[摘(zhāi)要]近年(nián)來，氫燃(rán)料電池(chí)以綠色(sè)環保、續(xù)駛裏程(chéng)長⭐的優(yōu)勢越來(lái)越廣泛(fàn)地應用(yong)在道路(lù)車輛和(hé)發電機(jī)組，也成(cheng)爲了各(ge)大科🌈研(yán)院校和(he)企業研(yán)究發展(zhǎn)的熱⭐點(diǎn)。論文以(yǐ)氫燃料(liao)電池測(ce)試爲應(ying)用領域(yù)，以氣體(ti)流量計(ji) 的發展(zhan)曆史開(kai)篇，分類(lei)講述氫(qing)燃料電(dian)池測試(shi)中常用(yòng)的 差壓(yā)式氣體(ti)流量計(ji) 、 熱式氣(qi)體流量(liàng)計 、科式(shì)氣體流(liu)量計的(de)工作原(yuan)理、應用(yòng)場景和(he)優劣對(dui)比，最後(hòu)進行統(tǒng)一總結(jié)。本篇可(ke)爲初步(bù)進入氫(qīng)燃料🐇電(diàn)池測試(shi)領域的(de)測試工(gōng)程師和(hé)試驗技(ji)師提供(gòng)一定的(de)知識儲(chǔ)備和選(xuǎn)型方法(fa)。
　　近年來(lai)，随着2030年(nián)前“碳中(zhong)和”、2060年前(qian)“碳達峰(feng)”目标的(de)提出，氫(qīng)能源✔️日(rì)益發展(zhan)壯大，氫(qing)燃料電(diàn)池以綠(lü)色環保(bǎo)性越來(lai)💛越廣泛(fan)地應用(yòng)📧在道路(lù)車輛和(he)發電機(jī)組，也成(chéng)✂️爲了各(ge)大科研(yán)院校和(he)⭕企業研(yán)究的熱(rè)🐉點叮。本(ben)文闡述(shu)氫燃料(liào)電池測(ce)試中常(cháng)用的幾(jǐ)種流量(liang)計，将各(gè)種流量(liàng)計原理(lǐ)和優劣(lie)勢做對(dui)比分析(xī)，爲初步(bu)進人氫(qing)燃料電(diàn)池測試(shì)領域的(de)試驗人(ren)🚩員提供(gong)一定的(de)知識儲(chu)備，也爲(wèi)自主開(kāi)發氫燃(ran)料電池(chi)測試台(tai)提供技(ji)術支持(chí)。
1氣體流(liú)量計發(fā)展曆史(shi)
　　氣體流(liu)量計的(de)發展曆(lì)史已有(yǒu)400餘年，最(zui)早由托(tuō)裏拆利(li)提出✉️了(le)🏒類差壓(yā)式流量(liang)計的理(li)論凹，之(zhī)後又發(fā)展出容(rong)積式流(liu)量計、膜(mo)片式⭕流(liú)量計、熱(rè)式流量(liàng)計、科式(shi)流量計(ji)、 超聲波(bō)流量計(ji) 等諸多(duō)根據不(bu)同應用(yòng)場景的(de)各種流(liu)量計，使(shǐ)氣體流(liu)量的精(jing)準📱測量(liàng)逐步走(zou)向規範(fàn)和精度(dù)。
