5 × 10 D.
Les cordons de soudure intérieurs doivent être arasés aux surfaces environnantes et ne doivent pas se
trouver à proximité des prises de pression.
5.3 Matériau et fabrication
5.3.1 Le tube de Venturi classique peut être fabriqué en n'importe quel matériau pourvu qu'il soit et reste
conforme à la description ci-devant pendant l'utilisation.
5.3.2 Il est recommandé en outre de réunir en une seule pièce le convergent B et le col C. Il est
recommandé, dans l
...
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