常用氣體流量計分類和原理
發(fā)布時間：2023-05-11 14:25:32來源：www.jin-bei.net來源：..
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氣體的流量經(jīng)常受工作壓力、溫度、粘度等影響，為精確計量，需要測量氣體質(zhì)量流量。目前氫燃料電池測試常用可直接測出質(zhì)量流量的流量計，按使用場景和工作原理多為差壓式流量計、熱式流量計和科式流量計。
1.1 差壓式氣體流量計
差壓式流量計是一種歷史悠久且精確度很高、至今廣泛應(yīng)用的流量計，通過流經(jīng)通道內(nèi)流體的壓降來確定流量。差壓式流量計本體為突然變徑的節(jié)流體，當(dāng)被測流體流經(jīng)節(jié)流體時，流體會因突然變徑形成局部收縮，流速變大，依據(jù)能量守恒定律，動能增大，靜壓力會減小，通過的流體流量越大，兩側(cè)壓差也越大，該壓差與流體流量的平方成正比[3]。差壓式流量計的工作原理如圖1所示。
假設(shè)d1為流量計上端管路的內(nèi)直徑，A1為該段管路橫截面積，V1為該處單位面積的流體體積，ρ1為該處流體密度，d2為流量計管路內(nèi)節(jié)流體間的內(nèi)直徑，A2為該處的橫截面積，ρ2為該處的流體密度，V2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)得知氣體質(zhì)量流量測量公式，如公式（1）所示。
qm=·2ΔP·ρ1（1）
式中：qm——氣體質(zhì)量流量;C ——氣體流出系數(shù);ε ——氣體膨脹系數(shù);β ——直徑比，即d2 / d1;ΔP ——兩端壓差。
以背靠管式差壓氣體流量計為例，這是一種新型流量計，主要解決低流速下的氣體流量測量精度低的問題。結(jié)構(gòu)是在管道上插入節(jié)流體，該節(jié)流體的迎風(fēng)取壓孔正對氣流方向，背風(fēng)取壓孔背向氣流方向。在氣體的流動作用力下，氣流會在迎風(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，壓差傳感器采集節(jié)流體內(nèi)部的2個導(dǎo)壓管的壓強差[4]，通過公式（1）計算出流經(jīng)的氣體質(zhì)量流量。背靠管式差壓流量計的這種背向節(jié)流體結(jié)構(gòu)，使低流速氣體也能產(chǎn)生較大的壓差，因此適合測量低流速氣體，測量精度相對較高。
1.2 熱式流量計
熱擴(kuò)散式流量計是一種高精度、高可靠性且應(yīng)用廣泛的流量計。典型傳感元件為2個RTD熱電阻：RTD1為溫度傳感器，測量氣體溫度T1;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T2，形成恒溫差ΔT。但氣體流過RTD2時會帶走熱量，為保持ΔT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[5]。熱式流量計的工作原理如圖2所示。
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。
I2R2=αA（T2-T1）（2）
式中：I、R2——測速探頭RTD2電流和電阻;α——對流換熱系數(shù);A——測速探頭RTD2表面積。
進(jìn)一步依據(jù)Hilbert對流換熱經(jīng)驗公式[6]最終推導(dǎo)得知氣體質(zhì)量流量測量公式，如公式（3）所示。
qm=（3）
式中：qm——氣體質(zhì)量流量;S——測量管道截面積;d——測速探頭RTD2直徑;C、n取值由實驗數(shù)據(jù)擬合得到;μ——氣體動力粘度;λ——氣體導(dǎo)熱系數(shù);Cp——氣體定壓比熱容。
公式（3）比較復(fù)雜，需要的經(jīng)驗數(shù)據(jù)一般由流量計廠家根據(jù)大量測試經(jīng)驗所得，很多科研院校也會據(jù)此建模仿真做深入研究。
1.3 科式流量計
科氏流量計是流體通過振動管時，產(chǎn)生科里奧利力，研究與實踐證明，該力與質(zhì)量流量成正比，據(jù)此測出流體的質(zhì)量流量，因此，該流量的測量原理幾乎不受氣體粘度、狀態(tài)、溫度等外界條件影響。科氏流量計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，檢測扭矩振動力，變送器則將傳感器信號轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量流量、密度溫度等標(biāo)準(zhǔn)信號輸出[7]。科氏流量計原理如圖3所示。
質(zhì)點m以勻速v在旋轉(zhuǎn)角速度ω的管道內(nèi)運動時，根據(jù)物體運動的慣性原理，得出公式（4）。
αγ=2ωγ
αr=2ωv（4）
式中：αr——向心加速度;ω——旋轉(zhuǎn)角速度;αγ——切向加速度，方向與αr垂直。
根據(jù)牛頓第二定律，向心方向作用有科里奧利力F=2ωvm，當(dāng)密度為ρ的氣體在旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度v運動時，長度為Δx的管路內(nèi)受到切向的科里奧利力ΔF，如公式（5）所示。
ΔF=2ωvρAΔx
qm=vρA=（5）
式中：qm——氣體質(zhì)量流量;A——管道橫截面積。
以上為科式流量計的計算原理，但在實際應(yīng)用中，是以管道振動力代替旋轉(zhuǎn)慣性力。科式流量計以其高精度、寬量程、低壓損和長壽命等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域，也是氫燃料電池測量首選的流量計。
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