ISO 5167-6:2019

NORME ISO
INTERNATIONALE 5167-6
Première édition
2019-02
Mesure de débit des fluides au moyen
d'appareils déprimogènes insérés
dans des conduites en charge de
section circulaire —
Partie 6:
Débitmètres à coin
Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices
inserted in circular cross-section conduits running full —
Part 6: Wedge meters
Numéro de référence
ISO 5167-6:2019(F)
©
ISO 2019

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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Principes de la méthode de mesure et mode de calcul . 2
5 Débitmètres à coin. 4
5.1 Domaine d’application . 4
5.2 Forme générale . 4
5.3 Matériau et fabrication . 5
5.4 Prises de pression . 5
5.5 Coefficient de décharge, C .6
5.5.1 Limites d’utilisation . 6
5.5.2 Coefficient de décharge du débitmètre à coin . 6
5.6 Coefficient de détente, ε .7
5.7 Incertitude du coefficient de décharge, C .7
5.8 Incertitude du coefficient de détente, ε .7
5.9 Perte de pression . 7
6 Exigences d’installation . 8
6.1 Généralités . 8
6.2 Longueurs droites minimales amont et aval à installer entre différents accessoires
et le débitmètre à coin . 8
6.3 Exigences spécifiques supplémentaires pour l’installation de débitmètres à coin . 9
6.3.1 Circularité et cylindricité des conduites amont et aval du débitmètre à coin . 9
6.3.2 Rugosité de la conduite amont et aval . 9
6.3.3 Positionnement d’un doigt de gant . 9
6.3.4 Débitmètres à coin bidirectionnels . 9
7 Étalonnage en débit des débitmètres à coin . 9
7.1 Généralités . 9
7.2 Installation d’essai .10
7.3 Installation de l’appareil de mesure .10
7.4 Conception du programme d’essai .10
7.5 Consignation des résultats d’étalonnage .10
7.6 Analyse de l’incertitude de l’étalonnage .10
7.6.1 Généralités .10
7.6.2 Incertitude de l’installation d’essai .11
7.6.3 Incertitude du débitmètre à coin .11
Annexe A (informative) Tableau du coefficient de détente .12
2
Annexe B (informative) Utilisation du paramètre Kd .13
Bibliographie .14
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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 (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ fr/ avant -propos .html.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 30, Mesure de débit des fluides dans
les conduites fermées, sous-comité SC 2, Appareils déprimogènes.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 5167 est disponible sur le site web de l’ISO.
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Introduction
L’ISO 5167, qui comprend six parties, a pour objet la géométrie et le mode d’emploi (conditions
d’installation et d’utilisation) des diaphragmes, tuyères, tubes de Venturi, cônes de mesure et
débitmètres à coin insérés dans une conduite en charge dans le but de déterminer le débit du fluide
s’écoulant dans cette conduite. Elle fournit également les informations nécessaires au calcul de ce débit
et de son incertitude associée.
L’ISO 5167 est applicable uniquement aux appareils déprimogènes dans lesquels l’écoulement reste
subsonique dans tout le tronçon de mesure 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 étalonnages directs ont été réalisés, en nombre suffisant,
sur une gamme suffisante et avec une qualité suffisante pour permettre à des systèmes d’application
cohérents de se baser sur leurs résultats et coefficients dans certaines limites prévisibles d’incertitude.
Cependant, pour les débitmètres à coin étalonnés conformément à l’Article 7, une plage plus étendue
peut être envisagée pour le diamètre de conduite, la valeur de β et le nombre de Reynolds.
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;
1)
les éléments secondaires ne sont mentionnés qu’exceptionnellement.
Les six parties formant l’ISO 5167 sont structurées comme suit:
a) La Partie 1 indique les termes généraux et leur définition, les symboles, les principes et les
exigences, ainsi que les méthodes de mesure et l’incertitude qui doivent être utilisés conjointement
avec les Parties 2 à 6 de l’ISO 5167.
b) La Partie 2 spécifie les exigences relatives aux diaphragmes avec lesquels sont utilisées des prises
2)
de pression dans les angles, des prises de pression à D et à D/2 et des prises de pression à la bride.
3)
c) La Partie 3 spécifie les exigences relatives aux tuyères ISA 1932 , aux tuyères à long rayon et
aux Venturi-tuyères, lesquelles diffèrent entre elles par leur forme et l’emplacement des prises de
pression.
4)
d) La Partie 4 spécifie les exigences relatives aux tubes de Venturi classiques .
e) La Partie 5 spécifie les exigences relatives aux cônes de mesure et inclut un article sur l’étalonnage.
