氫燃料電池測(cè)試常用氣體流量計(jì)綜述

顏娟娟，崔旭升，劉枝紅，荊 琪，張治涵

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

近年來(lái)，隨著2030年前“碳中和”、2060年前“碳達(dá)峰”目標(biāo)的提出，氫能源日益發(fā)展壯大，氫燃料電池以綠色環(huán)保性越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在道路車輛和發(fā)電機(jī)組，也成為了各大科研院校和企業(yè)研究的熱點(diǎn)。本文闡述氫燃料電池測(cè)試中常用的幾種流量計(jì)，將各種流量計(jì)原理和優(yōu)劣勢(shì)做對(duì)比分析，為初步進(jìn)入氫燃料電池測(cè)試領(lǐng)域的試驗(yàn)人員提供一定的知識(shí)儲(chǔ)備，也為自主開(kāi)發(fā)氫燃料電池測(cè)試臺(tái)提供技術(shù)支持。

1 氣體流量計(jì)發(fā)展歷史

氣體流量計(jì)的發(fā)展歷史已有400余年，最早由托里拆利提出了類差壓式流量計(jì)的理論，之后又發(fā)展出容積式流量計(jì)、膜片式流量計(jì)、熱式流量計(jì)、科式流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等諸多根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的各種流量計(jì)，使氣體流量的精準(zhǔn)測(cè)量逐步走向規(guī)范和高精度。

高精度的氣體流量計(jì)廠家主要集中在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，在流量監(jiān)測(cè)管結(jié)構(gòu)、測(cè)量精度靈敏度、穩(wěn)定性和抗疲勞、抗干擾性能方面做了一系列設(shè)計(jì)創(chuàng)新。目前氫燃料電池氣體流量計(jì)精度最高可達(dá)到0.1%F.S，極大提升了電化學(xué)反應(yīng)的精準(zhǔn)度，為研發(fā)應(yīng)用提供了較好的硬件支撐。

2 常用氣體流量計(jì)分類和原理

氫燃料電池實(shí)際測(cè)試中，氣體的流量經(jīng)常受工作壓力、溫度、粘度等影響，為精確計(jì)量，需要測(cè)量氣體質(zhì)量流量。目前氫燃料電池測(cè)試常用可直接測(cè)出質(zhì)量流量的流量計(jì)，按使用場(chǎng)景和工作原理多為差壓式流量計(jì)、熱式流量計(jì)和科式流量計(jì)。

2.1 差壓式氣體流量計(jì)

差壓式流量計(jì)是一種歷史悠久且精確度很高、至今廣泛應(yīng)用的流量計(jì)，通過(guò)流經(jīng)通道內(nèi)流體的壓降來(lái)確定流量。差壓式流量計(jì)本體為突然變徑的節(jié)流體，當(dāng)被測(cè)流體流經(jīng)節(jié)流體時(shí)，流體會(huì)因突然變徑形成局部收縮，流速變大，依據(jù)能量守恒定律，動(dòng)能增大，靜壓力會(huì)減小，通過(guò)的流體流量越大，兩側(cè)壓差也越大，該壓差與流體流量的平方成正比。差壓式流量計(jì)的工作原理如圖1所示。

圖1 差壓式流量計(jì)測(cè)量原理圖

假設(shè)為流量計(jì)上端管路的內(nèi)直徑，為該段管路橫截面積，為該處單位面積的流體體積，ρ為該處流體密度，為流量計(jì)管路內(nèi)節(jié)流體間的內(nèi)直徑，為該處的橫截面積，ρ為該處的流體密度，為該處單位面積的流體體積，由伯努利方程和能量守恒定律推導(dǎo)得知?dú)怏w質(zhì)量流量測(cè)量公式，如公式（1）所示。

式中：——?dú)怏w質(zhì)量流量；——?dú)怏w流出系數(shù)；ε——?dú)怏w膨脹系數(shù)；β——直徑比，即/；Δ——兩端壓差。

以背靠管式差壓氣體流量計(jì)為例，這是一種新型流量計(jì)，主要解決低流速下的氣體流量測(cè)量精度低的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)是在管道上插入節(jié)流體，該節(jié)流體的迎風(fēng)取壓孔正對(duì)氣流方向，背風(fēng)取壓孔背向氣流方向。在氣體的流動(dòng)作用力下，氣流會(huì)在迎風(fēng)取壓孔和背風(fēng)取壓孔處分別產(chǎn)生正向和負(fù)向的壓強(qiáng)，壓差傳感器采集節(jié)流體內(nèi)部的2個(gè)導(dǎo)壓管的壓強(qiáng)差，通過(guò)公式（1）計(jì)算出流經(jīng)的氣體質(zhì)量流量。背靠管式差壓流量計(jì)的這種背向節(jié)流體結(jié)構(gòu)，使低流速氣體也能產(chǎn)生較大的壓差，因此適合測(cè)量低流速氣體，測(cè)量精度相對(duì)較高。

