摘 要：文章(zhāng)通過肥皂(zao)膜在低流(liu)速氣體中(zhong)的擴散特(te)點，包💃🏻括：肥(féi)皂膜在不(bú)同氣體的(de)擴散速度(du)比較；肥皂(zao)膜兩側氣(qi)體濃度差(chà)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(san)速度比較(jiào)。實驗結果(guǒ)表明，在測(ce)🔆量氣體流(liú)量時用多(duō)個肥皂膜(mo)并保證氣(qì)泡兩側濃(nong)度差異較(jiào)小，能夠保(bao)證測量結(jie)果的穩定(dìng)性和準确(que)性。
0引言
　　 肥(féi)皂膜流量(liàng)計 （也稱爲(wèi)肥皂泡流(liu)量計），用于(yú)測量壓力(li)接近環境(jìng)壓力🌂的微(wēi)小氣體流(liú)量。肥皂膜(mo)流量計具(ju)有成本低(di)、操作簡單(dan)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(wei)生、科🚶‍♀️研、工(gōng)礦、各大院(yuàn)校等部門(men)校準中、小(xiǎo)氣體流量(liàng)計🈲的必備(bèi)儀器。皂膜(mo)流量計原(yuan)理是利用(yòng)肥皂液在(zai)标準量管(guan)中形成皂(zao)膜，被測氣(qì)體流入量(liang)管時🤩，推動(dong)皂膜在量(liàng)管💰中運動(dong)，根據皂膜(mó)在量管中(zhōng)移動相應(yīng)體積所用(yong)時間，計算(suàn)出氣體的(de)流量。時間(jian)可以用秒(miǎo)表測量，或(huo)者采用更(geng)高精度的(de)光電子計(ji)時裝置［2］。采(cǎi)用光電子(zǐ)計時的電(diàn)子肥皂😘膜(mó)流量計相(xiang)對昂貴，但(dàn)其精度更(geng)高。
　　在實際(jì)使用中會(hui)出現很多(duo)問題。在校(xiào)準氦氣的(de)流速時，肥(féi)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(ji)量所用管(guan)段的情況(kuang)。通⚽過解決(jué)在使用肥(féi)皂膜流量(liang)計測量極(jí)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(féi)皂膜兩側(ce)氣體濃度(dù)差異不同(tóng)的擴散速(su)度比較；單(dan)個肥㊙️皂📐膜(mó)和多個肥(féi)皂膜的擴(kuo)散速度比(bǐ)較。
1實驗
　　肥(fei)皂膜流量(liàng)計的實驗(yàn)裝置如圖(tu)1所示。氣體(tǐ)（氮氣、氦🆚氣(qi)或空氣）由(you)氣瓶供應(ying)，上遊壓力(lì)通過壓力(lì)調節器設(she)定爲3.4bar（50psi），通過(guo)質量流量(liàng)控制器（簡(jiǎn)稱ＭＦＣ）調節氣(qi)體流速。将(jiang)待校準的(de)氣流引入(ru)🌈到肥皂膜(mo)流量計的(de)刻度玻璃(li)管中，肥皂(zào)膜向上移(yi)動通過不(bu)同體積段(duàn)（0～10ml，10～20ml，20～30ml，30～40ml和40～50ml）的時💜間(jian)，分别用S1，S2，S3，S4，S5表(biǎo)示。管子出(chu)口處的尖(jian)刺刺破肥(féi)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(dan)個肥皂泡(pao)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(quan)打開（對應(ying)于測得的(de)氣體流速(su)爲㊙️６0.0ml/min）或調🆚整(zheng)爲4圈（37.5ml/min）時，肥(féi)皂膜通過(guo)每個段的(de)時間都是(shi)恒定🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的，即(jí)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(zào)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(xiàn)👣象更爲❤️顯(xian)著。

