[摘要]近年(nian)來，氫燃料電池(chí)以綠色環保、續(xu)駛裏程長的優(yōu)勢越來越廣泛(fan)地應用在道路(lù)車輛和發電機(jī)組，也成爲了各(ge)大科研院💰校和(hé)企業研究發展(zhan)的熱點。論文以(yǐ)氫燃料電池測(cè)試爲應用領域(yù)，以氣體流量計(jì) 的發展曆史開(kāi)篇，分類講述氫(qing)燃料電池測試(shì)中常用的 差壓(ya)式氣體流量計(jì) 、 熱式氣體流量(liang)計 、科式氣體流(liú)量計的工作原(yuan)理、應用場景和(hé)優劣對比，最後(hou)進行統一總結(jie)。本篇可爲初步(bù)進入氫燃料電(dian)池📐測試領域的(de)測試工程師和(he)試驗技師提供(gong)一定的知識儲(chǔ)備🤟和選型方法(fa)。
　　近年來，随着2030年(nián)前“碳中和”、2060年前(qián)“碳達峰”目标的(de)提出，氫能源日(rì)益發展壯大，氫(qīng)燃料電池以綠(lǜ)色環保性越來(lai)越廣泛地㊙️應用(yong)在道路車輛和(hé)發電機組，也成(chéng)爲了各🌂大科研(yán)⭕院校和企業研(yan)究的熱點叮。本(ben)文闡述氫燃料(liao)電池測試中常(cháng)用的幾種流量(liàng)💃計，将各種流量(liang)計原理和優劣(liè)勢做對比分析(xī)，爲初步進人氫(qīng)👨‍❤️‍👨燃料電池測試(shi)領域的試驗人(rén)員提供一定的(de)🤞知識✌️儲備，也爲(wei)自主開發氫燃(ran)💁料電池測試台(tái)提供技術支持(chi)。
1氣體流量計發(fa)展曆史
　　氣體流(liú)量計的發展曆(li)史已有400餘年，最(zui)早由托裏拆利(li)提出了類🐪差壓(ya)式流量計的理(li)論凹，之後又發(fā)展出容積式流(liú)量計、膜片式流(liú)量計、熱式流量(liang)計、科式流量計(ji)、 超聲波流量計(jì) 等諸多根據不(bú)同應用場景的(de)各種流量計，使(shǐ)氣體流🛀量✍️的精(jing)準測量逐步走(zou)向規範和精度(dù)。
　　精度高的氣體(tǐ)流量計廠家主(zhu)要集中在歐美(měi)發達🍓國家❤️，在流(liu)量監測管結構(gou)、測量精度靈敏(mǐn)度、穩定性和抗(kang)疲勞🌈、抗幹擾性(xing)能方面做了一(yī)系列設計創新(xīn)。目前氫燃料電(diàn)⛹🏻‍♀️池氣體流量計(jì)🍓精度最高可達(dá)到0.1%FS，極大提升了(le)電化學反🏃‍♂️應的(de)精度，爲研發應(yīng)❄️用提供了🈲較好(hǎo)的硬件支撐。
2常(chang)用氣體流量計(jì)分類和原理
　　氫(qing)燃料電池實際(jì)測試中，氣體的(de)流量經常受工(gōng)作🍓壓力、溫度、粘(zhān)度等影響，爲精(jing)确計量，需要測(cè)量氣體質量流(liú)量。目前氫燃🤟料(liào)電池測試常用(yòng)可直接測出質(zhi)量流🍉量的流🐅量(liàng)計，按使用場景(jing)和工作原理多(duo)爲差壓式流👅量(liang)計、熱式流量計(ji)和科式流量計(ji)。
2.1差壓式氣體流(liú)量計
　　差壓式流(liu)量計是一種曆(lì)史悠久且精确(que)度很高、至今廣(guang)❌泛應用的流量(liàng)計，通過流經通(tong)道内流體的壓(ya)降來确定流量(liang)。差壓式流量計(jì)本體爲突然變(biàn)徑的節流體⁉️，當(dang)被測流體流經(jing)節流體時，流體(ti)會因突然變徑(jing)形成局部收縮(suo)，流速變大，依據(ju)能量守恒定律(lü)，動能增大，靜壓(yā)力會減小，通過(guò)的流體流量越(yue)大，兩㊙️側壓差也(yě)越🌍大，該壓差與(yǔ)流體流量的平(píng)方成正比。差壓(yā)式流量計的工(gōng)作原理如圖1所(suo)示。
 