2.2 熱式流量計(jì)

熱擴(kuò)散式流量計(jì)是一種高精度、高可靠性且應(yīng)用廣泛的流量計(jì)。典型傳感元件為2個(gè)RTD熱電阻：RTD1為溫度傳感器，測(cè)量氣體溫度；RTD2為速度傳感器，在氣體原本溫度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加熱至溫度，形成恒溫差Δ。但氣體流過(guò)RTD2時(shí)會(huì)帶走熱量，為保持Δ恒定，需要繼續(xù)加熱，氣體流速越大，擴(kuò)散的熱量越多，因此，加熱的電功率與氣體流量成正比。熱式流量計(jì)的工作原理如圖2所示。

圖2 熱式流量計(jì)測(cè)量原理圖

根據(jù)牛頓冷卻定律得知，RTD2的加熱電功近似等于氣體帶走的熱功，如公式（2）所示。

式中：、——測(cè)速探頭RTD2電流和電阻；α——對(duì)流換熱系數(shù)；——測(cè)速探頭RTD2表面積。

進(jìn)一步依據(jù)Hilbert對(duì)流換熱經(jīng)驗(yàn)公式最終推導(dǎo)得知?dú)怏w質(zhì)量流量測(cè)量公式，如公式（3）所示。

式中：——?dú)怏w質(zhì)量流量；——測(cè)量管道截面積；——測(cè)速探頭RTD2直徑；、取值由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到；μ——?dú)怏w動(dòng)力粘度；λ——?dú)怏w導(dǎo)熱系數(shù)；——?dú)怏w定壓比熱容。

公式（3）比較復(fù)雜，需要的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般由流量計(jì)廠家根據(jù)大量測(cè)試經(jīng)驗(yàn)所得，很多科研院校也會(huì)據(jù)此建模仿真做深入研究。

2.3 科式流量計(jì)

科氏流量計(jì)是流體通過(guò)振動(dòng)管時(shí)，產(chǎn)生科里奧利力，研究與實(shí)踐證明，該力與質(zhì)量流量成正比，據(jù)此測(cè)出流體的質(zhì)量流量，因此，該流量的測(cè)量原理幾乎不受氣體粘度、狀態(tài)、溫度等外界條件影響?？剖狭髁坑?jì)一般由傳感器和變送器組成，傳感器主要包括激振器和拾振器，檢測(cè)扭矩振動(dòng)力，變送器則將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量流量、密度溫度等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出?？剖狭髁坑?jì)原理如圖3所示。

圖3 科氏流量計(jì)測(cè)量原理圖

質(zhì)點(diǎn)以勻速在旋轉(zhuǎn)角速度ω的管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)的慣性原理，得出公式（4）。

式中：α——向心加速度；ω——旋轉(zhuǎn)角速度；α——切向加速度，方向與α垂直。

根據(jù)牛頓第二定律，向心方向作用有科里奧利力=2ω，當(dāng)密度為ρ的氣體在旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)度為Δ的管路內(nèi)受到切向的科里奧利力Δ，如公式（5）所示。

式中：——?dú)怏w質(zhì)量流量；——管道橫截面積。

以上為科式流量計(jì)的計(jì)算原理，但在實(shí)際應(yīng)用中，是以管道振動(dòng)力代替旋轉(zhuǎn)慣性力?？剖搅髁坑?jì)以其高精度、寬量程、低壓損和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域，也是氫燃料電池測(cè)量首選的流量計(jì)。

2.4 各流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)分析

3種氫燃料電池測(cè)試常用氣體流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)分析如表1所示，為產(chǎn)品研發(fā)和測(cè)試臺(tái)開(kāi)發(fā)做選型參考。

3 結(jié)論

氣體流量計(jì)發(fā)展歷史悠久，國(guó)外技術(shù)較為先進(jìn)，氫燃料電池測(cè)試常用差壓式氣體流量計(jì)、熱式氣體流量計(jì)和科式氣體流量計(jì)，通過(guò)對(duì)3種流量計(jì)的工作原理和優(yōu)劣分析，可以較為清晰地了解各流量計(jì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)提供技術(shù)指南。