　　精度高(gao)的氣體(tǐ)流量計(ji)廠家主(zhu)要集中(zhōng)在歐美(mei)發達國(guó)🈲家，在流(liú)量監測(ce)管結構(gou)、測量精(jing)度靈敏(min)度、穩定(dìng)性和抗(kang)疲勞、抗(kàng)幹♍擾性(xìng)能方面(miàn)做了一(yi)系列設(shè)計創新(xīn)。目前氫(qing)燃料電(diàn)🐕池氣體(tǐ)流量計(jì)精度最(zuì)高可達(dá)到0.1%FS，極大(da)提升了(le)電化學(xué)反應的(de)精度❗，爲(wèi)研發應(ying)用提供(gong)了✍️較好(hǎo)的硬件(jian)支撐。
2常(chang)用氣體(ti)流量計(jì)分類和(he)原理
　　氫(qīng)燃料電(diàn)池實際(jì)測試中(zhong)，氣體的(de)流量經(jing)常受工(gōng)作☎️壓力(lì)👈、溫度、粘(zhan)度等影(yǐng)響，爲精(jing)确計量(liàng)，需要測(cè)量氣體(ti)⚽質量流(liu)量⛹🏻‍♀️。目前(qian)氫燃料(liao)電池測(cè)試常用(yong)可直接(jie)測出質(zhì)量流量(liàng)的流量(liang)計，按使(shǐ)用場景(jing)和工作(zuo)原理多(duō)爲差壓(ya)式流量(liang)計、熱式(shi)🐇流量計(ji)和🈲科式(shì)流量計(jì)。
2.1差壓式(shi)氣體流(liú)量計
　　差(cha)壓式流(liu)量計是(shì)一種曆(li)史悠久(jiu)且精确(què)度很高(gāo)、至👨‍❤️‍👨今廣(guǎng)泛應用(yong)的流量(liang)計，通過(guò)流經通(tong)道内流(liú)體的壓(ya)降來确(que)定流量(liàng)。差壓式(shi)流量計(jì)本體爲(wei)突然變(biàn)徑的🐇節(jiē)流體，當(dāng)被測🙇🏻流(liu)體流經(jing)節流體(ti)時，流✌️體(ti)會因突(tu)然🍉變徑(jing)形成🔅局(ju)部收縮(suo)🌏，流速變(bian)大，依據(ju)能量守(shǒu)恒定律(lǜ)，動能增(zēng)大，靜壓(yā)力會減(jiǎn)小，通過(guò)的流體(ti)✂️流量越(yuè)大，兩🧑🏽‍🤝‍🧑🏻側(cè)壓差也(ye)越大，該(gāi)壓差與(yǔ)流體流(liú)量的平(ping)方成正(zhèng)比。差壓(ya)式流量(liàng)計的工(gōng)作原😍理(li)如圖1所(suo)示。
 
