[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(fàn)地應用在道路(lu)車輛和發電機(jī)組，也成爲了各(gè)大科研院🔆校和(he)企業研究發展(zhǎn)的熱點。論文以(yǐ)氫燃👌料電池測(cè)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(qīng)燃料電池測試(shi)中常用的 差壓(yā)式氣體流量計(jì) 、 熱式氣體流量(liàng)計 、科式氣體流(liú)量計的工作原(yuán)理、應用場景和(hé)優劣對比，最後(hòu)㊙️進💁行統一總結(jie)。本篇可爲初步(bù)進入氫燃料電(dian)池測試領域的(de)測試工程師和(he)試驗技師提供(gong)一定的知識儲(chu)備和選型方法(fǎ)。
　　近年來，随着2030年(nián)前“碳中和”、2060年前(qian)“碳達峰”目标的(de)提出，氫能源🏃🏻日(ri)😄益👌發展壯大，氫(qīng)燃料電池以綠(lǜ)色環保性越來(lai)🔱越廣泛地應用(yong)在道路車輛和(hé)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(chang)用的幾種流量(liang)⭐計，将各種流量(liàng)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(shì)📱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(tai)提供技術支持(chí)。
1氣體流量計發(fā)展曆史
　　氣體流(liú)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(liu)量💛計、膜片式流(liú)量計、熱式流量(liang)計、科式😄流量計(jì)、 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(shi)氣體流量的精(jīng)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(zhu)要集中在歐美(měi)發達國家🏃‍♂️，在流(liu)🏃‍♂️量監測管結構(gou)、測量精度靈敏(min)度、穩定性和抗(kang)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(hao)的硬件支撐。
2常(cháng)用氣體流量計(ji)分類和原理
　　氫(qīng)燃料電池實際(ji)測試中，氣體的(de)流量經常受工(gōng)作壓力、溫度、粘(zhān)度等影響，爲精(jīng)确計量，需要測(ce)量氣體質量流(liu)量。目前氫燃料(liào)電‼️池測試常用(yòng)可直接測出質(zhì)量流量的流💔量(liang)計，按❓使用場景(jing)和工作原理多(duo)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(liu)量計
　　差壓式流(liú)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(liang)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(bian)徑的節流體，當(dāng)被測流體流☁️經(jing)節流體時，流體(tǐ)會因突然變徑(jìng)形成🔱局部收縮(suō)，流速變大，依據(ju)能量守恒定律(lü)，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(gōng)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(wèi)該處單位面積(jī)的，流體體積，ρ1爲(wei)該處流體密度(dù)，d2爲流量計管路(lu)内節⭐流體間，的(de)内直徑，A2爲該處(chu)的橫截面積，ρ2爲(wèi)該處的流體密(mi)度，V2爲該處單位(wei)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(liàng)測量公式，如公(gong)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(bǐ)，即d2/d1;△P一兩端壓差(chà)。
　　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(yao)解決低流速下(xià)的氣體流量測(cè)量精度低的問(wèn)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(bei)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(zài)迎風取壓孔和(he)背風取壓孔處(chu)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(guò)公式(1)計算出流(liú)經的氣體質量(liàng)流量。背靠管式(shì)差壓流量計的(de)這種背向節流(liu)體結構，使低流(liú)🌈速氣體也能産(chan)生較大的壓差(chà)，因此适合測量(liang)低流📧速氣體，測(cè)量精度相對較(jiao)⭕高。
2.2熱式流量計(jì)
　　熱擴散式流量(liàng)計是一-種高精(jīng)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(diàn)阻:RTD1爲溫度傳感(gan)器，測🏃量氣體溫(wēn)度T;RTD2爲速度傳感(gan)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(liang)，爲保持△T恒定，需(xu)要繼續加熱，氣(qì)體流速越大，擴(kuò)散的熱量越多(duō)，因此，加熱的電(dian)功率與氣體流(liú)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(jù)牛頓冷卻定律(lǜ)得知，RTD2的加熱電(dian)功近似等于氣(qì)體帶走的熱🌏功(gōng)，如公式(2)所示
 
　　式(shi)中:I、R2--測速探頭RTD2電(dian)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(ju)Hilbert對流換熱經驗(yan)公式"最終推導(dǎo)得知氣體質量(liàng)流量測量公式(shì)，如公式(3)所示
 
　　式(shi)中:qm一氣體質量(liàng)流量;S一測量管(guan)道截面積;d一測(ce)速🔱探頭RTD2直徑;C、n取(qu)值由實驗數據(ju)拟合得到;μ一氣(qì)體動力粘度;λ一(yī)氣體導熱系數(shu);Cp一⚽氣體定壓比(bǐ)熱容。
　　公式(3)比較(jiao)複雜，需要的經(jing)驗數據一般由(yóu)流量計廠家根(gen)據大量測試經(jing)驗所得，很多科(kē)研院校也會據(ju)此建模仿真做(zuo)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(chan)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(cǐ)，該流量的測量(liang)原理幾乎不受(shou)🔴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(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(bian)送器則将傳感(gǎn)器信🐪号❓轉變爲(wei)質量流量、密度(dù)溫度等标準信(xìn)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(shi)(4)
 
　　式中:αt一向心加(jiā)速度;ω一旋轉角(jiǎo)速度;αy一切向加(jiā)速度，方向與αr垂(chui)直。
　　根據牛頓第(di)二定律，向心方(fāng)向作用有科裏(lǐ)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(nèi)受到切向的科(ke)裏奧利力△F，如公(gong)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(shì)流量計的計算(suan)原理，但在實際(jì)應用中🏃🏻，是以管(guan)😘道🐅振動力代替(tì)旋轉慣性力。科(ke)式流量計以其(qí)精度高、寬量程(cheng)、低壓損和長壽(shou)命等優點，被廣(guang)泛應用在各領(lǐng)域，也是氫燃料(liào)電🐪池測量💰首選(xuan)的流量🎯計。
2.4各流(liu)量計優缺點分(fen)析
　　3種氫燃料電(diàn)池測試常用氣(qì)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(ji)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(cha)壓式氣體流量(liang)計、熱式氣體流(liu)量計和💯科式氣(qì)體💃🏻流量計，通過(guo)對3種流量計的(de)工作原理和優(yōu)劣分析,可♊以較(jiao)爲清晰地了解(jiě)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(gong)技術指南。

本文(wén)來源于網絡,如(ru)有侵權聯系即(jí)删除！