　　假設d爲流量計(ji)上端管路的内(nei)直徑，A1爲該段管(guǎn)路橫截🌈面積，V1爲(wei)🐆該㊙️處單位面積(jī)的，流體體積，ρ1爲(wei)該處流體密度(dù)🤟，d2爲流量計管路(lu)🌂内節流體間，的(de)内直徑，A2爲該處(chù)的橫截面積，ρ2爲(wei)該處的♊流體密(mì)度，V2爲該處單位(wèi)面積的流體體(tǐ)積，由伯努利方(fāng)程和能量守恒(heng)定律推導得知(zhi)氣體質量流量(liang)測量公式，如公(gong)式💚(1)所示。
 
　　式中:qm一(yi)氣體質量流量(liang);C一氣體流出系(xi)數;ε一氣體膨✨脹(zhang)🐪系數;β一直徑比(bi)，即d2/d1;△P一兩端壓差(cha)。
　　以背靠管式差(cha)壓氣體流量計(ji)爲例，這是--種新(xin)型流㊙️量計🥰，主要(yào)解決低流速下(xià)的氣體流量測(cè)量精度低的問(wen)題。結構是在管(guan)道上插入節流(liú)體，該節流體的(de)迎風取壓孔正(zheng)對氣流方向，背(bèi)風取壓孔背向(xiang)氣流方向。在氣(qi)體的流動作用(yòng)力下，氣流會在(zai)迎風取壓孔和(hé)背風取壓孔處(chu)分别産生正向(xiang)和.負向的壓強(qiáng)㊙️，壓差傳感器采(cai)集節流體内部(bù)的2個導壓管的(de)☂️壓強差甲，通過(guò)公式(1)計算出流(liu)經的氣體質量(liang)流量。背靠🧑🏾‍🤝‍🧑🏼管式(shi)差壓流量計的(de)這種背向節流(liú)體結構，使低流(liú)速氣體也能産(chǎn)生較大的壓差(cha)，因此适合測量(liàng)低流🔱速氣體，測(ce)量精度相對較(jiao)高。
2.2熱式流量計(jì)
　　熱擴散式流量(liàng)計是一-種高精(jing)度、高可靠性且(qie)應用廣泛的流(liú)🍓量計。典型傳感(gan)元件爲2個RTD熱電(dian)阻:RTD1爲溫度傳感(gan)器，測⭕量氣體溫(wen)度T;RTD2爲✔️速度傳感(gǎn)器，在氣體原本(ben)溫度的基礎上(shàng)🌏進一步加熱至(zhi)🏒溫度T2，形成恒溫(wen)差△T。但氣體流過(guo)RTD2時會帶走熱量(liang)，爲保持△T恒定，需(xū)要繼續加熱，氣(qi)體流速越大，擴(kuò)散的熱量越多(duo)，因⭐此，加熱的電(dian)‼️功率與氣體流(liu)量成正比51熱式(shi)流量計的工作(zuo)原理📐如圖2所示(shi)。
 
　　根據(ju)牛頓冷卻定律(lü)得知，RTD2的加熱電(dian)功近似等于氣(qi)體帶走💋的熱功(gong)，如公式(2)所示
 
　　式(shì)中:I、R2--測速探頭RTD2電(diàn)流和電阻;α一-對(duì)流換熱系數;A一(yī)測✂️速探頭🌐RTD2表💜面(miàn)🌂積。
　　進一步依據(jù)Hilbert對流換熱經驗(yan)公式"最終推導(dao)得知氣🐆體質🔞量(liàng)🍓流量測量公式(shì)，如公式(3)所示
 