　　假設d爲(wèi)流量計(ji)上端管(guǎn)路的内(nei)直徑，A1爲(wèi)該段管(guǎn)路橫🐅截(jie)面積，V1爲(wèi)該處單(dān)位面積(jī)的，流體(tǐ)體積，ρ1爲(wèi)該處流(liú)體⭐密度(du)🍉，d2爲流量(liang)計🏃管路(lù)内節流(liu)體間，的(de)内直徑(jing)，A2爲該處(chù)的橫截(jié)面積，ρ2爲(wei)該處的(de)流體密(mì)度，V2爲該(gāi)✔️處單位(wèi)面積的(de)流體體(tǐ)積，由伯(bó)努利方(fang)程和能(néng)量守恒(héng)定律推(tui)導得知(zhī)氣體質(zhì)量流量(liang)測量⁉️公(gōng)式，如公(gong)式(1)所示(shi)。
 
　　式中:qm一(yi)氣體質(zhi)量流量(liàng);C一氣體(tǐ)流出系(xi)數;ε一氣(qi)體膨脹(zhàng)系數;β一(yī)直徑比(bi)，即d2/d1;△P一兩(liǎng)端壓差(chà)。
　　以背靠(kao)管式差(chà)壓氣體(tǐ)流量計(jì)爲例，這(zhè)是--種新(xin)型流量(liang)計，主要(yao)解決低(dī)流速下(xia)的氣體(ti)流量測(ce)量精度(du)低🎯的問(wen)題。結構(gòu)是在管(guan)道上插(cha)入節流(liu)體，該節(jie)流體的(de)迎風取(qu)壓孔正(zheng)對氣流(liú)🔴方向，背(bei)風取壓(ya)孔背向(xiang)氣流💃🏻方(fāng)向。在氣(qì)😍體的流(liu)動作用(yòng)力下，氣(qi)流會在(zài)迎風取(qu)壓孔和(hé)背風取(qǔ)壓孔處(chu)分别産(chan)生正向(xiang)和.負向(xiang)的壓強(qiang)，壓差傳(chuan)感器㊙️采(cǎi)集節流(liú)體内部(bu)🈲的2個導(dao)壓管的(de)壓強差(chà)甲，通過(guò)公式(1)計(jì)算出流(liú)經的氣(qi)體質量(liàng)流量。背(bèi)靠管式(shì)差壓流(liu)量計的(de)這種背(bei)向節流(liu)體🥰結構(gòu)，使低流(liú)速氣體(ti)也能産(chǎn)生較大(da)的壓差(cha)，因此适(shi)合測量(liàng)低流速(su)氣體，測(cè)量精度(dù)相對較(jiào)高。
2.2熱式(shì)流量計(jì)
　　熱擴散(sàn)式流量(liang)計是一(yī)-種高精(jīng)度、高可(kě)靠性且(qie)應用廣(guang)泛的流(liú)量計。典(dian)型傳感(gǎn)元件爲(wei)2個RTD熱電(dian)阻:RTD1爲溫(wēn)度傳感(gan)器，測量(liang)氣體溫(wen)度T;RTD2爲速(sù)度傳感(gan)器，在氣(qi)體原本(běn)✏️溫度的(de)🙇🏻基礎上(shàng)進一步(bu)加熱至(zhì)溫度T2，形(xing)⭐成恒溫(wen)差△T。但氣(qi)體流過(guò)RTD2時會帶(dai)走⁉️熱量(liàng)，爲保持(chi)△T恒定，需(xū)要繼續(xu)加熱，氣(qi)體流速(su)越大，擴(kuo)散的熱(rè)量越多(duo)，因👄此，加(jiā)熱的電(diàn)功率與(yǔ)氣體流(liú)量成正(zheng)比51熱式(shì)流量計(jì)的工作(zuò)🈲原理如(rú)圖2所示(shì)。
 
　　根據(jù)牛頓冷(leng)卻定律(lǜ)得知，RTD2的(de)加熱電(diàn)功近似(si)等于氣(qì)🚶體帶走(zǒu)的熱✉️功(gong)，如公式(shi)(2)所示
 
　　式(shì)中:I、R2--測速(su)探頭RTD2電(dian)流和電(diàn)阻;α一-對(duì)流換熱(rè)系數;A一(yi)測速探(tan)頭RTD2表面(miàn)積。
　　進一(yī)步依據(ju)Hilbert對流換(huan)熱經驗(yàn)公式"最(zui)終推導(dao)得知氣(qi)體質量(liang)流量測(cè)量公式(shi)，如公式(shì)(3)所示
 
