摘 要：文章(zhāng)通過肥皂(zào)膜在低流(liú)速氣體中(zhōng)的擴散特(tè)點，包🧑🏾🤝🧑🏼括：肥(féi)皂膜在不(bú)同氣體的(de)擴散速度(du)比較；肥皂(zào)膜兩側氣(qì)體濃🐪度差(cha)異不同的(de)擴散速度(du)比較；單個(ge)肥皂膜👅和(hé)多個肥皂(zào)膜的擴散(sàn)速度比較(jiào)。實驗結果(guo)表明，在測(ce)量氣體流(liú)量時用多(duō)個肥皂膜(mo)并保證氣(qi)♈泡兩側濃(nóng)度差異較(jiao)小，能夠保(bao)證測量結(jie)果的穩定(ding)性和準确(que)性。
0引言
肥(fei)皂膜流量(liàng)計
（也稱爲(wei)肥皂泡流(liú)量計），用于(yú)測量壓力(lì)接近環境(jing)壓力的微(wēi)小氣😍體流(liú)量。肥皂膜(mó)流量計具(jù)有成本低(dī)、操作簡單(dān)等特點❤️，适(shì)用于任何(hé)氣體或液(yè)體流量的(de)檢測，是環(huán)保、勞動衛(wèi)生、科研、工(gong)礦💜、各大院(yuan)校等部門(men)校準中、小(xiǎo)氣體流量(liang)計的必備(bèi)儀器。皂膜(mo)流量計原(yuán)理是利用(yòng)肥皂液在(zai)标準量管(guǎn)中形成皂(zào)膜，被測氣(qì)體流入量(liàng)管時，推💚動(dòng)皂膜在量(liàng)管中運動(dòng)，根據皂膜(mo)在🌈量管中(zhong)移‼️動相應(ying)☁️體積所用(yong)時間，計算(suan)出氣體的(de)流量。時間(jiān)可以用秒(miǎo)表測量，或(huò)者采用更(gèng)🐕高精度的(de)光電子計(jì)時裝置［2］。采(cǎi)用光電子(zǐ)計時的電(dian)子肥皂膜(mo)流🆚量計相(xiang)對昂貴，但(dan)其精度✔️更(geng)高。
在實際(jì)使用中會(hui)出現很多(duō)問題。在校(xiào)準氦氣的(de)流速💯時，肥(fei)皂膜在通(tōng)過固定體(ti)積所需的(de)時間很大(da)程度上取(qu)決于氣泡(pao)的量和計(jì)量所用管(guǎn)段的情況(kuang)。通過解決(jué)在使用肥(fei)皂膜流量(liang)計測量極(ji)低速氣流(liú)時遇到的(de)問📞題，包括(kuo)肥皂膜在(zai)不同氣體(tǐ)的👌擴散速(sù)度比較；肥(fei)皂膜兩側(cè)氣體濃度(dù)差異不同(tong)的擴散速(sù)度🎯比較；單(dān)個肥♊皂膜(mo)和多個肥(féi)皂膜的擴(kuò)散速度比(bǐ)較。
1實驗
肥(fei)皂膜流量(liàng)計的實驗(yan)裝置如圖(tú)1所示。氣體(tǐ)（氮氣、氦🛀🏻氣(qi)或空氣）由(yóu)氣瓶供應(yīng)，上遊壓力(lì)通過壓力(lì)調節器♍設(shè)定📱爲3.4bar（50psi），通過(guò)質量流量(liàng)控制器（簡(jian)稱ＭＦＣ）調節氣(qì)體流速⛷️。将(jiāng)待校準的(de)氣流引入(ru)到肥皂膜(mó)流量💚計的(de)刻度玻💋璃(lí)管中，肥皂(zào)膜向上移(yi)動通過不(bu)同體積段(duan)（0～10ml，10～20ml，20～30ml，30～40ml和40～50ml）的時間(jian)，分别用S1，S2，S3，S4，S5表(biao)示。管子出(chū)口處的尖(jian)刺刺破肥(fei)皂膜，液體(tǐ)沿管壁返(fan)㊙️回🏒。
