[摘要(yào)]近年(nián)來，氫(qīng)燃料電池(chí)以綠色環保、續駛裏程長的優勢越來越廣泛(fàn)地應用在道路(lù)車輛和發電(diàn)機組，也成爲了各(gè)大科研(yán)院校和企業研究(jiū)發展(zhǎn)的熱點。論(lùn)文以氫燃(rán)料電(diàn)池測試爲應用(yòng)領域(yù)，以氣體流量計(jì) 的發展曆史開篇，分(fèn)類講述氫(qīng)燃料電池測(cè)試(shì)中常用的 差壓式氣體流量計(jì) 、 熱式(shì)氣體流量(liàng)計 、科式氣體流(liú)量計的工作原(yuán)理、應用場(chǎng)景和優劣對(duì)比(bǐ)，最後進行統一總結。本篇可爲(wèi)初步(bù)進入氫(qīng)燃料電池測(cè)試領(lǐng)域的(de)測試(shì)工程(chéng)師和試驗(yàn)技(jì)師提供一定的知識儲備和選型方(fāng)法(fǎ)。
　　近年來，随(suí)着2030年前“碳中(zhōng)和”、2060年前(qián)“碳達(dá)峰(fēng)”目标的(de)提出，氫能(néng)源日(rì)益發(fā)展壯大，氫(qīng)燃料電池(chí)以綠色環保性(xìng)越來(lái)越廣(guǎng)泛地應用(yòng)在道路車輛和(hé)發電機(jī)組，也成爲了各大(dà)科研(yán)院校(xiào)和企業研(yán)究的(de)熱點(diǎn)叮。本(běn)文(wén)闡(chǎn)述氫燃料(liào)電池測試(shì)中常用的幾種流量(liàng)計，将各種(zhǒng)流量(liàng)計原(yuán)理和優劣勢做對比分析(xī)，爲初(chū)步進人(rén)氫(qīng)燃料電池(chí)測試領域(yù)的(de)試驗人(rén)員提供(gòng)一(yī)定的知識儲備，也爲(wèi)自主開發氫燃(rán)料電(diàn)池測試台(tái)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(lì)史已有400餘年，最早由(yóu)托(tuō)裏(lǐ)拆利提出(chū)了類差壓式流量計的理(lǐ)論凹，之後(hòu)又發(fā)展出容積式流量計、膜片式流量計、熱式流量(liàng)計(jì)、科式流(liú)量計(jì)、 超聲(shēng)波流(liú)量計 等諸多根據不(bú)同應用(yòng)場景的(de)各種(zhǒng)流(liú)量計，使氣體流(liú)量的精(jīng)準測量逐(zhú)步(bù)走(zǒu)向規範(fàn)和精度(dù)。
　　精度高(gāo)的氣體流量計廠家主要集(jí)中在(zài)歐美發達(dá)國家，在流量監(jiān)測管結構、測量(liàng)精度靈敏(mǐn)度、穩(wěn)定性(xìng)和抗疲勞(láo)、抗幹擾性(xìng)能方面做了一(yī)系列設(shè)計創新(xīn)。目前氫(qīng)燃(rán)料電(diàn)池氣體流(liú)量計(jì)精度最(zuì)高可達(dá)到0.1%fs，極大提升了(le)電化學反應的精度，爲研發應(yīng)用提(tí)供了較好的硬(yìng)件支撐。
2常(cháng)用氣體流量計(jì)分類和原理
　　氫(qīng)燃料電池(chí)實際(jì)測試中，氣體的(de)流量(liàng)經(jīng)常(cháng)受工(gōng)作壓(yā)力(lì)、溫度、粘(zhān)度等影響，爲精确計量(liàng)，需(xū)要測(cè)量氣(qì)體質(zhì)量流(liú)量。目前氫燃料(liào)電池(chí)測試常用可直(zhí)接測出質(zhì)量流量(liàng)的流量(liàng)計，按使用場景(jǐng)和工(gōng)作(zuò)原(yuán)理多(duō)爲差(chà)壓式流量(liàng)計、熱(rè)式流(liú)量計(jì)和科式流量計(jì)。
2.1差壓(yā)式氣體流量計(jì)
　　差壓式流(liú)量計是一(yī)種曆史悠久且(qiě)精确度很高、至(zhì)今廣(guǎng)泛應(yīng)用的流量(liàng)計，通過流經通(tōng)道内(nèi)流體的(de)壓(yā)降來确(què)定流量(liàng)。差壓(yā)式流(liú)量計(jì)本體(tǐ)爲突(tū)然變徑(jìng)的節流(liú)體，當(dāng)被測流(liú)體(tǐ)流經(jīng)節流體(tǐ)時，流體(tǐ)會因突然變徑形成局(jú)部收縮，流速變(biàn)大，依據(jù)能量守恒定律(lǜ)，動能增大(dà)，靜壓(yā)力會減(jiǎn)小，通過的流(liú)體流量越(yuè)大，兩(liǎng)側(cè)壓差也(yě)越大，該壓差與流體(tǐ)流量(liàng)的平(píng)方成正比(bǐ)。差壓(yā)式流量(liàng)計的工(gōng)作原(yuán)理(lǐ)如圖1所(suǒ)示。
 
