[摘要]近年(nian)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(lu)車輛和發電(diàn)機組，也成爲(wèi)了各大科研(yán)院校和企業(yè)研究發展的(de)熱點。論文以(yi)氫燃料電池(chi)測試爲應用(yong)領域，以氣體(ti)流量計 的發(fa)展曆史開篇(piān)，分類講述氫(qing)燃料電池測(cè)試中常用的(de) 差壓式氣體(ti)流量計 、 熱式(shì)氣體流量計(ji) 、科式氣體流(liú)量計的工作(zuò)原理、應用場(chang)景和優劣對(dui)比♊，最後⭐進行(háng)統一總結。本(běn)篇可爲初步(bù)進入氫燃料(liao)♍電池測試⁉️領(ling)域✍️的測試工(gong)程師和試驗(yan)技師提供一(yī)定的知識儲(chu)備和選型🎯方(fang)法。
　　近年來，随(sui)着2030年前“碳中(zhong)和”、2060年前“碳達(da)峰”目标的提(tí)出，氫能🈚源日(ri)益發展壯大(dà)，氫燃料電池(chi)以綠色環保(bǎo)性越來越廣(guang)泛地應用在(zài)道路車輛和(hé)發電機組，也(ye)成爲了各大(da)科研院校和(hé)企業研究的(de)熱點叮。本文(wén)闡⁉️述氫燃料(liao)電池測試中(zhōng)常用的幾種(zhong)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(qīng)燃📐料電池測(ce)試台提供技(jì)術支持。
1氣體(ti)流量計發展(zhǎn)曆史
　　氣體流(liú)量計的發展(zhan)曆史已有400餘(yú)年，最早由托(tuo)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(ji)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(liàng)計 等諸多根(gen)據不同應用(yòng)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(gao)的氣體流量(liàng)計廠家主要(yào)集中在歐美(mei)發達🌍國家☁️，在(zài)流量監測管(guǎn)結構、測量精(jing)度靈敏度、穩(wěn)定性和抗疲(pí)勞、抗幹擾性(xìng)能方面做了(le)一系列設計(ji)創新。目前氫(qing)燃料電池氣(qì)體流量計🌈精(jīng)度最高可達(da)到0.1%FS，極大提升(sheng)了電化學反(fan)應的精度，爲(wèi)研發應用提(ti)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(dian)池實際測試(shi)中，氣體的流(liú)量經常受工(gōng)作壓力❤️、溫度(du)、粘⭐度等影響(xiǎng)，爲精确計量(liàng)，需要測量氣(qi)體質量流量(liàng)。目前氫燃料(liao)電池測試常(chang)用可直接測(cè)出♻️質量流量(liàng)的流量計，按(àn)使用場景和(he)工作原理多(duō)爲差壓式流(liu)量計、熱式流(liu)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(zhǒng)曆史悠久且(qie)精确度很高(gao)、至今廣泛應(ying)♈用的流量計(jì)，通過流經通(tong)道内流體的(de)壓降來🈲确定(ding)流量。差壓式(shì)流🈲量計本體(tǐ)爲突然變徑(jing)的🙇🏻節流體👌，當(dāng)被測流體流(liú)經節流體時(shí)，流體會因突(tu)然變徑形成(chéng)局部收縮，流(liú)速變大，依據(ju)能量🈚守恒定(ding)律，動能增大(da)，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(chà)與流體🏃流量(liang)的平方成正(zhèng)比。差壓式流(liu)量計的工作(zuò)原理如圖1所(suo)🎯示。
 
　　假設d爲(wèi)流量計上端(duān)管路的内直(zhi)徑，A1爲該段管(guǎn)路橫㊙️截面積(ji)，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(lu)内節流體間(jian)，的内直徑，A2爲(wèi)該處的橫截(jie)面積，ρ2爲該處(chu)的流體密度(du)，V2爲該處單位(wei)面積的流體(tǐ)體積，由伯努(nǔ)利方程和能(neng)量守恒定律(lǜ)推導❓得知氣(qì)體質量流量(liang)測量公式，如(rú)公式(1)所示。
 