2實驗結(jié)果
當使用(yòng)氦氣時，單(dān)個肥皂泡(pào)在ＭＦＣ的各個(ge)開口處通(tong)過10ml刻度💔管(guǎn)段🏃♀️所❤️用時(shi)間如圖2所(suo)示。當ＭＦＣ完全(quán)打開（對應(ying)于💃🏻測得的(de)氣體流速(sù)爲６0.0ml/min）或調整(zheng)爲4圈（37.5ml/min）時，肥(fei)皂膜通過(guo)每🈲個段的(de)時間都是(shi)恒定的，即(ji)計算出的(de)氣體流速(sù)是🧑🏽🤝🧑🏻一緻的(de)。此外，對ＭＦＣ執(zhí)行4圈關閉(bi)，此時氣體(tǐ)流速爲27.3ml/min。觀(guan)察👅到肥皂(zao)泡通🏃過越(yuè)靠近管段(duàn)出口處的(de)段需要的(de)時👄間越長(zhǎng)，即肥皂泡(pào)的速度在(zài)減慢。當ＭＦＣ設(she)定爲12轉時(shi)，氣體流速(su)爲9.1ml/min，這種現(xian)✏️象更爲顯(xiǎn)著。
爲了驗(yan)證上述現(xiàn)象是否是(shì)由于管子(zi)不均勻引(yin)起的，對流(liú)🙇♀️速爲9.8ml/min的空(kong)氣和9.9ml/min的氮(dan)氣進行了(le)相同實驗(yàn)。實驗結果(guo)如圖3所✔️示(shì)，可以看出(chū)，對于空氣(qì)，肥皂泡以(yǐ)非常恒定(dìng)的速度通(tōng)過每個部(bu)分🔞，而氮氣(qi)🔆的通過速(su)度會更慢(màn)一些。上述(shù)結🤞果表明(míng)管的橫截(jié)面是均勻(yun)的，肥皂膜(mo)的速度降(jiàng)低是其他(tā)原因引起(qǐ)🔱的。一種可(kě)能的原因(yīn)是，如🌈氦氣(qi)這樣的高(gao)滲透性氣(qì)體，向環境(jing)的擴散減(jian)緩了氣泡(pào)😍的運動。擴(kuo)散快慢很(hěn)大程度上(shàng)取決于薄(báo)膜兩側的(de)濃度差異(yi)。爲了增大(dà)💯管開口處(chu)的💞氣體濃(nong)度，将長而(ér)柔軟🔴的軟(ruǎn)管固定在(zai)玻璃管的(de)出口上。在(zai)有和沒有(you)封蓋軟管(guǎn)的情況下(xia)氣㊙️泡通過(guo)10ml管段的時(shi)間如圖4所(suǒ)示。将封蓋(gài)⭐軟管加入(ru)管中後（測(cè)量✨氣體流(liu)速爲10.2ml/min），保持(chí)了肥皂薄(bao)膜兩側氦(hài)氣的濃度(dù)，在💁沒有封(feng)蓋軟管時(shí)肥皂膜兩(liang)側氦🌈氣的(de)濃度差異(yì)較大，氣泡(pào)在使用封(fēng)蓋軟管的(de)情況下通(tōng)過各個管(guǎn)段的時間(jiān)更加均勻(yun)。
通常情況(kuang)下，肥皂膜(mó)可以被認(ren)爲是彈性(xìng)膜。肥皂膜(mó)是脂💃肪酸(suan)👈的鈉鹽，肥(féi)皂分子既(ji)有親水性(xìng)又有親油(yóu)性。肥皂膜(mó)的質量流(liu)量公式爲(wèi)［3］：