　　假設(shè)d爲流量計(jì)上端(duān)管(guǎn)路(lù)的内(nèi)直徑，a1爲該段管(guǎn)路橫截面積，v1爲(wèi)該處(chù)單位面積(jī)的，流體體(tǐ)積，ρ1爲該處流體密度，d2爲流量計管路(lù)内節(jiē)流體(tǐ)間，的内直(zhí)徑(jìng)，a2爲(wèi)該處的橫截(jié)面積，ρ2爲該處的流體密度，v2爲該處(chù)單位(wèi)面積的(de)流體體(tǐ)積，由伯努利方(fāng)程和能量守恒定律(lǜ)推導得知(zhī)氣體質(zhì)量(liàng)流量(liàng)測量公式(shì)，如公(gōng)式(1)所(suǒ)示。
 
　　式中:qm一氣體質(zhì)量流量(liàng);c一氣(qì)體流(liú)出系(xì)數(shù);ε一氣體(tǐ)膨脹(zhàng)系數;β一直徑比，即d2/d1;△p一兩端(duān)壓差(chà)。
　　以背靠(kào)管式差壓氣(qì)體流量計(jì)爲例，這是--種新(xīn)型流量計，主要(yào)解決低流(liú)速下的氣(qì)體(tǐ)流量測(cè)量精度低(dī)的問(wèn)題。結構是在管(guǎn)道上(shàng)插入(rù)節流(liú)體，該節(jiē)流體的(de)迎風取壓(yā)孔正(zhèng)對氣(qì)流方向，背(bèi)風取壓孔背向(xiàng)氣流(liú)方向。在氣體的流(liú)動(dòng)作用力下，氣流會在(zài)迎風(fēng)取壓孔和(hé)背風取壓孔處(chù)分别産生正向(xiàng)和.負向的(de)壓強，壓差傳(chuán)感器采(cǎi)集節(jiē)流體内部(bù)的2個導(dǎo)壓管的(de)壓強差(chà)甲(jiǎ)，通過公式(1)計算出流(liú)經的氣體質量(liàng)流量。背靠(kào)管式差壓(yā)流量計的(de)這種背向節流(liú)體結構，使低流(liú)速氣(qì)體也(yě)能産(chǎn)生較(jiào)大的壓差(chà)，因此适(shì)合(hé)測量(liàng)低流速氣體(tǐ)，測量精度相對較(jiào)高。
2.2熱式流量計
　　熱擴(kuò)散(sàn)式流量(liàng)計是(shì)一-種高精(jīng)度、高可靠(kào)性且應用(yòng)廣(guǎng)泛的流(liú)量計。典型傳感(gǎn)元件(jiàn)爲2個rtd熱電(diàn)阻:rtd1爲(wèi)溫度(dù)傳感(gǎn)器，測(cè)量氣體(tǐ)溫度t;rtd2爲速度(dù)傳感(gǎn)器，在(zài)氣體原本(běn)溫度的基(jī)礎上進一(yī)步加(jiā)熱至(zhì)溫度t2，形成(chéng)恒溫差△t。但(dàn)氣體(tǐ)流過rtd2時會帶走(zǒu)熱量(liàng)，爲保持△t恒定，需(xū)要繼續加熱，氣(qì)體流速越(yuè)大，擴(kuò)散的熱量越多，因此，加熱的電(diàn)功率與氣體流(liú)量成正比(bǐ)51熱式(shì)流量(liàng)計的工作(zuò)原理如圖2所示(shì)。
 
　　根據(jù)牛頓冷卻定律得知(zhī)，rtd2的加熱電(diàn)功近似等(děng)于氣體帶走(zǒu)的熱功(gōng)，如公式(2)所(suǒ)示
 
　　式(shì)中:i、r2--測(cè)速探頭rtd2電(diàn)流和電阻(zǔ);α一-對流換熱(rè)系數;a一(yī)測速探(tàn)頭rtd2表面積。
　　進(jìn)一步依據(jù)hilbert對(duì)流換熱經驗(yàn)公式"最終推(tuī)導(dǎo)得知(zhī)氣(qì)體(tǐ)質量(liàng)流量測量公式(shì)，如公式(3)所示
 
