[摘要]近年(nián)來，氫燃料電(dian)池以綠色環(huán)保、續駛裏程(chéng)長的優勢越(yuè)來👨‍❤️‍👨越廣泛地(di)應用在道路(lù)車輛和發電(diàn)機組，也💋成爲(wei)了各大科研(yan)院校和企業(yè)研究發展的(de)熱點。論文以(yǐ)氫燃料電池(chí)✨測試爲應用(yòng)領域，以氣體(tǐ)流量計 的發(fa)展曆史開篇(pian)，分類講述氫(qīng)燃料電池測(ce)試中常用的(de) 差壓式氣體(ti)流量計 、 熱式(shì)氣體流量計(jì) 、科式氣體流(liu)量計的工作(zuo)原理、應用場(chang)景和優劣對(dui)比，最後進行(hang)統一總結。本(ben)篇可爲初步(bu)進入氫燃料(liào)電池測試領(ling)域的測試工(gōng)程師和試驗(yan)技師提供一(yī)定的知識儲(chu)備和選型方(fāng)法。
　　近年來，随(sui)着2030年前“碳中(zhong)和”、2060年前“碳達(dá)峰”目标的提(tí)出，氫能源日(rì)益發展壯大(dà)，氫燃料電池(chí)以綠色環保(bao)性越來越廣(guang)泛地🔆應用在(zai)道路車輛和(hé)發電機組，也(yě)成⚽爲了各大(dà)科研院校和(hé)企業研究的(de)熱點叮。本文(wen)闡述氫燃料(liao)🤩電池測試中(zhōng)常用的幾種(zhǒng)流量計，将各(gè)種✔️流量計原(yuán)理和優劣勢(shì)做對比分析(xī)，爲☁️初步進人(ren)氫燃料電池(chí)測試領域的(de)試驗人😘員提(tí)供一定的知(zhī)識儲備，也爲(wei)☂️自主開🌈發氫(qing)燃料電池測(ce)試台提供技(jì)術支💋持。
1氣體(ti)流量計發展(zhan)曆史
　　氣體流(liú)量計的發展(zhǎn)曆史已有400餘(yu)年，最早由托(tuō)裏拆🧑🏾‍🤝‍🧑🏼利提出(chū)了類差壓式(shì)流量計的理(lǐ)論凹，之後又(yòu)發展🧑🏽‍🤝‍🧑🏻出容積(jī)式流量計、膜(mó)☎️片式流量計(jì)、熱式流量計(ji)、科式⭐流量計(ji)、 超聲波流量(liang)計 等諸多根(gēn)據不同應用(yong)場景的各種(zhǒng)流量計，使氣(qi)體流量的精(jing)準測量逐步(bu)走向規範和(hé)精度。
　　精度高(gāo)的氣體流量(liàng)計廠家主要(yao)集中在歐美(mei)發達國家🏃‍♂️，在(zài)💯流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量監測管(guan)結構、測量精(jing)度靈敏度、穩(wěn)定性和抗疲(pí)勞、抗幹擾性(xing)能方🍓面做了(le)一系列設計(jì)創新🤩。目前氫(qīng)燃料電池氣(qì)體流量計精(jīng)度最高可達(dá)到0.1%FS，極大提升(sheng)了電化學反(fǎn)應的精度，爲(wei)研發應用提(tí)供了較好的(de)硬件支撐。
2常(cháng)用氣體流量(liang)計分類和原(yuan)理
　　氫燃料電(diàn)池實際測試(shì)中，氣體的流(liú)量經常受工(gōng)作壓力、溫度(dù)、粘度等影響(xiang)，爲精确計量(liang)，需要測量氣(qì)體質量流量(liang)。目前氫燃料(liào)電池測試常(chang)用可直接測(ce)出質量流量(liang)的流量計，按(an)使用場景和(he)工作原理多(duō)爲差壓式流(liú)量計、熱式流(liú)量計和科式(shì)流量🛀🏻計。
2.1差壓(ya)式氣體流量(liang)計
　　差壓式流(liu)量計是一種(zhong)曆史悠久且(qie)精确度很高(gāo)、至今廣😄泛應(yīng)用的流量計(jì)，通過流經通(tōng)道内流體的(de)壓降來确定(ding)流量。差壓式(shì)流🐪量計本體(ti)爲突然變徑(jing)的節流體，當(dāng)被測流體流(liu)⭕經節流體時(shí)，流體會因突(tu)然變徑形成(cheng)局部收縮⛷️，流(liu)速變大，依據(ju)能量守恒定(ding)律，動能增大(dà)，靜🍉壓力會減(jian)小，通過的流(liu)體流量越大(da)，兩側壓差也(ye)越大，該壓差(cha)與流體流量(liàng)的平方成正(zheng)比🥵。差壓式流(liu)量計的工作(zuo)原理如圖1所(suǒ)示。
 