　　式(shi)中:qm一氣體質量(liàng)流量;S一測量管(guan)道截面積;d一測(ce)速探📱頭💰RTD2直徑;C、n取(qǔ)值由實驗數據(ju)拟合得到;μ一氣(qì)體動力粘度;λ一(yi)氣體導熱系數(shù);Cp一氣體定壓比(bǐ)熱容。
　　公式(3)比較(jiào)複雜，需要的經(jīng)驗數據一般由(you)流量計廠家根(gēn)據大量😍測試經(jīng)驗所得，很多科(kē)研院校也會據(ju)此建🈲模仿真做(zuo)深入研究㊙️。
2.3科式(shi)流量計
　　科氏流(liu)量計是流體通(tong)過振動管時，産(chan)生科裏奧利💛力(li)，研究與實踐證(zheng)明，該力與質量(liang)流量成正比，據(jù)此測出流體😄的(de)質量流量，因此(ci)，該流量的測量(liàng)原理幾💃乎不受(shou)❌氣體粘度、狀态(tài)、溫度等🛀🏻外界條(tiao)☀️件影響。科氏流(liu)量計一般由傳(chuán)感器和變送器(qì)組成，傳感器主(zhǔ)要💔包括激振器(qi)和拾振器檢測(cè)扭矩振動力，變(biàn)送器則将傳感(gǎn)器信号轉變爲(wèi)質量流量、密度(du)溫度等标準⭐信(xìn)号輸出四。科氏(shì)流量計原理如(ru)圖💞3所示。
 
　　質點m以(yǐ)勻速υ在旋轉角(jiǎo)速度ω的管道内(nèi)運動時，根據物(wu)體運動的慣性(xing)原理，得出公式(shi)(4)
 
　　式中:αt一向心加(jiā)速度;ω一旋轉角(jiao)速度;αy一切向加(jiā)速度，方🔞向與🧑🏽‍🤝‍🧑🏻αr垂(chuí)✊直♍。
　　根據牛頓第(di)二定律，向心方(fang)向作用有科裏(lǐ)奧利力⛹🏻‍♀️F=2wvm,當密度(dù)🔅ρ的氣體在旋轉(zhuan)管道中以恒定(ding)速度u運動時，長(zhang)度爲△x的💰管路内(nèi)受到切向的科(ke)裏奧利力△F，如公(gong)式(5)所示
 
　　式中:qm一(yi)氣體質量流量(liang);A一管道橫截面(mian)積。
　　以上爲科式(shì)流量計的計算(suan)原理，但在實際(ji)應用中，是以管(guǎn)道振動力代替(tì)旋轉慣性力。科(kē)式流量計以其(qi)精度高、寬量🌐程(chéng)、低壓損和長壽(shòu)命等優點，被廣(guǎng)泛👅應用在各領(ling)域，也是氫燃料(liào)電池測量❄️首選(xuǎn)的流量📐計。
2.4各流(liu)量計優缺點分(fen)析
　　3種氫燃料電(dian)池測試常用氣(qi)體流量計優缺(quē)點分析如表1所(suǒ)示，爲産品研發(fa)和測試台開發(fa)做選型參考。
3結(jie)論
　　氣體流量計(ji)發展曆史悠久(jiǔ)，國外技術較爲(wèi)先進，氫✊燃料🔴電(diàn)池測試常用差(chà)壓式氣體流量(liang)計、熱式氣體❗流(liú)量計和科式氣(qì)體流量計，通過(guò)對3種流量計的(de)工作原理和優(yōu)劣分析,可以較(jiao)爲清晰地☎️了解(jiě)各流量計不同(tóng)的應用場景，爲(wei)産品開發和測(ce)試台設計提供(gong)技術指南。

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