f) La Partie 6 spécifie les exigences relatives aux débitmètres à coin et inclut un article sur l’étalonnage.
NOTE Le présent document est complémentaire de l’ISO 5167-1:2003, l’ISO 5167-2:2003, l’ISO 5167-3:2003,
l’ISO 5167-4:2003 et l’ISO 5167-5:2015.
[1] [4]
1) Voir l’ISO 2186 et également l’ISO/TR 9464 .
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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Mesure de débit des fluides au moyen d'appareils
déprimogènes insérés dans des conduites en charge de
section circulaire —
Partie 6:
Débitmètres à coin
1 Domaine d’application
Le présent document spécifie la géométrie et le mode d’emploi (conditions d’installation et d’utilisation)
de débitmètres à coin insérés dans une conduite en charge dans le but de déterminer le débit du fluide
s’écoulant dans cette conduite.
NOTE 1 Étant donné que l’incertitude d’un débitmètre à coin non étalonné risque d’être trop grande pour une
application particulière, l’étalonnage du débitmètre conformément à l’Article 7 pourrait être considéré comme
essentiel.
Le présent document fournit des exigences relatives à l’étalonnage, qui, si elles sont appliquées, sont
destinées à être utilisées sur la plage des nombres de Reynolds qui a été étalonnée. L’Article 7 peut
également fournir des préconisations utiles pour l’étalonnage des appareils de mesure de conception
similaire, mais qui n’entrent pas dans le domaine d’application du présent document.
Il fournit également des informations de fond nécessaires au calcul du débit et il est applicable
conjointement avec les exigences stipulées dans l’ISO 5167-1.
Le présent document est applicable uniquement aux débitmètres à coin pour lesquels l’écoulement reste
subsonique dans tout le tronçon de mesure et où le fluide peut être considéré comme monophasique. Les
débitmètres à coin non étalonnés ne peuvent être utilisés que dans des limites spécifiées de diamètre
de conduite, de rugosité, de valeur de bêta (ou rapport du coin) et de nombre de Reynolds. Il n’est pas
applicable au mesurage d’un écoulement pulsé. Il ne couvre pas l’utilisation de débitmètres à coin non
étalonnés dans des conduites dont le diamètre intérieur est inférieur à 50 mm ou supérieur à 600 mm,
4
ni les cas où les nombres de Reynolds rapportés à la tuyauterie sont inférieurs à 1 × 10 .
NOTE 2 Un débitmètre à coin comporte un élément primaire composé d’une restriction en forme de coin de
géométrie spécifique. D’autres conceptions de débitmètres à coin sont possibles; cependant, au moment de la
rédaction du présent document les données permettant de caractériser complètement ces appareils étaient
insuffisantes et ces derniers sont donc étalonnés conformément à l’Article 7.
2 Références normatives
Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des
exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les
références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 4006, Mesure de débit des fluides dans les conduites fermées — Vocabulaire et symboles
ISO 5167-1, 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
ISO 5168, Mesure de débit des fluides — Procédures pour le calcul de l'incertitude
ISO/IEC 17025, Exigences générales concernant la compétence des laboratoires d'étalonnages et d'essais
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Guide ISO/IEC 98-3, Incertitude de mesure — Partie 3: Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure
(GUM: 1995)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 4006 et l’ISO 5167-1
ainsi que les suivants, s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
3.1
ouverture du coin
h
distance maximale entre le sommet de l’élément en coin et la paroi de la conduite, dans le plan
perpendiculaire à l’axe de la conduite
Note 1 à l'article: Voir la Figure 1.
3.2
rapport du coin
rapport de l’ouverture du coin sur le diamètre d’entrée de l’appareil de mesure, D
Note 1 à l'article: Voir l’ISO 4006:1991, Article 2, pour le diamètre d’entrée de l’appareil de mesure, D.
3.3
aire de l’ouverture du coin
A
t
aire minimale de la section de passage du débitmètre à coin
4 Principes de la méthode de mesure et mode de calcul
Le principe de la méthode de mesure consiste à interposer un débitmètre à coin sur le passage d’un
fluide s’écoulant dans une conduite en charge, ce qui crée une pression différentielle entre les prises
aval et amont.
Le débit-masse peut être déterminé à l’aide des formules suivantes:
C π
2
q = εβDp2Δ ρ (1)
()
m 1
4
4
1−β
et
4A
t
β = (2)
2
πD
Une valeur de β plus grande correspond à une hauteur d’ouverture du coin h plus élevée (voir la Figure 1)
et donc à une aire d’ouverture du coin A plus importante. La valeur de β peut être calculée à l’aide de la
t
Formule (3):
 