　　假設d爲(wei)流量計上端(duān)管路的内直(zhi)徑，A1爲該段管(guan)路橫截面積(jī)♻️，V1爲該處單位(wei)面積的，流體(ti)體積，ρ1爲該處(chù)流體密度，d2爲(wèi)流量計✂️管路(lù)内節流體間(jian)，的内直徑，A2爲(wei)該處的橫截(jié)面積，ρ2爲該處(chu)的流體密度(dù)，V2爲該👨‍❤️‍👨處單位(wei)面積🆚的流體(tǐ)體積，由伯努(nu)利方程和能(neng)量守恒定律(lǜ)推導得知氣(qi)體質🌈量流量(liang)測量公式，如(rú)公式(1)所示。
 
　　式(shi)中:qm一氣體質(zhì)量流量;C一氣(qi)體流出系數(shu);ε一氣體膨脹(zhang)系數;β一直徑(jìng)比，即d2/d1;△P一兩端(duan)壓差。
　　以背靠(kao)管式差壓氣(qì)體流量計爲(wèi)例，這是--種新(xin)型流🈲量計，主(zhu)㊙️要✏️解決低流(liú)速下的氣體(tǐ)流量測量精(jīng)度低的問題(tí)。結構是在管(guan)🏃🏻道上插入節(jie)流體，該節流(liú)體的迎風取(qǔ)壓孔正💔對氣(qi)流方向，背風(feng)取壓孔背向(xiang)氣流方向。在(zai)氣體的流動(dong)作用力下，氣(qì)流會在迎風(feng)取壓孔和背(bei)風取壓孔處(chù)分别産生正(zheng)向和⚽.負向的(de)壓強，壓差傳(chuan)感器采❓集節(jiē)流體内部的(de)2個導壓管的(de)壓強差甲，通(tong)過💋公式(1)計算(suàn)出流經的氣(qì)體質量流量(liang)。背靠管式差(chà)壓流量計的(de)這種背向節(jie)流體結構，使(shi)低流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻速氣體(tǐ)也能産生較(jiao)大☁️的壓差⛹🏻‍♀️，因(yīn)此适合測量(liang)低流速氣體(ti)，測量精度相(xiang)對較高。
2.2熱式(shì)流量計
　　熱擴(kuò)散式流量計(jì)是一-種高精(jīng)度、高可靠性(xing)且應用廣泛(fan)♍的流量🏃🏻‍♂️計。典(diǎn)型傳感元件(jian)爲2個RTD熱電阻(zu):RTD1爲溫度傳感(gan)器，測⛷️量氣體(tǐ)溫度T;RTD2爲💋速度(dù)傳感器，在氣(qì)體原本🈚溫度(dù)的基礎上🔅進(jin)一步加熱至(zhi)溫度T2，形🌈成恒(héng)溫差△T。但氣體(tǐ)流過RTD2時會帶(dài)走熱量，爲保(bao)持△T恒定，需要(yào)繼續加熱，氣(qì)體流速越大(dà)，擴散的🔴熱量(liang)越多，因‼️此，加(jiā)熱的電功率(lü)與氣體流🌐量(liàng)成正比51熱式(shì)流量計的工(gong)作原理🈚如圖(tú)2所示。
 
　　根據牛(niu)頓冷卻定律(lü)得知，RTD2的加熱(rè)電功近似等(děng)于氣體🙇🏻帶走(zǒu)的🤞熱功，如公(gōng)式(2)所示
 
　　式中(zhong):I、R2--測速探頭RTD2電(dian)流和電阻;α一(yī)-對流換熱系(xi)數;A一測速探(tan)頭RTD2表面👈積。
　　進(jìn)一步依據Hilbert對(duì)流換熱經驗(yan)公式"最終推(tui)導得知氣體(tǐ)質量流量測(cè)量公式，如公(gōng)式(3)所示
 
