[摘(zhai)要]近(jin)年來(lai)，氫燃(ran)料電(dian)池以(yi)綠色(se)環保(bao)、續駛(shi)裏程(cheng)長🐕的(de)優勢(shi)越來(lai)越廣(guang)泛地(di)應用(yong)在道(dao)路車(che)輛和(he)發電(dian)機組(zu)，也成(cheng)爲了(le)各大(da)科研(yan)院校(xiao)和企(qi)業研(yan)究發(fa)展的(de)熱🥰點(dian)。論文(wen)🐆以氫(qing)燃料(liao)電池(chi)測試(shi)爲應(ying)用領(ling)域，以(yi)氣體(ti)流量(liang)計 的(de)發展(zhan)曆史(shi)開篇(pian)，分類(lei)講述(shu)氫燃(ran)料電(dian)池測(ce)試中(zhong)常用(yong)的 差(cha)壓式(shi)氣體(ti)流量(liang)計 、 熱(re)式氣(qi)體流(liu)量計(ji) 、科式(shi)氣體(ti)流量(liang)計的(de)工作(zuo)原理(li)、應用(yong)場景(jing)和優(you)劣對(dui)比，最(zui)🌈後進(jin)行統(tong)一總(zong)結。本(ben)篇可(ke)爲初(chu)步進(jin)入氫(qing)燃料(liao)電池(chi)測試(shi)領域(yu)☔的測(ce)試工(gong)‼️程師(shi)和試(shi)驗技(ji)師提(ti)供一(yi)定的(de)知識(shi)儲備(bei)和選(xuan)型方(fang)法。
　　近(jin)年來(lai)，随着(zhe)2030年前(qian)“碳中(zhong)和”、2060年(nian)前“碳(tan)達峰(feng)”目标(biao)的提(ti)出，氫(qing)能源(yuan)日益(yi)發展(zhan)壯大(da)，氫燃(ran)料電(dian)池以(yi)綠色(se)環保(bao)性越(yue)來越(yue)廣泛(fan)地應(ying)用在(zai)道路(lu)車輛(liang)和發(fa)電機(ji)組，也(ye)成爲(wei)了各(ge)大科(ke)研🐅院(yuan)校和(he)企業(ye)研究(jiu)的熱(re)🚶‍♀️點叮(ding)。本文(wen)闡述(shu)氫燃(ran)料電(dian)池測(ce)試中(zhong)常用(yong)的🚶‍♀️幾(ji)種流(liu)量💋計(ji)，将各(ge)種流(liu)量計(ji)原理(li)和優(you)劣勢(shi)做對(dui)比分(fen)析，爲(wei)初步(bu)進人(ren)氫燃(ran)料電(dian)池測(ce)試領(ling)域的(de)試驗(yan)人🤞員(yuan)提供(gong)一定(ding)的知(zhi)識💁儲(chu)備，也(ye)爲自(zi)主開(kai)發氫(qing)燃✨料(liao)電池(chi)測試(shi)台提(ti)供技(ji)術支(zhi)持。
1氣(qi)體流(liu)量計(ji)發展(zhan)曆史(shi)
　　氣體(ti)流量(liang)計的(de)發展(zhan)曆史(shi)已有(you)400餘年(nian)，最早(zao)由托(tuo)裏拆(chai)利🛀🏻提(ti)出了(le)類差(cha)壓式(shi)流量(liang)計的(de)理論(lun)凹，之(zhi)後又(you)發展(zhan)出容(rong)積式(shi)流量(liang)計、膜(mo)💯片式(shi)流量(liang)計、熱(re)式流(liu)量計(ji)、科式(shi)流量(liang)計、 超(chao)聲波(bo)流量(liang)計 等(deng)諸多(duo)根據(ju)不同(tong)應用(yong)場景(jing)的各(ge)種流(liu)量計(ji)，使氣(qi)體流(liu)量的(de)精準(zhun)測量(liang)逐步(bu)走向(xiang)規範(fan)和精(jing)度。