2
1  2h  2h h  h 
 
β =−arccos 1 −−21 ×− (3)
     
 
π D D D D
     
 
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NOTE Par exemple, h/D = 0,5 ne correspond pas à β = 0,5, mais à β = √0,5 ≈ 0,707. β = 0,5 correspond à
h/D ≈ 0,298.
Légende
a
Écoulement
Figure 1 — Débitmètre à coin avec différentes valeurs de rapport du coin
Les limites d’incertitude peuvent être calculées suivant le mode opératoire indiqué dans
l’ISO 5167-1:2003, Article 8.
De même, on peut calculer la valeur du débit-volume sachant que:
q
m
q = (4)
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 la Formule (1) par leur valeur numérique. La Formule (5) (ou les
valeurs calculées dans le Tableau A.1) donne les coefficients de détente (ε) du débitmètre à coin. Les
valeurs du Tableau A.1 ne sont pas prévues pour une interpolation précise. L’extrapolation n’est pas
permise. Cependant, pour un appareil de mesure étalonné conformément à l’Article 7, le coefficient de
décharge, C, est généralement fonction du nombre de Reynolds, Re, qui est lui-même fonction de q et
m
doit être obtenu par itération (voir l’ISO 5167-1:2003, Annexe A, pour des préconisations sur le choix du
procédé d’itération et des estimations initiales).
L’ouverture du coin, h, et le diamètre de la conduite, D, mentionnés dans la Formule (3) sont les valeurs
des longueurs dans les conditions de service. Il convient donc de corriger les valeurs mesurées dans
d’autres conditions pour tenir compte de la dilatation ou contraction éventuelle de l’élément primaire
et de la conduite résultant des valeurs de la température et de la pression du fluide lors du mesurage.
Comme le calcul du débit du débitmètre à coin est particulièrement sensible aux valeurs utilisées pour
le diamètre de la conduite et pour l’ouverture du coin, l’utilisateur doit s’assurer que celles-ci sont
correctement introduites dans les calculs de débit. Il faut utiliser le diamètre intérieur mesuré plutôt
que la valeur nominale.
Il est nécessaire de connaître la masse volumique et la viscosité du fluide dans les conditions de service.
Dans le cas d’un fluide compressible, il est également nécessaire de connaître l’exposant isentropique
du fluide dans les conditions de service.
NOTE L’étendue de mesure de tous les débitmètres basés sur une mesure de pression différentielle est
fonction de la plage de mesure de pression différentielle. Il est généralement possible d’obtenir une étendue de
10:1 pour le débit (équivalente à une étendue de 100:1 pour la pression différentielle).
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5 Débitmètres à coin
5.1 Domaine d’application
Les débitmètres à coin non étalonnés peuvent être utilisés dans les conduites de diamètre compris
entre 50 mm et 600 mm et avec 0,377 ≤ β ≤ 0,791 (rapport du coin 0,2 ≤ h/D ≤ 0,6). Les débitmètres à
coin avec β > 0,791 (h/D > 0,6) ou β < 0,377 (h/D < 0,2) ne sont normalement pas fabriqués.
Il existe des limites à la rugosité qui sont traitées en 5.2.3, 5.2.7 et 6.3.2 et des limites au nombre de
Reynolds qui sont traitées en 5.5.2.
5.2 Forme générale
5.2.1 Le débitmètre à coin tel qu’illustré à la Figure 2 comprend (dans le sens d’écoulement) un