　　式(shì)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(duān)壓差。
　　以背靠(kào)管式差壓氣(qi)體流量計爲(wei)例，這是--種新(xīn)型流量計，主(zhu)要📧解決低流(liú)速下的氣體(tǐ)流量測量精(jing)度低的問題(ti)。結構是在管(guan)道上插入節(jie)流體，該節流(liu)體的迎風取(qǔ)壓孔正對氣(qì)流方向，背☁️風(fēng)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(fēng)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(chuán)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(suan)出流❌經的氣(qi)體質量流量(liang)。背靠管式差(chà)壓流量計的(de)這種背向節(jiē)流體結構，使(shǐ)低流速氣體(ti)也能産生較(jiao)大☀️的壓差，因(yin)此适合測量(liàng)低流速氣體(ti)，測量精度相(xiàng)對較高。
2.2熱式(shi)流量計
　　熱擴(kuo)散式流量計(ji)是一-種高精(jīng)度、高可靠性(xing)且應用廣泛(fan)的流量💛計。典(dian)型傳感元件(jiàn)爲2個RTD熱電阻(zǔ):RTD1爲溫度💛傳感(gan)器，測量氣體(ti)溫度T;RTD2爲速度(du)傳感器，在氣(qi)體原本溫度(dù)的基礎上💜進(jìn)一步加熱至(zhì)溫度T2，形🐕成恒(heng)溫差△T。但氣體(ti)流過RTD2時會帶(dai)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(jia)熱的電⭐功率(lǜ)與氣體流量(liang)成正比51熱式(shi)流量計的工(gong)作原理如圖(tu)2所示💁。
 
　　根據牛(niu)頓冷卻定律(lǜ)得知，RTD2的加熱(re)電功近似等(deng)于氣體帶走(zǒu)的熱功，如公(gong)式(2)所示
 
　　式中(zhōng):I、R2--測速探頭RTD2電(diàn)流和電阻;α一(yī)-對流換熱系(xi)數;A一測🚶速探(tàn)🔴頭RTD2表面積。
　　進(jìn)一步依據Hilbert對(dui)流換熱經驗(yàn)公式"最終推(tui)導得知氣體(tǐ)㊙️質量流量測(cè)量公式，如公(gong)式(3)所示
 
　　式中(zhōng):qm一氣體質量(liang)流量;S一測量(liàng)管道截面積(ji);d一測速探頭(tóu)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(dù);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(jing)驗數據一般(ban)由流量計廠(chang)家根據⛷️大量(liàng)測試經驗所(suǒ)得，很多科研(yan)院校也會據(jù)此建模仿真(zhēn)做深入研究(jiū)。
2.3科式流量計(jì)
　　科氏流量計(ji)是流體通過(guò)振動管時，産(chan)生科裏奧利(li)力，研究與🈲實(shí)踐證明，該力(li)與質量流量(liang)成正比，據此(ci)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(tiao)件影響。科氏(shi)🌐流量計一般(ban)由傳感器和(he)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(dong)力，變送器則(ze)将傳感器信(xìn)号轉變爲質(zhi)量流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻量、密度(du)溫度等标準(zhǔn)⛹🏻‍♀️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(yún)速υ在旋轉角(jiǎo)速度ω的管道(dao)内運動時，根(gēn)據物體運動(dòng)的慣性原理(lǐ)，得出公式(4)
 
　　式(shi)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(fang)向與αr垂直。
　　根(gen)據牛頓第二(er)定律，向心方(fang)向作用有科(ke)裏奧利力F=2wvm,當(dang)密😍度ρ的💁氣體(ti)在旋轉管道(dào)中以恒定速(su)度u運動時🐪，長(zhǎng)度爲△x的管路(lu)内受到切向(xiang)的科裏奧利(lì)力△F，如公式(5)所(suo)示
 
　　式中:qm一氣(qì)體質量流量(liàng);A一管道橫截(jie)面積。
　　以上爲(wei)科式流量計(jì)的計算原理(lǐ)，但在實際應(yīng)用中，是以管(guan)道振動力代(dai)替旋轉慣性(xìng)力。科式流量(liàng)計以其精度(du)高、寬量程、低(dī)壓損和長壽(shòu)命等優點，被(bèi)廣泛💛應用在(zài)🧡各領域，也是(shi)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(dian)分析
　　3種氫燃(ran)料電池測試(shi)常用氣體流(liu)量計優缺點(dian)分析如🌈表1所(suǒ)示，爲産品研(yan)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(ran)料電池❄️測✌️試(shì)常用差壓式(shi)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(zuo)原理和優劣(lie)分析,可以較(jiào)爲清晰地了(le)解各流量計(ji)不同的💋應用(yong)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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