　　精(jing)度高(gao)的氣(qi)體流(liu)量計(ji)廠家(jia)主要(yao)集中(zhong)在歐(ou)美發(fa)達國(guo)🌍家，在(zai)流量(liang)監測(ce)管結(jie)構、測(ce)量精(jing)度靈(ling)敏度(du)、穩定(ding)性☔和(he)抗疲(pi)勞⭕、抗(kang)幹擾(rao)性♻️能(neng)方面(mian)做了(le)一系(xi)列設(she)計創(chuang)新。目(mu)前氫(qing)燃料(liao)電池(chi)氣體(ti)流量(liang)計精(jing)度最(zui)高可(ke)達到(dao)0.1%FS，極💰大(da)提升(sheng)了電(dian)化學(xue)反應(ying)的精(jing)度，爲(wei)研發(fa)應用(yong)提供(gong)了較(jiao)好的(de)硬件(jian)🛀🏻支撐(cheng)。
2常用(yong)氣體(ti)流量(liang)計分(fen)類和(he)原理(li)
　　氫燃(ran)料電(dian)池實(shi)際測(ce)試中(zhong)，氣體(ti)的流(liu)量經(jing)常受(shou)工作(zuo)壓💰力(li)、溫🆚度(du)、粘度(du)等影(ying)響，爲(wei)精确(que)計量(liang)，需要(yao)測量(liang)氣體(ti)質量(liang)流量(liang)。目前(qian)㊙️氫燃(ran)料電(dian)池測(ce)試常(chang)用可(ke)直接(jie)測出(chu)質量(liang)流量(liang)的流(liu)量計(ji)，按使(shi)用場(chang)景和(he)工作(zuo)原理(li)多爲(wei)差壓(ya)式流(liu)🌈量計(ji)、熱式(shi)流量(liang)計和(he)科式(shi)流量(liang)計。
2.1差(cha)壓式(shi)氣體(ti)流量(liang)計
　　差(cha)壓式(shi)流量(liang)計是(shi)一種(zhong)曆史(shi)悠久(jiu)且精(jing)确度(du)很高(gao)、至今(jin)廣泛(fan)👨‍❤️‍👨應㊙️用(yong)的流(liu)量計(ji)，通過(guo)流經(jing)通道(dao)内流(liu)體的(de)壓降(jiang)來确(que)定流(liu)量。差(cha)壓♊式(shi)流量(liang)計本(ben)體爲(wei)突然(ran)變徑(jing)的節(jie)流體(ti)💔，當被(bei)測流(liu)體流(liu)❓經節(jie)流體(ti)時，流(liu)體會(hui)因突(tu)然變(bian)徑形(xing)成局(ju)部收(shou)縮，流(liu)速變(bian)大🍉，依(yi)據能(neng)量守(shou)恒定(ding)律🏃🏻‍♂️，動(dong)能增(zeng)大，靜(jing)壓力(li)會減(jian)小⁉️，通(tong)過的(de)流體(ti)🌈流量(liang)越大(da)，兩側(ce)壓差(cha)也越(yue)大，該(gai)壓差(cha)與流(liu)體流(liu)量的(de)平方(fang)成💯正(zheng)比。差(cha)壓式(shi)流量(liang)計的(de)工作(zuo)原理(li)如圖(tu)1所示(shi)。
 
