[摘要]近年(nian)來，氫燃料電池(chi)以綠色環保、續(xu)駛裏程長🥵的優(you)🔞勢越來越廣泛(fan)地應用在道路(lu)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(zhǎn)的熱點。論文以(yi)氫燃料電池測(ce)試爲⛱️應用領域(yu)，以氣體流量計(ji) 的發展曆史開(kai)篇，分類講述氫(qing)燃料電池測試(shì)中常用的 差壓(yā)式氣體流量計(ji) 、 熱式氣體流量(liang)計 、科式氣體流(liu)量計的工作原(yuán)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(bu)進入氫燃料🏃‍♂️電(diàn)池測試領域的(de)測試工🌈程師和(hé)試驗技師提供(gòng)一定的知識儲(chǔ)備和選型🙇🏻方法(fǎ)。
　　近年來，随着2030年(nian)前“碳中和”、2060年前(qián)“碳達峰”目标的(de)提出，氫能源日(ri)益發展壯大，氫(qing)燃料電池以綠(lü)色環保性越來(lái)越廣泛地應用(yòng)在道路車輛和(he)發電機組，也成(cheng)爲了各大科研(yan)院校和企業研(yán)究的熱🙇‍♀️點叮。本(ben)文闡述氫燃料(liào)電池測試中常(cháng)用的幾種流量(liang)計，将各種流量(liang)計原理和優劣(lie)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(rán)料電池測⛹🏻‍♀️試台(tái)提供技術支持(chi)。
1氣體流量計發(fā)展曆史
　　氣體流(liú)量計的發展曆(lì)史已有400餘年，最(zuì)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(liu)量計、熱式流量(liàng)計、科式流量計(ji)、 超聲波流量計(jì) 等諸多根據不(bu)同應用場景的(de)各種流量計，使(shi)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(ti)流量計廠家主(zhu)要集中在歐美(mei)發達國家，在😍流(liú)✨量監測管結構(gòu)、測量精度靈敏(mǐn)度、穩定性🔞和抗(kàng)疲勞、抗幹擾性(xìng)能方面做了一(yī)系列設計創新(xīn)。目前氫燃料電(dian)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(ying)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(ji)測試中，氣體的(de)流量經常受工(gong)作壓力、溫度、粘(zhān)度等影響，爲精(jīng)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(yong)可直接測出🌏質(zhì)量流量的流量(liàng)計，按使用場☁️景(jing)和工作原理多(duō)爲差壓式流量(liàng)計、熱式流量計(ji)和科式流量計(jì)。
2.1差壓式氣體流(liú)量計
　　差壓式流(liu)量計是一種曆(li)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(liàng)。差壓式流量計(ji)本體爲突然變(biàn)徑的節流體，當(dāng)被測流體流🌈經(jīng)節流💘體時，流🈲體(ti)會因突然變徑(jing)形成局部收縮(suō)，流速變大，依據(jù)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(gong)作原理如圖1所(suǒ)示。
 
　　假設d爲流量計(ji)上端管路的内(nèi)直徑，A1爲該段管(guan)路橫截面積，V1爲(wèi)該處單位面積(ji)的，流體體積，ρ1爲(wèi)該處流體密度(du)，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(mi)🌈度，V2爲該處單位(wei)面積的流體體(ti)積，由伯努利方(fang)程和能量守恒(héng)定律推導得知(zhī)氣體質量流量(liang)測量公式，如公(gōng)式(1)所示。
 
　　式中:qm一(yī)氣體質量流量(liàng);C一氣體流出系(xì)數;ε一氣體膨脹(zhàng)系數;β一直⚽徑比(bǐ)，即d2/d1;△P一兩端壓差(cha)。
　　以背靠管式差(chà)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(xia)的氣體流量測(ce)量精度低的問(wen)題。結構是在管(guan)道上插入節流(liu)體，該節流體的(de)迎風取壓孔正(zhèng)💜對氣流方向，背(bèi)風取壓孔背向(xiàng)氣流♊方向。在氣(qì)體的流動作用(yòng)力下，氣流會在(zai)迎風取壓孔和(he)背風取壓孔處(chù)分别産生正向(xiang)和.負向的壓強(qiáng)，壓差傳感器采(cǎi)⁉️集節流體内部(bu)的2個導壓管的(de)壓強差甲，通過(guo)公式(1)計算出流(liú)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(chà)，因此适合測量(liàng)🚶低流速氣體，測(ce)量精度相對較(jiào)📞高。
2.2熱式流量計(ji)
　　熱擴散式流量(liang)計是一-種高精(jing)度、高可靠性且(qiě)應用廣泛的流(liu)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(zhì)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(xu)要繼續加熱，氣(qì)體流速越大，擴(kuo)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(shì)流量計的工作(zuo)原理如圖2所示(shì)。
 
　　根據(ju)牛頓冷卻定律(lǜ)得知，RTD2的加熱電(dian)功近似等于氣(qi)✊體帶‼️走🐆的熱⛷️功(gōng)，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(yàn)公式"最終推導(dao)得知氣體質量(liàng)流量測量公式(shi)，如公式(3)所示
 
　　式(shì)中:qm一氣體質量(liàng)流量;S一測量管(guǎn)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(bi)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(jing)驗所得，很多科(ke)研院校也會據(jù)此建模仿真做(zuò)深入研究。
2.3科式(shi)流量計
　　科氏流(liú)量計是流體通(tōng)過振動管時，産(chǎn)生科裏奧利♌力(lì)，研究與實踐證(zhèng)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(cǐ)，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(ce)扭矩振動力，變(biàn)送器則将傳感(gan)器信号轉變爲(wei)質量流量、密度(dù)溫度等标準信(xin)号輸出四。科氏(shì)🙇‍♀️流量計💜原理如(ru)圖3所示。
 
　　質點m以(yi)勻速υ在旋轉角(jiao)速度ω的管道内(nei)運動時，根據物(wù)體運動的慣性(xìng)原理，得出公式(shì)(4)
 
　　式中:αt一向心加(jiā)速度;ω一旋轉角(jiao)速度;αy一切向加(jia)速度，方♋向與αr垂(chui)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(zhuǎn)管道中以恒定(ding)速度u運動時，長(zhang)度爲△x的管路内(nei)受到切向的科(kē)裏奧利力△F，如公(gōng)式(5)所示
 
　　式中:qm一(yi)氣體質量流量(liang);A一管道橫截面(miàn)積。
　　以上爲科式(shi)流量計的計算(suan)原理，但在實際(jì)應用中，是以管(guǎn)道振動力代替(ti)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(guang)泛應用在🛀🏻各領(lǐng)域，也是氫燃料(liao)電池測量首選(xuan)的流量計。
2.4各流(liú)量計優缺點分(fèn)析
　　3種氫燃料電(diàn)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(jì)發展曆史悠久(jiu)，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(qi)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(jiào)爲清晰地了解(jie)各流量計不同(tóng)的應用場景，爲(wei)産品開發和測(cè)試台設計提供(gong)技術指南。

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