極低速(su)氣流肥皂膜流(liu)量計 發布時間(jiān):2025-12-18
摘 要:文章通過(guo)肥皂膜在低流(liú)速氣體中的擴(kuo)散特點✨,包括:肥(fei)皂膜在不同氣(qì)體的擴散速度(dù)比較;肥皂膜兩(liǎng)🔞側氣體濃度差(cha)異不同的擴散(san)速度比較;單個(gè)肥皂膜和多個(gè)肥皂膜的擴散(san)速度比較。實驗(yan)結果表明,在測(ce)量氣體流量時(shi)用多個肥皂膜(mo)并保證氣泡兩(liang)側濃度差異較(jiào)小,能夠保證測(ce)量結果的穩定(ding)性和準确性。 0引(yin)言 肥皂膜流量(liàng)計 (也稱爲肥皂(zào)泡流量計),用于(yú)測量壓力接近(jin)環境壓力的微(wēi)🙇♀️小氣體流量。肥(féi)皂膜流量計具(jù)有成本低、操作(zuò)簡單等⛹🏻♀️特點,适(shì)用于任何氣體(ti)或液體流量的(de)檢測,是環保、勞(láo)動衛生、科✨研、工(gong)礦、各大院校等(děng)部門校準中、小(xiao)氣體流量計的(de)必備儀器。皂膜(mo)流量計原理🔞是(shi)利用肥皂液在(zài)标準量管中形(xíng)成皂膜,被測氣(qi)體🤟流入量管時(shí),推動皂膜在量(liàng)管中運動,根據(jù)皂膜在🐪量管中(zhōng)移🔞動相應🚩體積(ji)所用時間,計算(suàn)出氣體的流量(liàng)🙇🏻。時間可以用秒(miǎo)表測量,或者采(cai)用更高精度的(de)光電子計時裝(zhuang)置[2]。采用光🏃♂️電子(zi)計時的電子肥(fei)皂膜流量計相(xiàng)對昂貴,但其精(jing)度🈚更高。 在實際(jì)使用中會出現(xiàn)很多問題。在校(xiao)準氦氣的流速(su)時,肥🌈皂膜在通(tong)過固定體積所(suǒ)需的時間很大(dà)程度上💛取決于(yú)氣泡的量和計(ji)量所用管段的(de)情況。通過解決(jué)在使用肥皂膜(mo)流量計測量極(jí)低速氣流時遇(yù)到的問題,包括(kuò)肥皂膜在不同(tóng)氣體的🏒擴散速(su)度比較;肥皂膜(mó)兩側氣體濃度(dù)差異不同的擴(kuò)散速度比較;單(dān)個肥皂📱膜和多(duō)個肥皂膜的擴(kuò)散速度🐅比較。 1實(shi)驗 肥皂膜流量(liàng)計的實驗裝置(zhì)如圖1所示。氣體(tǐ)(氮氣、氦氣或空(kōng)氣)由氣瓶供應(yīng),上遊壓力通過(guo)壓力調節器設(she)定爲3.4bar(50psi),通過質量(liàng)流量控制器(簡(jian)稱MFC)調節氣體流(liu)速。将待校準的(de)氣流引入到肥(fei)皂膜流量計的(de)刻度玻璃管中(zhong),肥皂膜向上移(yi)動通過不同體(ti)積段(0~10ml,10~20ml,20~30ml,30~40ml和40~50ml)的時間(jian),分别用S1,S2,S3,S4,S5表示。管(guǎn)子出口處的尖(jian)刺刺破肥皂膜(mó),液體沿管壁返(fǎn)回🙇🏻。 2實驗結果 當(dang)使用氦氣時,單(dān)個肥皂泡在MFC的(de)各個開口處通(tong)過❌10ml刻度管段所(suǒ)用時間如圖2所(suo)示。當MFC完全打開(kai)(對應于🐕測得的(de)氣體流♈速爲60.0ml/min)或(huò)調🏃♀️整爲4圈(37.5ml/min)時,肥(féi)皂膜通過每個(ge)段的時間都是(shì)恒定🌈的,即計算(suan)出的氣體流速(sù)是一緻的。此🤩外(wài),對MFC執行4圈關閉(bì),此時氣體流速(sù)爲27.3ml/min。觀察到肥皂(zào)泡通過越靠近(jin)管段出口處的(de)段需要的時💃🏻間(jian)越長,即肥皂泡(pào)的速度在減🚶♀️慢(man)。當MFC設定爲12轉✊時(shi),氣體流速爲9.1ml/min,這(zhe)種現象更爲顯(xian)著。 爲了驗證上(shàng)述現象是否是(shì)由于管子不均(jun)勻引起的,對流(liú)速爲9.8ml/min的空氣和(hé)9.9ml/min的氮氣進行了(le)相同實驗。