　　假(jia)設d爲(wei)流量(liang)計上(shang)端管(guan)路的(de)内直(zhi)徑，A1爲(wei)該段(duan)管路(lu)橫截(jie)面積(ji)💋，V1爲該(gai)處單(dan)位面(mian)積的(de)，流體(ti)體積(ji)，ρ1爲該(gai)處流(liu)體密(mi)度，d2爲(wei)流量(liang)計管(guan)路内(nei)節流(liu)體間(jian)，的内(nei)直徑(jing)，A2爲該(gai)處的(de)橫截(jie)面積(ji)，ρ2爲該(gai)處的(de)♉流體(ti)密度(du)，V2爲該(gai)處單(dan)位面(mian)積的(de)流體(ti)體積(ji)，由伯(bo)努利(li)方程(cheng)和能(neng)量守(shou)恒定(ding)律推(tui)導得(de)知氣(qi)體質(zhi)⭐量流(liu)量測(ce)量公(gong)式，如(ru)公式(shi)(1)所示(shi)。
 
　　式中(zhong):qm一氣(qi)體質(zhi)量流(liu)量;C一(yi)氣體(ti)流出(chu)系數(shu);ε一氣(qi)體膨(peng)脹系(xi)數;β一(yi)直徑(jing)比，即(ji)d2/d1;△P一兩(liang)端壓(ya)差。
　　以(yi)背靠(kao)管式(shi)差壓(ya)氣體(ti)流量(liang)計爲(wei)例，這(zhe)是--種(zhong)新型(xing)流量(liang)🌈計♻️，主(zhu)要解(jie)🔞決低(di)流速(su)下的(de)氣體(ti)流量(liang)測量(liang)精度(du)低📐的(de)問題(ti)。結構(gou)是在(zai)管道(dao)上插(cha)入節(jie)流體(ti)，該節(jie)流體(ti)的迎(ying)風取(qu)⚽壓孔(kong)正🥰對(dui)氣流(liu)方向(xiang)，背風(feng)取壓(ya)💃🏻孔背(bei)向氣(qi)流方(fang)向。在(zai)氣體(ti)的流(liu)動作(zuo)用力(li)下，氣(qi)流會(hui)在迎(ying)風取(qu)壓孔(kong)和背(bei)風取(qu)壓孔(kong)處分(fen)别産(chan)生正(zheng)向和(he).負向(xiang)的壓(ya)強，壓(ya)差傳(chuan)感器(qi)🍓采集(ji)節流(liu)體内(nei)部的(de)2個導(dao)壓管(guan)的🏃🏻壓(ya)強差(cha)甲，通(tong)過公(gong)式(1)計(ji)算出(chu)流🔴經(jing)的氣(qi)體質(zhi)量流(liu)量。背(bei)靠管(guan)🚶‍♀️式差(cha)壓流(liu)量計(ji)的☀️這(zhe)種背(bei)向節(jie)流體(ti)🈲結構(gou)，使低(di)流速(su)氣體(ti)也能(neng)産生(sheng)較大(da)的壓(ya)差，因(yin)此适(shi)合測(ce)量低(di)流速(su)氣體(ti)，測量(liang)精度(du)相對(dui)較高(gao)。
2.2熱式(shi)流量(liang)計
　　熱(re)擴散(san)式流(liu)量計(ji)是一(yi)-種高(gao)精度(du)、高可(ke)靠性(xing)且應(ying)用廣(guang)泛的(de)流🏒量(liang)✊計。典(dian)型傳(chuan)感元(yuan)件爲(wei)2個RTD熱(re)電阻(zu):RTD1爲溫(wen)度⭐傳(chuan)感器(qi)，測量(liang)氣體(ti)溫度(du)T;RTD2爲㊙️速(su)度傳(chuan)感器(qi)，在氣(qi)體原(yuan)本溫(wen)度的(de)基礎(chu)上進(jin)一步(bu)加熱(re)至溫(wen)度T2，形(xing)成恒(heng)溫差(cha)△T。但氣(qi)體流(liu)過RTD2時(shi)會帶(dai)走熱(re)量，爲(wei)保持(chi)△T恒定(ding)，需📞要(yao)繼續(xu)加熱(re)，氣體(ti)流速(su)越大(da)，擴散(san)的熱(re)量越(yue)多，因(yin)此，加(jia)熱的(de)電功(gong)率與(yu)氣體(ti)流⛱️量(liang)成正(zheng)比51熱(re)式流(liu)量計(ji)的工(gong)作㊙️原(yuan)理如(ru)圖2所(suo)示。
 
　　根(gen)據牛(niu)頓冷(leng)卻定(ding)律得(de)知，RTD2的(de)加熱(re)電功(gong)近似(si)等于(yu)氣體(ti)帶走(zou)的熱(re)❗功，如(ru)公式(shi)(2)所示(shi)
 
　　式中(zhong):I、R2--測速(su)探頭(tou)RTD2電流(liu)和電(dian)阻;α一(yi)-對流(liu)換熱(re)系數(shu);A一測(ce)速探(tan)🐉頭RTD2表(biao)面積(ji)。
　　進一(yi)步依(yi)據Hilbert對(dui)流換(huan)熱經(jing)驗公(gong)式"最(zui)終推(tui)導得(de)知氣(qi)體質(zhi)量流(liu)量測(ce)量公(gong)式，如(ru)公式(shi)(3)所示(shi)
 
