常用气体流量计分类和原理
发布时间：2023-05-11 14:25:32来源：hseauto.cn来源：..
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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。
1.1 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[3]。差压式流量计的工作原理如图1所示。
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。
qm=·2ΔP·ρ1（1）
式中：qm——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[4]，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。
1.2 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[5]。热式流量计的工作原理如图2所示。
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。
I2R2=αA（T2-T1）（2）
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[6]最终推导得知气体质量流量测量公式，如公式（3）所示。
qm=（3）
式中：qm——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;Cp——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。
1.3 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[7]。科氏流量计原理如图3所示。
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）。
αγ=2ωγ
αr=2ωv（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。
ΔF=2ωvρAΔx
qm=vρA=（5）
式中：qm——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。
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