[摘要]近年來(lai)，氫燃料電池以綠(lü)色環保、續駛裏程(chéng)長的優勢越來越(yuè)廣泛地應用在道(dào)路車輛和發電機(ji)組，也成爲了各大(dà)科研院校和企業(yè)研究發展的熱點(diǎn)。論文以氫燃💚料電(dian)池測試爲應用領(lǐng)♈域，以氣體流量計(ji) 的發展曆史開篇(pian)，分類講述氫燃料(liào)電池測試中常用(yong)的 差壓式氣體流(liú)量計 、 熱式氣體流(liu)量計 、科式氣體流(liu)量計的工作原理(lǐ)、應用場景和優劣(lie)對比，最後進行統(tong)一總結。本篇可爲(wèi)初步進入氫燃料(liao)電池🌈測試領域🔴的(de)測試工程師和試(shi)驗技師提供一定(dìng)的知💰識儲備和選(xuǎn)型方法。
　　近年來，随(suí)着2030年前“碳中和”、2060年(nián)前“碳達峰”目标的(de)提出🌈，氫能源日益(yi)發展壯大，氫燃料(liao)電池以綠色環保(bǎo)性越來越廣泛地(dì)應用在道路車輛(liàng)和發電機組，也成(chéng)🐕爲了各大科研院(yuan)校和企業研究的(de)熱點叮。本文闡述(shù)氫燃料電池測試(shi)🌂中常用的幾種流(liú)量計，将各種流量(liàng)計原理和優劣勢(shì)做對比分析，爲初(chu)步進人氫燃料電(dian)池測試領域的試(shì)驗人員提供一定(dìng)的知識儲備，也爲(wei)自主開發氫燃料(liao)電池測試台提供(gong)技術支持。
1氣體流(liú)量計發展曆史
　　氣(qi)體流量計的發展(zhǎn)曆史已有400餘年，最(zuì)早由托裏拆🌈利提(tí)出了類差壓式流(liu)量計的理論凹，之(zhī)後又發展出容積(ji)式流量計、膜片式(shì)流量計、熱式流量(liàng)計、科式流量計、 超(chao)聲波流量計 等諸(zhu)多根據不同應用(yòng)場景的各種流量(liang)計，使氣體流量的(de)精準測量逐步走(zou)向規範和精度。
　　精(jing)度高的氣體流量(liàng)計廠家主要集中(zhōng)在歐美發達國家(jiā)，在流🐇量監測管結(jié)構、測量精度靈敏(mǐn)度、穩定性和抗疲(pí)勞、抗幹擾性❓能方(fang)面做了一系列設(shè)計創新。目前氫燃(rán)料電池氣體流量(liang)計精度最✨高可達(dá)到0.1%FS，極大提升了電(diàn)化學反應的精度(dù)，爲研發應用提供(gong)了💯較好的硬件支(zhi)撐。
2常用氣體流量(liàng)計分類和原理
　　氫(qing)燃料電池實際測(cè)試中，氣體的流量(liang)經常受工作壓力(li)、溫度、粘度等影響(xiǎng)，爲精确計量，需要(yao)測量氣體質量流(liu)量⛷️。目前氫燃料電(diàn)池測試常用可直(zhí)接測出質量流🈲量(liàng)的流量計，按使用(yong)場🛀景和工🔞作原理(li)多爲差壓式流量(liàng)計、熱式流量計和(hé)科式流量計。
2.1差壓(yā)式氣體流量計
　　差(chà)壓式流量計是一(yī)種曆史悠久且精(jīng)确度很高、至今廣(guǎng)泛應用的流量計(jì)，通過流經通道内(nèi)流體的壓降來确(què)定流量🔅。差壓🌈式流(liu)量計本體爲突然(rán)變徑的節流體，當(dang)被測流體流經節(jie)流體時，流體會因(yin)突然變徑形成局(jú)部收縮，流速變大(dà)，依據能量守恒定(dìng)律，動能增大，靜壓(ya)力會減小，通過的(de)流體流量越大，兩(liang)側壓差也越大，該(gāi)壓差與流體流量(liàng)的平方成❤️正比🐇。差(cha)壓式流量計的⛹🏻‍♀️工(gōng)作原✔️理如圖1所示(shi)。
 
　　假設d爲(wei)流量計上端管路(lù)的内直徑，A1爲該段(duàn)管路橫截面積，V1爲(wèi)該處單位面積的(de)，流體體積，ρ1爲該處(chu)流體密度，d2爲流量(liang)計🌈管路❌内節流體(ti)間，的内直徑，A2爲該(gāi)處💃的橫截‼️面積，ρ2爲(wei)該處的流體密度(du)，V2爲該✌️處單位面積(jī)的流體體🌐積，由伯(bó)努利方程和能量(liang)守恒定律推導得(dé)知氣體質量流量(liàng)測量公式，如公式(shì)(1)所示。
 