　　式中:qm一(yī)氣體(tǐ)質量(liàng)流量;s一測量管(guǎn)道截(jié)面積;d一測(cè)速探頭rtd2直(zhí)徑;c、n取(qǔ)值由(yóu)實驗數據拟合得到;μ一氣(qì)體動力粘度;λ一(yī)氣體導熱(rè)系數(shù);cp一氣(qì)體定壓比(bǐ)熱容(róng)。
　　公式(3)比較複雜(zá)，需要的經(jīng)驗數據一般(bān)由(yóu)流量(liàng)計廠(chǎng)家根(gēn)據大量測試經(jīng)驗所(suǒ)得，很多科(kē)研院(yuàn)校也(yě)會據(jù)此建模仿(páng)真做(zuò)深入(rù)研究。
2.3科式(shì)流量(liàng)計
　　科氏流量計是(shì)流體通(tōng)過振動管時，産(chǎn)生科裏(lǐ)奧(ào)利(lì)力，研究與實踐證(zhèng)明，該力與質量流量(liàng)成正比，據(jù)此測(cè)出流(liú)體的(de)質量流量，因此(cǐ)，該流量(liàng)的(de)測量(liàng)原理(lǐ)幾乎不受(shòu)氣體粘度(dù)、狀态(tài)、溫度等外(wài)界條(tiáo)件影響。科(kē)氏流量計(jì)一(yī)般由傳感器和(hé)變送器組成(chéng)，傳感器主(zhǔ)要包括激(jī)振器(qì)和拾(shí)振(zhèn)器檢測(cè)扭矩振(zhèn)動力，變(biàn)送器則将傳感(gǎn)器信号轉(zhuǎn)變爲(wèi)質(zhì)量流量、密度(dù)溫度等标準信(xìn)号輸出四。科氏(shì)流量計(jì)原理如(rú)圖3所(suǒ)示。
 
　　質點m以(yǐ)勻速υ在(zài)旋轉角(jiǎo)速度(dù)ω的(de)管道内運動時，根(gēn)據物(wù)體運動(dòng)的慣性(xìng)原理，得出公式(shì)(4)
 
　　式中(zhōng):αt一向心加(jiā)速度;ω一旋(xuán)轉(zhuǎn)角(jiǎo)速度(dù);αy一(yī)切向加(jiā)速度，方向與αr垂直。
　　根(gēn)據牛頓第(dì)二(èr)定律，向心方(fāng)向作用有科(kē)裏(lǐ)奧利力(lì)f=2wvm,當(dāng)密度(dù)ρ的氣體在旋轉(zhuǎn)管道中以(yǐ)恒定速度u運動時，長(zhǎng)度爲△x的管路内受到切向(xiàng)的科(kē)裏奧利(lì)力△f，如公(gōng)式(5)所(suǒ)示
 
　　式(shì)中:qm一(yī)氣體質量(liàng)流量(liàng);a一管道橫截面(miàn)積。
　　以(yǐ)上(shàng)爲科式(shì)流量計(jì)的計算(suàn)原理，但在實際應用(yòng)中，是(shì)以管(guǎn)道振動力代替(tì)旋轉慣性力。科(kē)式流(liú)量(liàng)計以其精度(dù)高(gāo)、寬(kuān)量程(chéng)、低壓損和長壽(shòu)命等(děng)優點(diǎn)，被(bèi)廣泛應用(yòng)在各領(lǐng)域，也是(shì)氫燃料電池測量首選(xuǎn)的流(liú)量計(jì)。
2.4各流(liú)量計優(yōu)缺點分(fèn)析
　　3種氫燃(rán)料電(diàn)池測試(shì)常用氣(qì)體流(liú)量計優缺(quē)點分析(xī)如(rú)表1所(suǒ)示，爲(wèi)産品研發(fā)和測試(shì)台開發做選(xuǎn)型參考。
3結(jié)論
　　氣體(tǐ)流(liú)量計(jì)發(fā)展曆史(shǐ)悠久(jiǔ)，國外技術(shù)較爲(wèi)先進，氫燃料電(diàn)池測(cè)試常(cháng)用差壓式(shì)氣體流量計、熱式(shì)氣(qì)體流(liú)量計和科式氣(qì)體流(liú)量計(jì)，通過(guò)對3種流(liú)量(liàng)計的工作原理和優(yōu)劣分析,可以較(jiào)爲清晰地了解各流量計不同(tóng)的應(yīng)用場景，爲(wèi)産品(pǐn)開發和測(cè)試台(tái)設計(jì)提供技術(shù)指南。

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