cylindre d’entrée, une prise de pression amont, un tronçon de conduite comprenant l’élément en coin,
une prise de pression aval et un cylindre de sortie. La forme des prises de pression est décrite en 5.4.
5.2.2 Le diamètre D doit être mesuré dans le plan de la prise de pression amont. Le nombre de
mesurages doit être au minimum de quatre, espacés de manière égale sur la circonférence intérieure de
la conduite. La moyenne arithmétique de toutes ces mesures doit être prise comme valeur de D dans les
calculs.
La longueur minimale du cylindre d’entrée doit être de 0,5D. La longueur minimale du cylindre de sortie
doit être de 0,5D.
Les diamètres doivent aussi être mesurés dans des plans autres que le plan de la prise de pression amont.
Aucun diamètre le long du débitmètre à coin ne doit différer de plus de 0,4 % de la valeur du diamètre
moyen. Cette exigence est satisfaite lorsque la différence de longueur de n’importe lequel des diamètres
mesurés par rapport à la moyenne des diamètres mesurés est conforme à ladite exigence.
Légende
1 corps de l’appareil de mesure
2 axe du corps de l’appareil de mesure
3 élément en coin
4 sommet du coin
5 prise haute pression
6 prise basse pression
a
Écoulement.
Figure 2 — Profil géométrique du débitmètre à coin
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5.2.3 La surface intérieure du tronçon de conduite entre les plans des prises de pression amont et
aval doit être propre et lisse, et il convient que le critère de rugosité, Ra, soit aussi faible que possible et
−3
inférieur à 10 D.
5.2.4 L’angle du plan du coin, θ , doit être de 90° ± 2° à tous les points d’intersection sur toute la
c
longueur du sommet du coin. La longueur du sommet du coin doit être perpendiculaire à l’axe des prises
de pression et aussi à l’axe du débitmètre à coin.
5.2.5 Le rayon de courbure du sommet du coin, R , comme illustré à la Figure 3, doit être inférieur ou
w
égal à 1 mm sur toute la longueur du sommet du coin.
Figure 3 — Rayon de courbure, R , au sommet du coin
w
5.2.6 L’angle extérieur amont, θ , et l’angle extérieur aval, θ , du coin doivent être mesurés et doivent
1 2
tous les deux être de 135° ± 2°.
5.2.7 La surface du coin doit être propre et lisse, et le critère de rugosité, Ra, doit être aussi faible que
−3
possible et toujours inférieur à 10 D.
5.2.8 Lorsque le coin est attaché au corps de l’appareil de mesure par soudage, il convient que le
fabricant veille à minimiser la taille des cordons de soudure, dans les limites requises pour assurer
l’intégrité structurelle.
5.2.9 Lorsque le coin est attaché au corps de l’appareil de mesure par soudage, le fabricant doit
s’assurer qu’il n’y a aucune intrusion de la soudure dans l’aire de l’ouverture du coin.
5.3 Matériau et fabrication
5.3.1 Le débitmètre à coin peut être fabriqué en n’importe quel matériau et selon n’importe quelle
technique de construction, pourvu qu’il soit et reste conforme à la description ci-dessus pendant
l’utilisation.
5.3.2 Les éléments en coin conçus creux doivent inclure un système d’égalisation de la pression afin
d’assurer la stabilité structurelle du coin en cas de variations rapides de pression.
5.4 Prises de pression
5.4.1 La prise de pression amont doit se présenter soit sous la forme d’une prise de pression à la paroi