　　式中:qm一氣體(ti)質量流量;C一氣體(ti)流出系數;ε一氣體(ti)膨🔞脹系🏃‍♂️數;β一💁直徑(jìng)比，即d2/d1;△P一兩端壓差(cha)。
　　以背靠管式差壓(ya)氣體流量計爲例(lì)，這是--種新型流量(liang)計，主要💃🏻解決低流(liu)速下的氣體流量(liàng)測量精度低的問(wèn)題。結構是在管⭕道(dào)上✨插入節流體，該(gāi)節流體的迎風取(qu)壓孔正對氣流方(fāng)向，背風取壓孔背(bei)向氣流方向。在氣(qì)體的流動作用力(li)下，氣流會在迎風(fēng)取壓孔和背風取(qu)壓孔處分别🏃‍♂️産生(shēng)正向和.負向的壓(ya)強，壓差傳感器采(cai)集節流體内部的(de)2個導壓管的💃壓強(qiáng)🍓差甲，通過公式(1)計(jì)算出流⚽經的氣體(ti)✨質量流量。背靠管(guǎn)式差壓流量計的(de)‼️這種背向節流體(ti)結🈲構，使低流速氣(qì)體也能産生較大(da)的壓差，因此适合(hé)測量低流速氣體(tǐ)，測量精度相對較(jiào)🍓高。
2.2熱式流量計
　　熱(re)擴散式流量計是(shì)一-種高精度、高可(kě)靠性且應用廣泛(fan)的🔞流量計。典型傳(chuan)感元件爲2個RTD熱電(diàn)阻:RTD1爲溫度傳感器(qi)，測量氣體溫度T;RTD2爲(wei)速度傳感器，在氣(qì)體原本溫度的基(jī)礎上進一步加熱(rè)至溫度T2，形成恒溫(wēn)差△T。但氣體流過☀️RTD2時(shi)會帶走熱量，爲保(bao)持△T恒定，需要繼續(xù)加熱，氣體流速⭐越(yuè)大，擴散的熱量越(yue)多，因🔆此，加熱的電(diàn)☀️功率與氣體流量(liang)成正比51熱式流量(liang)計的工作🤞原理如(ru)圖2所示。
 
　　根(gēn)據牛頓冷卻定律(lü)得知，RTD2的加熱電功(gōng)近似等于氣體帶(dai)👌走的熱功，如公式(shi)(2)所示
 
　　式中:I、R2--測速探(tàn)頭RTD2電流和電阻;α一(yi)-對流換熱系數;A一(yi)測速探頭RTD2表面積(ji)。
　　進一步依據Hilbert對流(liu)換熱經驗公式"最(zuì)終推導得知氣體(ti)質量流量測量公(gong)式，如公式(3)所示
 
　　式(shi)中:qm一氣體質量流(liú)量;S一測量管道截(jié)面積;d一測速探頭(tóu)RTD2直徑;C、n取值由實驗(yan)數據拟合得到;μ一(yī)氣體動力粘度;λ一(yi)氣🐅體導熱系💃🏻數;Cp一(yi)氣體定壓比熱容(rong)。
　　公式(3)比較複雜，需(xū)要的經驗數據一(yi)般由流量計廠家(jiā)根據大🌈量測試經(jing)驗所得，很多科研(yán)院校也會據此建(jiàn)模仿真做深入⛹🏻‍♀️研(yán)究。
2.3科式流量計
　　科(ke)氏流量計是流體(ti)通過振動管時，産(chǎn)生科裏奧利力♉，研(yán)究與實🍉踐證明，該(gai)力與質量流量成(cheng)正比，據此測出流(liú)體的質量流量，因(yīn)㊙️此，該流量的測量(liang)原理幾乎不受氣(qi)體粘度、狀态、溫度(du)等外界條件影響(xiang)。科氏流量計一般(bān)由傳感器和變送(sòng)器組成，傳感器主(zhu)要🤞包括激振器和(he)拾振器檢測扭矩(jǔ)振動力，變送器則(zé)将傳感器信号☀️轉(zhuǎn)變爲質量流量、密(mi)度溫度等标準信(xin)号輸出四。科氏🤩流(liu)量計原理如圖3所(suo)示。
 
　　質點m以勻速υ在(zai)旋轉角速度ω的管(guan)道内運動時，根據(ju)物體🌈運動✔️的慣性(xing)原理，得出公式(4)
 
　　式(shi)中:αt一向心加速度(du);ω一旋轉角速度;αy一(yī)切向加速度，方向(xiàng)與αr垂直✌️。
　　根據牛頓(dùn)第二定律，向心方(fāng)向作用有科裏奧(ao)利力❗F=2wvm,當密度ρ的氣(qì)體在旋轉管道中(zhōng)以恒定速度u運動(dong)時，長度爲△x的管路(lu)内受到切向的科(ke)裏奧利力△F，如公式(shi)‼️(5)所示
 
　　式中:qm一氣體(tǐ)質量流量;A一管道(dào)橫截面積。
　　以上爲(wei)科式流量計的計(ji)算原理，但在實際(ji)應用中🈲，是以管道(dao)振動力代替旋轉(zhuan)慣性力。科式流量(liàng)計以✍️其精⛱️度高、寬(kuan)量✨程、低壓損和長(zhang)壽命等優點，被廣(guǎng)泛💘應用在💰各領域(yù)，也是氫燃料電池(chí)測量首選的流量(liàng)📐計。
2.4各流量計優缺(que)點分析
　　3種氫燃料(liao)電池測試常用氣(qì)體流量計優缺點(diǎn)分析如表1所示，爲(wèi)産品研發和測試(shi)台開發做選型參(can)考。
3結論
　　氣體流量(liàng)計發展曆史悠久(jiǔ)，國外技術較爲先(xiān)進，氫燃料電池測(cè)💋試常用差壓式氣(qì)體流量計、熱式氣(qi)體☂️流量計和科式(shi)氣體流量計，通過(guo)對3種流量計的工(gong)作原理和優劣分(fen)析,可以較爲清晰(xi)地了解各流量計(jì)不同的💯應用場景(jing)，爲産品開發和測(ce)試台設計提💘供技(ji)術指南。

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