[摘要]近年(nián)來，氫燃料電池(chí)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(shi)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(yuan)理、應用場景和(he)優劣對比，最後(hou)進🏃🏻行統一總結(jié)。本篇可爲初步(bù)進入氫燃料電(diàn)池測試💃領域的(de)測🔆試工程師和(he)試驗技師提供(gòng)一定的知識儲(chu)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(rì)益發展壯大，氫(qīng)燃料電池以綠(lǜ)色環保性越來(lái)越廣泛地應用(yòng)❌在道路車輛和(hé)發電機組，也成(chéng)爲了各大科研(yan)院校和企業研(yan)究的熱點叮。本(běn)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(lie)勢做對比分析(xi)，爲初步進人氫(qing)燃料電池測試(shi)🚩領域的試驗人(ren)員提供一定的(de)知識儲備，也爲(wèi)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(liu)量計的發展曆(li)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(lǐ)論凹，之後又發(fa)展出容🈲積式流(liú)量計、膜片式流(liu)量計、熱式流量(liang)計、科式流量計(ji)、 超聲波流量計(ji) 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(zǒu)向規範和精度(dù)。
　　精度高的氣體(tǐ)流量計廠家主(zhǔ)要集中在歐美(měi)發達📱國💃家，在流(liú)🔴量🌈監測管結構(gòu)、測量精度靈敏(min)度、穩定性和抗(kang)疲勞、抗幹擾性(xing)能方面做了一(yi)系列設計創新(xin)。目前氫燃料電(diàn)池氣體流量計(ji)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(cháng)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(jing)确計量，需要測(cè)量氣體質量流(liú)量。目前氫燃料(liao)電池測試常用(yong)可直接測出質(zhì)量流🎯量的流量(liang)計，按使用場景(jǐng)和工作原理多(duō)爲差壓式流量(liang)計、熱式流量計(jì)和🧑🏾‍🤝‍🧑🏼科式流量計(jì)。
2.1差壓式氣體流(liu)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(tōng)道内流體的壓(ya)降來确定流量(liàng)🛀。差壓式流量計(jì)本體爲突然變(bian)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(jìng)形成局部收縮(suō)，流速變大，依據(jù)能量守恒定律(lǜ)，動能增大，靜壓(ya)力會減小，通過(guò)的流體流量越(yuè)大，兩側壓差也(ye)越大，該壓差與(yǔ)流體👄流量的平(ping)方成正比。差壓(ya)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(nei)直徑，A1爲該段管(guǎn)路橫截面積😍，V1爲(wei)該處單位面積(ji)的，流體體積，ρ1爲(wèi)該處流體🐅密度(dù)，d2爲流量計管路(lù)内節流體間，的(de)内直徑，A2爲該處(chù)的橫截面積，ρ2爲(wèi)該處的♉流體密(mi)度，V2爲該處單位(wèi)面積😘的流體體(tǐ)積，由伯努利方(fang)程和能量守恒(heng)🔴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(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(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(xià)的氣體流量測(ce)量精度低的問(wen)題。結✏️構是在管(guǎn)道上插入節流(liú)體，該節流體的(de)迎風取🔴壓孔正(zhèng)對氣流🚶方向，背(bei)風取壓孔背向(xiàng)氣流👅方向。在氣(qì)體的流動💘作用(yong)力下，氣流會在(zài)✔️迎風取壓🤞孔和(he)背風取壓孔處(chu)分别産生正向(xiàng)和.負向的壓強(qiáng)，壓差傳感器💁采(cai)集節流體内部(bu)🐅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(liàng)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(liu)速氣體也✌️能産(chan)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(jiào)高。
2.2熱式流量計(ji)
　　熱擴散式流量(liàng)計是一-種高精(jing)度、高可靠性且(qiě)應用廣泛的流(liú)量計。典型傳感(gan)元件爲2個RTD熱電(diàn)阻:RTD1爲溫度傳感(gǎn)器，測量氣體溫(wēn)度T;RTD2爲速度傳感(gǎn)器，在氣體原本(běn)♉溫度的基礎上(shang)🔆進一步加熱至(zhi)溫度T2，形成恒溫(wēn)差△T。但氣體流過(guo)RTD2時會帶走☂️熱量(liàng)，爲保持△T恒定，需(xū)🚶要繼續加🌈熱，氣(qi)體流速越大，擴(kuo)散的熱量越多(duo)，因此，加熱的電(diàn)🐅功率與氣體流(liu)量成正比51熱式(shi)流量計的工作(zuò)原理如圖2所示(shì)。
 
　　根據(jù)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(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(yi)測速探頭RTD2表面(mian)積。
　　進一步依據(ju)Hilbert對流換熱經驗(yàn)公式"最終推導(dǎo)得知氣體質量(liang)🏃‍♀️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(cè)速探頭RTD2直徑;C、n取(qu)值由實驗數據(ju)拟合得到;μ一氣(qi)體動力粘度;λ一(yī)氣體導熱系數(shù);Cp一氣體定壓比(bǐ)熱容。
　　公式(3)比較(jiao)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(ju)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(tong)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(ju)此測出流體的(de)質量流量，因此(ci)，該流量的測量(liang)原理幾乎不受(shòu)氣體粘度、狀态(tai)、溫度等外界條(tiao)件影響。科氏流(liú)量計一般由傳(chuan)感器和變送器(qì)組成，傳感器主(zhǔ)要包括激振器(qì)和拾振器檢測(ce)扭矩振動力，變(bian)送器則将傳感(gǎn)器信号轉變爲(wei)質量流量、密度(du)溫度等标準信(xìn)号輸出四。科氏(shi)流量計原理如(rú)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(wù)體運動的慣性(xìng)原理，得出公式(shì)(4)
 
　　式中:αt一向心加(jia)速度;ω一旋轉角(jiǎo)速度;αy一切向加(jiā)速度，方向與αr垂(chuí)🍓直。
　　根據牛頓第(dì)二定律，向心方(fāng)向作用有科裏(li)奧利力F=2wvm,當密💚度(du)ρ的氣體在旋轉(zhuan)管道中以恒定(ding)速度u運動時🈲，長(zhǎng)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(yī)氣體質量流量(liàng);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(ke)式流量計以其(qi)精度高、寬量程(chéng)、低壓損♍和長壽(shou)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(xuan)的流量計。
2.4各流(liú)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(que)點分析如表1所(suo)示💜，爲産品研發(fā)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(dian)池測試常用差(cha)壓式氣體流量(liàng)計、熱式氣體流(liu)量計和科式🚩氣(qi)體流量計，通過(guo)對3種流量計的(de)工作原理和優(you)劣分析,可以較(jiào)爲💜清晰地⭕了解(jie)各流量🚩計不同(tong)的應用場景💞，爲(wei)産品開發和測(cè)試台設計提供(gòng)技術指南🛀🏻。

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