　　式中(zhong):qm一氣體質量(liàng)流量;S一測量(liàng)管道截面積(jī);d一測速探頭(tou)⛷️RTD2直徑📱;C、n取👉值由(you)實驗數據拟(ni)合得到;μ一氣(qì)體動力粘度(du);λ一氣體導熱(rè)系🍓數;Cp一氣體(ti)定壓比熱容(róng)。
　　公式(3)比較複(fu)雜，需要的經(jīng)驗數據一般(bān)由流量計廠(chǎng)家🌈根據大量(liang)測試經驗所(suo)得，很多科研(yan)院校也會據(jù)此建模仿真(zhen)做🙇🏻深入研究(jiū)。
2.3科式流量計(ji)
　　科氏流量計(ji)是流體通過(guò)振動管時，産(chǎn)生科裏奧利(lì)力，研究與實(shí)⭐踐證明，該力(lì)與質量流量(liang)成正比，據此(cǐ)測出流體的(de)質量流量，因(yin)此，該流量的(de)測量原理幾(jǐ)乎不受氣體(tǐ)粘🔱度、狀态、溫(wen)度等外界條(tiáo)件影響。科氏(shi)流量計一般(bān)由傳感器和(hé)變送器組成(cheng)，傳感器主要(yao)🈲包括激振器(qì)和拾振器檢(jiǎn)🏃🏻‍♂️測扭矩振動(dòng)力，變送器則(ze)将傳感器信(xin)号🤞轉變爲質(zhì)量流量、密度(du)溫度等标準(zhun)💋信号輸出四(si)。科氏流量計(ji)原理如圖3所(suo)示。
 
　　質點m以勻(yun)速υ在旋轉角(jiao)速度ω的管道(dao)内運動時，根(gen)據物♌體👅運動(dòng)的🔅慣性原理(lǐ)，得出公式(4)
 
　　式(shì)中:αt一向心加(jiā)速度;ω一旋轉(zhuan)角速度;αy一切(qie)向加速度，方(fāng)向與αr垂直。
　　根(gēn)據牛頓第二(er)定律，向心方(fāng)向作用有科(ke)裏奧利力F=2wvm,當(dāng)密度ρ的氣體(tǐ)在旋轉管道(dao)中以恒定速(su)度u運動時，長(zhang)度⚽爲△x的管路(lù)内受⛹🏻‍♀️到切🔱向(xiang)的科裏奧利(li)力△F，如公式(5)所(suǒ)示
 
　　式中:qm一氣(qi)體質量流量(liàng);A一管道橫截(jie)面積。
　　以上爲(wei)科式流量計(ji)的計算原理(li)，但在實際應(yīng)用中，是以管(guǎn)道振動力代(dài)替旋轉慣性(xing)力。科式流量(liàng)計以其精度(dù)高、寬量程、低(dī)💛壓損🥰和長壽(shou)命等優點，被(bèi)廣泛應用在(zai)各領域，也是(shì)氫燃料電池(chi)測量首選的(de)流量計。
2.4各流(liu)量計優缺點(diǎn)分析
　　3種氫燃(ran)料電池測試(shì)常用氣體流(liu)量計優缺點(dian)分析如👉表🔱1所(suǒ)👨‍❤️‍👨示，爲🐆産品研(yán)發和測試台(tai)開發做選型(xing)參考。
3結論
　　氣(qi)體流量計發(fā)展曆史悠久(jiǔ)，國外技術較(jiao)爲先進，氫燃(rán)料電池測試(shì)常用差壓式(shì)氣體流量計(jì)、熱式氣體流(liu)量♈計和科式(shì)氣體♊流量⛱️計(jì)，通過對3種流(liu)量計的工作(zuò)原理和優劣(liè)⭐分析,可以較(jiào)爲清晰地💛了(le)解各流量計(jì)不同的應用(yòng)場景，爲産品(pin)開📞發和測試(shi)台設計提♍供(gòng)技術指南。

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