【摘要】近年来，氢燃料电池以绿色环保、续驶里程长的优势越来越广泛地应用在道路车辆和发电机组，也成为了各大科研院校和企业研究发展的热点。论文以氢燃料电池测试为应用领域，以气体流量计的发展历史开篇，分类讲述氢燃料电池测试中常用的差压式气体流量计、热式气体流量计、科式气体流量计的工作原理、应用场景和优劣对比，最后进行统一总结。本篇可为初步进入氢燃料电池测试领域的测试工程师和试验技师提供一定的知识储备和选型方法。
近年来，随着2030年前“碳中和”、2060年前“碳达峰”目标的提出，氢能源日益发展壮大，氢燃料电池以绿色环保性越来越广泛地应用在道路车辆和发电机组，也成为了各大科研院校和企业研究的热点。本文阐述氢燃料电池测试中常用的几种流量计，将各种流量计原理和优劣势做对比分析，为初步进入氢燃料电池测试领域的试验人员提供一定的知识储备，也为自主开发氢燃料电池测试台提供技术支持。
1、气体流量计发展历史
气体流量计的发展历史已有400余年，最早由托里拆利提出了类差压式流量计的理论，之后又发展出容积式流量计、膜片式流量计、热式流量计、科式流量计、超声波流量计等诸多根据不同应用场景的各种流量计，使气体流量的精准测量逐步走向规范和高精度。
高精度的气体流量计厂家主要集中在欧美发达国家，在流量监测管结构、测量精度灵敏度、稳定性和抗疲劳、抗干扰性能方面做了一系列设计创新。目前氢燃料电池气体流量计精度最高可达到0.1%F.S，极大提升了电化学反应的精准度，为研发应用提供了较好的硬件支撑。
2、常用气体流量计分类和原理
氢燃料电池实际测试中，气体的流量经常受工作压力、温度、粘度等影响，为精确计量，需要测量气体质量流量。目前氢燃料电池测试常用可直接测出质量流量的流量计，按使用场景和工作原理多为差压式流量计、热式流量计和科式流量计。
2.1、差压式气体流量计
差压式流量计是一种历史悠久且精确度很高、至今广泛应用的流量计，通过流经通道内流体的压降来确定流量。差压式流量计本体为突然变径的节流体，当被测流体流经节流体时，流体会因突然变径形成局部收缩，流速变大，依据能量守恒定律，动能增大，静压力会减小，通过的流体流量越大，两侧压差也越大，该压差与流体流量的平方成正比。差压式流量计的工作原理如图1所示。
图1 差压式流量计测量原理图
假设d1为流量计上端管路的内直径，A1为该段管路横截面积，V1为该处单位面积的流体体积，ρ1为该处流体密度，d2为流量计管路内节流体间的内直径，A2为该处的横截面积，ρ2为该处的流体密度，V2为该处单位面积的流体体积，由伯努利方程和能量守恒定律推导得知气体质量流量测量公式，如公式（1）所示。
式中：q m——气体质量流量；C——气体流出系数；ε——气体膨胀系数；β——直径比，即d2/d1；ΔP——两端压差。
以背靠管式差压气体流量计为例，这是一种新型流量计，主要解决低流速下的气体流量测量精度低的问题。结构是在管道上插入节流体，该节流体的迎风取压孔正对气流方向，背风取压孔背向气流方向。在气体的流动作用力下，气流会在迎风取压孔和背风取压孔处分别产生正向和负向的压强，压差传感器采集节流体内部的2个导压管的压强差，通过公式（1）计算出流经的气体质量流量。背靠管式差压流量计的这种背向节流体结构，使低流速气体也能产生较大的压差，因此适合测量低流速气体，测量精度相对较高。
2.2、热式流量计
热扩散式流量计是一种高精度、高可靠性且应用广泛的流量计。典型传感元件为2个RTD热电阻：RTD1为温度传感器，测量气体温度T1；RTD2为速度传感器，在气体原本温度的基础上进一步加热至温度T2，形成恒温差ΔT。但气体流过RTD2时会带走热量，为保持ΔT恒定，需要继续加热，气体流速越大，扩散的热量越多，因此，加热的电功率与气体流量成正比。热式流量计的工作原理如图2所示。
图2 热式流量计测量原理图
根据牛顿冷却定律得知，RTD2的加热电功近似等于气体带走的热功，如公式（2）所示。
式中：I、R2——测速探头RTD2电流和电阻；α——对流换热系数；A——测速探头RTD2表面积。
进一步依据Hilbert对流换热经验公式最终推导得知气体质量流量测量公式，如公式（3）所示。
式中：q m——气体质量流量；S——测量管道截面积；d——测速探头RTD2直径；C、n取值由实验数据拟合得到；μ——气体动力粘度；λ——气体导热系数；C p——气体定压比热容。
公式（3）比较复杂，需要的经验数据一般由流量计厂家根据大量测试经验所得，很多科研院校也会据此建模仿真做深入研究。
2.3、科式流量计
科氏流量计是流体通过振动管时，产生科里奥利力，研究与实践证明，该力与质量流量成正比，据此测出流体的质量流量，因此，该流量的测量原理几乎不受气体粘度、状态、温度等外界条件影响。科氏流量计一般由传感器和变送器组成，传感器主要包括激振器和拾振器，检测扭矩振动力，变送器则将传感器信号转变为质量流量、密度温度等标准信号输出。科氏流量计原理如图3所示。
图3 科氏流量计测量原理图
质点m以匀速v在旋转角速度ω的管道内运动时，根据物体运动的惯性原理，得出公式（4）。
式中：αr——向心加速度；ω——旋转角速度；αγ——切向加速度，方向与αr垂直。
根据牛顿第二定律，向心方向作用有科里奥利力F=2ωvm，当密度为ρ的气体在旋转管道中以恒定速度v运动时，长度为Δx的管路内受到切向的科里奥利力ΔF，如公式（5）所示。
式中：q m——气体质量流量；A——管道横截面积。
以上为科式流量计的计算原理，但在实际应用中，是以管道振动力代替旋转惯性力。科式流量计以其高精度、宽量程、低压损和长寿命等优点，被广泛应用在各领域，也是氢燃料电池测量首选的流量计。
2.4 、各流量计优缺点分析
3种氢燃料电池测试常用气体流量计优缺点分析如表1所示，为产品研发和测试台开发做选型参考。
3、 结论
气体流量计发展历史悠久，国外技术较为先进，氢燃料电池测试常用差压式气体流量计、热式气体流量计和科式气体流量计，通过对3种流量计的工作原理和优劣分析，可以较为清晰地了解各流量计不同的应用场景，为产品开发和测试台设计提供技术指南。
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