　　式(shì)中:qm一氣(qi)體質量(liàng)流量;S一(yi)測量管(guǎn)道截面(miàn)積;d一測(cè)速探🙇‍♀️頭(tou)RTD2直徑;C、n取(qu)♈值由實(shí)驗數據(ju)拟合得(de)到;μ一氣(qi)體動力(li)粘度;λ一(yi)氣體導(dao)熱系數(shu);Cp一氣體(tǐ)定壓比(bǐ)熱容。
　　公(gong)式(3)比較(jiào)複雜，需(xu)要的經(jing)驗數據(jù)一般由(yóu)流量計(jì)廠家根(gēn)據大量(liàng)測試經(jing)驗所得(de)，很多科(ke)研院校(xiao)也會據(ju)此建模(mo)仿🧑🏽‍🤝‍🧑🏻真做(zuò)深入研(yán)究。
2.3科式(shì)流量計(ji)
　　科氏流(liú)量計是(shì)流體通(tong)過振動(dong)管時，産(chǎn)生科裏(li)奧利力(li)，研究與(yu)☔實踐證(zheng)明，該力(li)與質量(liàng)流量成(chéng)正比，據(jù)此🔴測出(chu)流體的(de)質量流(liu)量，因此(cǐ)，該流量(liang)的測量(liàng)原理幾(ji)乎不受(shou)🐆氣體粘(zhān)度、狀态(tài)、溫度等(děng)外界條(tiao)件影響(xiǎng)。科氏流(liú)量計一(yī)般由傳(chuán)感器和(he)變送器(qì)組成，傳(chuán)感器主(zhu)要⛱️包括(kuo)激振器(qì)🙇🏻和拾振(zhèn)器檢測(ce)扭矩振(zhen)動力，變(biàn)送器則(ze)将傳感(gan)器信号(hào)👉轉變爲(wèi)質量流(liu)量、密度(du)溫度等(děng)🔞标準🤟信(xin)号輸出(chū)四。科氏(shì)流量計(jì)原理如(rú)圖3所示(shì)。
 
　　質點m以(yǐ)勻速υ在(zai)旋轉角(jiao)速度ω的(de)管道内(nèi)運動時(shí)，根據🐅物(wù)體運動(dòng)的慣性(xing)原理，得(de)出公式(shi)(4)
 
　　式中:αt一(yī)向心加(jiā)速度;ω一(yi)旋轉角(jiǎo)速度;αy一(yi)切向加(jia)速度，方(fang)向與αr垂(chuí)直。
　　根據(ju)牛頓第(dì)二定律(lü)，向心方(fāng)向作用(yòng)有科裏(lǐ)奧利力(lì)♻️F=2wvm,當密度(dù)ρ的🔴氣體(ti)在旋轉(zhuǎn)管道中(zhong)以恒定(ding)速度u運(yun)動時，長(zhǎng)度爲△x的(de)管路内(nèi)受到切(qie)向的科(kē)裏奧利(lì)力△F，如公(gōng)式(5)所示(shi)
 
　　式中:qm一(yi)氣體質(zhi)量流量(liàng);A一管道(dào)橫截面(miàn)積。
　　以上(shàng)爲科式(shì)流量計(ji)的計算(suàn)原理，但(dàn)在實際(jì)應用中(zhong)，是以管(guan)道振🈲動(dong)力代替(ti)旋轉慣(guan)性力。科(ke)式流量(liang)計以其(qí)精度高(gao)、寬量程(cheng)、低🌈壓損(sun)和長壽(shòu)命等優(you)點，被廣(guang)泛應用(yong)在各領(lǐng)域，也是(shi)氫燃料(liào)電池測(cè)量首選(xuan)的流量(liàng)計。
2.4各流(liú)量計優(you)缺點分(fen)析
　　3種氫(qīng)燃料電(dian)池測試(shi)常用氣(qi)體流量(liàng)計優缺(que)點分析(xi)如表1所(suǒ)示，爲💞産(chan)品研發(fā)和測試(shi)台開發(fā)做選型(xíng)參考。
3結(jié)論
　　氣體(tǐ)流量計(jì)發展曆(li)史悠久(jiǔ)，國外技(jì)術較爲(wèi)先進，氫(qing)燃料電(dian)🐕池測試(shì)常用差(cha)壓式氣(qi)體流量(liàng)計、熱式(shi)氣體⭐流(liú)量計和(hé)科式氣(qì)體流量(liàng)計，通過(guò)對3種流(liú)量計的(de)工作原(yuan)理和優(yōu)劣分析(xī),可以較(jiao)爲清晰(xi)地了解(jie)各流量(liang)計不同(tóng)的應用(yong)場景，爲(wei)産品開(kai)發和測(ce)試台設(shè)計提供(gong)技術指(zhi)南。

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