　　式中(zhong):qm一氣(qi)體質(zhi)量流(liu)量;S一(yi)測量(liang)管道(dao)截面(mian)積;d一(yi)測速(su)👄探頭(tou)RTD2直徑(jing);C、n取值(zhi)由實(shi)驗數(shu)據拟(ni)合得(de)到;μ一(yi)氣體(ti)動力(li)粘度(du);λ一氣(qi)體導(dao)熱系(xi)數;Cp一(yi)氣體(ti)定壓(ya)比熱(re)容。
　　公(gong)式(3)比(bi)較複(fu)雜，需(xu)要的(de)經驗(yan)數據(ju)一般(ban)由流(liu)量計(ji)廠家(jia)根據(ju)大🌈量(liang)🤩測試(shi)經驗(yan)所得(de)，很多(duo)科研(yan)院校(xiao)也會(hui)據此(ci)建模(mo)仿真(zhen)做♋深(shen)入研(yan)究。
2.3科(ke)式流(liu)量計(ji)
　　科氏(shi)流量(liang)計是(shi)流體(ti)通過(guo)振動(dong)管時(shi)，産生(sheng)科裏(li)奧利(li)力，研(yan)究與(yu)實踐(jian)證明(ming)，該力(li)與質(zhi)量流(liu)量成(cheng)正比(bi)，據此(ci)測出(chu)流體(ti)的質(zhi)量流(liu)量，因(yin)此，該(gai)流量(liang)的測(ce)量原(yuan)理幾(ji)乎不(bu)受氣(qi)體粘(zhan)度、狀(zhuang)态、溫(wen)度等(deng)外界(jie)條件(jian)影響(xiang)。科氏(shi)流量(liang)計一(yi)般由(you)傳感(gan)器和(he)變送(song)器組(zu)成，傳(chuan)感器(qi)主要(yao)包括(kuo)激振(zhen)器和(he)拾振(zhen)器檢(jian)測扭(niu)矩振(zhen)動力(li)，變送(song)器則(ze)将傳(chuan)感器(qi)信号(hao)轉變(bian)爲質(zhi)量流(liu)量、密(mi)度溫(wen)度等(deng)😘标準(zhun)🔅信号(hao)輸出(chu)四。科(ke)氏流(liu)量計(ji)💜原理(li)如圖(tu)3所示(shi)。
 
　　質點(dian)m以勻(yun)速υ在(zai)旋轉(zhuan)角速(su)度ω的(de)管道(dao)内運(yun)動時(shi)，根據(ju)物體(ti)👄運♍動(dong)的慣(guan)性原(yuan)理，得(de)出公(gong)式(4)
 
　　式(shi)中:αt一(yi)向心(xin)加速(su)度;ω一(yi)旋轉(zhuan)角速(su)度;αy一(yi)切向(xiang)加速(su)度，方(fang)向🆚與(yu)🥰αr垂直(zhi)。
　　根據(ju)牛頓(dun)第二(er)定律(lü)，向心(xin)方向(xiang)作用(yong)有科(ke)裏奧(ao)利力(li)🔴F=2wvm,當密(mi)度ρ的(de)氣體(ti)在旋(xuan)轉管(guan)道中(zhong)以恒(heng)定速(su)度u運(yun)動時(shi)⛷️，長度(du)爲△x的(de)管路(lu)内受(shou)到切(qie)向的(de)科裏(li)奧利(li)力△F，如(ru)公式(shi)(5)所示(shi)
 
　　式中(zhong):qm一氣(qi)體質(zhi)量流(liu)量;A一(yi)管道(dao)橫截(jie)面積(ji)。
　　以上(shang)爲科(ke)式流(liu)量計(ji)的計(ji)算原(yuan)理，但(dan)在實(shi)際應(ying)用中(zhong)，是以(yi)😄管道(dao)振動(dong)力代(dai)替旋(xuan)轉慣(guan)性力(li)。科式(shi)流量(liang)計以(yi)其精(jing)度高(gao)㊙️、寬量(liang)程、低(di)壓損(sun)和長(zhang)壽命(ming)等優(you)點，被(bei)廣泛(fan)應用(yong)在各(ge)領域(yu)，也是(shi)氫燃(ran)料電(dian)池測(ce)量首(shou)選的(de)流量(liang)計。
2.4各(ge)流量(liang)計優(you)缺點(dian)分析(xi)
　　3種氫(qing)燃料(liao)電池(chi)測試(shi)常用(yong)氣體(ti)流量(liang)計優(you)缺點(dian)分析(xi)如表(biao)1所示(shi)，爲産(chan)品研(yan)發和(he)測試(shi)台開(kai)發做(zuo)選型(xing)參考(kao)。
3結論(lun)
　　氣體(ti)流量(liang)計發(fa)展曆(li)史悠(you)久，國(guo)外技(ji)術較(jiao)爲先(xian)進，氫(qing)燃料(liao)電池(chi)測✍️試(shi)常用(yong)差壓(ya)式氣(qi)體流(liu)量計(ji)、熱式(shi)氣體(ti)流量(liang)計和(he)科式(shi)氣體(ti)流量(liang)計，通(tong)過對(dui)3種流(liu)量計(ji)的工(gong)作原(yuan)理和(he)優劣(lie)分析(xi),可🥰以(yi)較爲(wei)清晰(xi)地了(le)解各(ge)流量(liang)計不(bu)同的(de)應用(yong)場景(jing)，爲産(chan)品開(kai)發和(he)測試(shi)📐台設(she)計提(ti)供技(ji)術指(zhi)南。

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