de la conduite, soit sous la forme d’une prise de pression à grand passage. Il est recommandé d’utiliser
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des prises de pression aussi petites que possible et compatibles avec le fluide (par exemple avec sa
viscosité et sa propreté).
La conception des prises de pression à grand passage peut être considérée comme davantage applicable
pour les boues, les fluides corrosifs ou les fluides qui nécessitent des séparateurs.
5.4.2 L’axe des prises de pression doit être perpendiculaire à et doit passer par l’axe du corps de
l’appareil de mesure (voir la Figure 2). L’axe des prises de pression doit aussi être perpendiculaire à
l’arête du sommet du coin ±2°. Les prises de pression doivent être situées sur le même côté du corps de
l’appareil de mesure que l’élément en coin.
5.4.3 L’axe des prises de pression doit être situé à 1D ± 0,02D du bord le plus proche de l’élément en coin.
5.4.4 Le diamètre des prises de pression à la paroi de la conduite doit être compris entre 4 mm et 10 mm.
5.4.5 Le diamètre des prises de pression à grand passage doit être compris entre 25 mm et 75 mm, et il
ne doit en outre jamais être supérieur à D.
5.4.6 La débouchure du trou des prises de pression doit être circulaire. Les bords doivent être arasés
à la surface de la conduite et ne doivent comporter aucune bavure. Leur rayon ne doit pas dépasser le
dixième du diamètre de la prise de pression.
5.4.7 Il convient que chaque prise de pression soit cylindrique sur sa longueur.
5.4.8 La conformité des prises de pression aux deux exigences précédentes est évaluée par inspection
visuelle.
5.5 Coefficient de décharge, C
5.5.1 Limites d’utilisation
L’emploi simultané des valeurs extrêmes pour D, β et Re doit être évité car les incertitudes données en
D
5.7 pourraient alors augmenter.
Pour des installations en dehors des limites définies en 5.5.2 pour D, β et Re , il est nécessaire de
D
déterminer le coefficient de décharge pour chaque appareil de mesure par étalonnage conformément à
l’Article 7 sur toute la plage opérationnelle des nombres de Reynolds.
Les effets de Re , Ra/D et β sur C ne sont pas encore suffisamment connus pour que l’on puisse donner
D
des valeurs fiables de C en dehors des limites définies dans le présent document.
2
Se reporter à l’Annexe B pour plus d’informations concernant le paramètre traditionnel Kd , qui est lié
géométriquement au coefficient de décharge, C.
5.5.2 Coefficient de décharge du débitmètre à coin
Les débitmètres à coin ne peuvent être utilisés conformément au présent document que lorsque:
50 mm ≤ D ≤ 600 mm
0,377 ≤ β ≤ 0,791 (0,2 ≤ h/D ≤ 0,6)
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4 6
1 × 10 ≤ Re ≤ 9 × 10
D
Dans ces conditions, le coefficient de décharge, C, d’un appareil de mesure non étalonné a pour valeur:
C = 0,77 – 0,09β
5.6 Coefficient de détente, ε
Comme il n’existe aucune donnée ou équation relative au coefficient de détente pour les débitmètres à
coin, l’équation théorique de détente isentropique, indiquée par la Formule (5), est appliquée.
κ−1
 () 
2
 
 
4
κ κ
 
κτ 1−β 1−τ
 
 
ε = (5)
 
  2 
κ −1 1−τ
4
  
 
κ
1−βτ
  
 
Cette for
...