式中，Ｊ爲質(zhi)量流量，Ｄ爲(wèi)擴散系數(shù)，Ｈ爲分配系(xì)數，ΔＣ爲濃度(du)差異，1/Ｌ爲膜(mó)🚩厚度的倒(dao)數。根據查(cha)普曼－恩斯(sī)克理論，非(fēi)極性氣體(ti)擴散系數(shu)💃🏻公式🐕爲：
式(shi)中，Ｔ爲溫度(du)，Ｐ爲壓力，σＡＢ爲(wèi)分子碰撞(zhuang)直徑，Ω爲分(fen)子間碰撞(zhuang)因🌐子，ＭＡ爲組(zǔ)分Ａ的摩爾(ěr)質量，ＭＢ爲組(zǔ)分Ｂ的摩爾(ěr)質量。
實際(jì)上，氦氣在(zài)空氣中的(de)擴散系數(shu)爲0.735×10－4 m3/S（溫度爲(wei)293Ｋ時），遠高于(yú)空氣⭕在氮(dan)氣中的擴(kuo)散系數（0.197×10－4 m3/S）。分(fèn)配系數Ｈ取(qǔ)決于膜的(de)化學🔞結構(gòu)。ＤＨ通常稱爲(wei)滲透性，一(yī)般較小分(fèn)子（如氦氣(qi)和氫氣）的(de)滲透性✔️高(gao)于較大分(fen)子📱（例如氮(dàn)氣和氧氣(qi)）。氣體會首(shǒu)先通過皂(zao)膜擴散，然(rán)後通過管(guan)開口🌐從皂(zào)膜周圍擴(kuò)散到周圍(wei)環境，這是(shi)肥皂膜在(zai)接近♉管出(chu)口時移🐕動(dòng)得越來越(yue)慢的原因(yīn)。勞倫斯使(shi)用光譜分(fèn)析測量出(chu)皂膜的厚(hòu)度（Ｌ）在0.2～1.5μｍ之間(jiān)變化。巴古(gǔ)裏和戴維(wei)森通過加(jiā)權法⛱️和電(dian)導法測量(liang)出肥皂薄(bao)膜的平均(jun)厚度爲0.8μｍ。使(shǐ)用多個氣(qì)泡的肥皂(zào)膜流量計(jì)中，由于液(yè)體從管中(zhong)排出，膜的(de)😘厚度可能(neng)會增加。
在(zài)實驗中還(hái)進行了多(duo)個氣泡和(hé)單個氣泡(pào)擴散速度(du)的比較。單(dan)🍓個和多個(ge)氣泡通過(guò)10ml刻度管的(de)時間如圖(tu)5所示。使用(yòng)2個氣泡🔴的(de)擴散問題(tí)略有減小(xiao)，當使用5個(gè)氣泡時，肥(fei)皂膜移動(dong)得更均勻(yun)。這表明使(shǐ)用更多的(de)氣泡會🐪顯(xian)著提高測(ce)量的準确(que)性。
3結語
肥(fei)皂膜流量(liang)計廣泛用(yong)于氣體流(liu)量校準，但(dàn)是在校準(zhǔn)高滲透性(xing)👣氣體如氦(hai)氣和氫氣(qì)時，測量精(jīng)度取決于(yú)所用管🧑🏽🤝🧑🏻段(duan)的特性。氣(qi)體🔱向環境(jing)的擴散還(hai)會減緩🐅肥(fei)皂泡🌍的運(yun)動速度，離(li)管口越近(jìn)，這種擴散(san)效應越顯(xian)著。實驗結(jie)果表明，在(zài)測量氣體(ti)流量時，用(yòng)多個肥皂(zào)膜并保證(zhèng)氣泡兩側(ce)濃度差異(yi)較小👉，能夠(gòu)保證測📐量(liàng)結果的穩(wen)☔定🤟性和準(zhun)确性。
以上(shàng)内容源于(yú)網絡，如有(yǒu)侵權聯系(xì)即删除!