　　爲了驗(yàn)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(kōng)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(shi)，可以看出(chu)，對于空氣(qi)，肥皂泡以(yi)非常恒定(dìng)的速度通(tong)過每👉個部(bù)分，而氮氣(qì)的通過速(su)度會更慢(màn)一些。上述(shù)結果表明(ming)管的橫截(jie)面是均勻(yun)的，肥皂膜(mó)的速度降(jiàng)低是其他(tā)原因引起(qǐ)的。一種可(ke)能💞的原因(yīn)是，如氦氣(qi)這樣的高(gāo)滲✌️透性氣(qi)體，向環㊙️境(jing)的擴散減(jiǎn)緩✂️了氣泡(pao)的運動。擴(kuo)散快慢很(hěn)大程度上(shang)取決于薄(báo)膜兩側的(de)濃🐅度差異(yì)。爲了增大(da)管開口處(chu)的氣體濃(nóng)度，将長而(er)柔軟的軟(ruan)管固定在(zài)玻璃管的(de)出✏️口上。在(zài)有和沒有(you)封蓋軟管(guǎn)的情況下(xià)氣泡通過(guò)10ml管✏️段的時(shi)間如圖4所(suǒ)示。将封蓋(gai)⭕軟管加入(ru)管中後（測(ce)量🛀氣體流(liú)速爲10.2ml/min），保持(chí)了肥皂薄(báo)膜兩側氦(hài)氣的濃度(du)，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(pao)在使用封(fēng)蓋軟管的(de)情況下通(tōng)過各個管(guan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼段🌈的時間(jiān)更加均勻(yún)。

　　通常情況(kuàng)下，肥皂膜(mo)可以被認(rèn)爲是彈性(xing)膜。肥皂膜(mo)是脂肪酸(suān)的鈉鹽，肥(fei)皂分子既(jì)有親水性(xing)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(wei)擴散系數(shù)，Ｈ爲分配系(xi)數，ΔＣ爲濃度(dù)差異，1/Ｌ爲膜(mó)厚度的倒(dao)數。根據查(chá)普曼－恩斯(sī)克理論，非(fēi)極性氣體(ti)擴散系數(shu)公式爲：

　　式(shì)中，Ｔ爲溫度(dù)，Ｐ爲壓力，σＡＢ爲(wèi)分子碰撞(zhuang)直徑，Ω爲分(fèn)子間碰撞(zhuang)因子，ＭＡ爲🧑🏾‍🤝‍🧑🏼組(zu)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(shù)爲0.735×10－4 m3/S（溫度爲(wèi)293Ｋ時），遠高于(yú)空氣在氮(dàn)氣中的擴(kuò)散系數（0.197×10－4 m3/S）。分(fèn)配系數Ｈ取(qu)決于💁膜的(de)化學結構(gou)。ＤＨ通常稱爲(wei)滲透性，一(yi)般較小分(fèn)子（如氦氣(qì)和♊氫氣）的(de)滲透性高(gāo)于較大分(fèn)子（例如氮(dàn)氣和👣氧氣(qi)）。氣體會首(shǒu)先通過皂(zào)膜擴散，然(rán)後通過管(guan)開口從皂(zao)膜周圍擴(kuo)散到周圍(wei)環境，這是(shì)肥皂膜在(zài)接近管出(chu)口時移動(dong)💛得越來越(yue)慢的原因(yīn)。勞倫斯使(shi)用光譜分(fen)析測量出(chu)皂膜的厚(hou)度（Ｌ）在0.2～1.5μｍ之間(jiān)變化。巴古(gǔ)裏和戴維(wei)森通過加(jia)權法和電(dian)導法測量(liàng)出肥皂薄(bao)膜的平均(jun)厚度爲0.8μｍ。使(shǐ)用多個🧑🏽‍🤝‍🧑🏻氣(qi)泡的肥皂(zào)膜流量計(jì)中，由于液(ye)體從管中(zhong)排出，膜的(de)厚度可能(néng)會增加。
　　在(zài)實驗中還(hai)進行了多(duō)個氣泡和(he)單個氣泡(pao)擴散速♈度(dù)的比較。單(dān)個和多個(gè)氣泡通過(guo)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(féi)皂膜移動(dòng)得更均勻(yún)。這表💜明使(shǐ)用更多的(de)氣泡會🈲顯(xian)著提高測(cè)量的準确(que)性。

3結語
　　肥(féi)皂膜流量(liàng)計廣泛用(yong)于氣體流(liu)量校準，但(dàn)是在校準(zhun)高滲透性(xing)氣體如氦(hài)氣和氫氣(qi)時，測量精(jīng)度取決于(yu)所🏒用管段(duàn)的特性。氣(qì)體向環境(jing)的擴散還(hai)會減緩肥(fei)皂泡的運(yùn)動速度，離(li)管口越近(jìn)，這種⁉️擴散(sàn)效應越顯(xiǎn)著。實驗結(jié)果表明，在(zai)測量氣體(tǐ)流量時🤩，用(yong)多個肥皂(zao)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(you)侵權聯系(xì)即删除!