實驗(yan)結🌈果如💃🏻圖3所示(shi),可以看💁出,對于(yu)空氣,肥皂泡以(yǐ)非常恒定的速(sù)度通過每個部(bù)分👣,而氮氣的通(tōng)過速度會更慢(màn)一些。上述結果(guǒ)表明管的橫截(jie)面是均勻的,肥(fei)皂膜的速❌度降(jiang)低是其他原因(yin)引起的。一種可(kě)能的原因是,如(ru)🔞氦氣這樣的高(gāo)滲透性氣體,向(xiang)環境的擴散減(jian)緩了氣泡🤟的運(yùn)動。擴散快慢很(hěn)大程度上取決(jué)于薄膜兩側的(de)濃度差異。爲了(le)增大管開口處(chù)的氣體濃度,将(jiāng)長而柔軟的軟(ruan)管固定在玻璃(li)管的出👅口上。在(zai)有和沒有封蓋(gài)軟管的情況下(xià)氣泡通過10ml管段(duàn)的時間如圖4所(suo)示。将封蓋軟管(guan)加入管中後(測(cè)量氣體流速爲(wèi)10.2ml/min),保持了肥皂薄(bao)膜兩側氦氣的(de)濃度,在🚩沒有封(fēng)蓋軟管時肥皂(zao)膜兩側氦氣的(de)濃度差異較大(da),氣泡在使用🈲封(fēng)蓋軟管的情況(kuàng)下通過各個管(guǎn)段🈲的時間更加(jiā)均勻。 通常情況(kuang)下,肥皂膜可以(yi)被認爲是彈性(xing)膜。肥皂膜是脂(zhī)肪酸的鈉鹽,肥(féi)皂分子既有親(qin)水性又有親油(yóu)性。肥皂膜📱的質(zhi)量流量公式爲(wèi)[3]: 式中,J爲質量流(liú)量,D爲擴散系數(shu),H爲分配系數,ΔC爲(wèi)濃度差異,1/L爲膜(mó)厚度的倒數。根(gēn)據查普曼-恩斯(si)克理論,非極性(xìng)氣體🌈擴散系數(shu)公式爲: 式中,T爲(wèi)溫度,P爲壓力,σAB爲(wei)分子碰撞直徑(jing),Ω爲分子間碰撞(zhuang)✌️因子,MA爲組分A的(de)摩爾質量,MB爲組(zǔ)分B的摩爾質量(liang)。 實際上,氦氣在(zài)空氣中的擴散(san)系數爲0.735×10-4 m3/S(溫度爲(wei)293K時),遠高于空氣(qì)在氮氣中的擴(kuò)散系數(0.197×10-4 m3/S)。分配系(xì)數H取決于膜的(de)化學🔴結構💚。DH通常(chang)稱爲滲透性,一(yī)般較小分子(如(ru)氦氣和⚽氫氣)的(de)🤩滲透性📐高于較(jiao)大分子(例如氮(dan)氣和氧氣)。氣體(ti)會首先通過皂(zao)膜擴❗散,然後通(tong)過管開口從皂(zào)膜周圍擴散到(dao)周圍環境,這是(shi)肥皂膜在接近(jin)管出口時移動(dong)得越來越慢的(de)原因。勞倫斯使(shi)用光譜分析測(ce)量出皂膜的厚(hou)度(L)在0.2~1.5μm之間變化(hua)。巴古裏和戴維(wéi)森通過加權法(fa)和電導法測量(liàng)出🌐肥皂薄膜的(de)平均厚度爲0.8μm。使(shi)用多個氣泡的(de)🙇♀️肥皂膜流量計(jì)🌈中,由💃🏻于液體從(cong)管中排出,膜的(de)厚度可能會增(zēng)加。 在實驗中還(hái)進行了多個氣(qì)泡和單個氣泡(pào)擴散速度的比(bǐ)較。單個和多個(ge)氣泡通過10ml刻度(du)管的時間如圖(tu)5所示。使用2個氣(qi)泡的擴散問題(tí)略有減小,當使(shi)用5個氣泡時,肥(fei)皂膜移動得更(gèng)均勻。這表明使(shi)用更多的氣泡(pao)會🌏顯著提高測(cè)量的準确性。 3結(jié)語 肥皂膜流量(liang)計廣泛用于氣(qi)體流量校準,但(dan)是在校準高滲(shèn)透性氣體如氦(hai)氣和氫氣時,測(cè)量精度取決于(yu)所用管段的特(tè)性。氣體向環境(jing)的擴散還會減(jiǎn)緩肥皂泡的運(yùn)動👣速度,離管口(kou)越🌐近,這種擴散(san)效應越🛀顯著。實(shi)驗結果表明,在(zai)測量氣體流量(liang)時,用多個肥皂(zào)膜并保證氣泡(pao)兩側濃度差異(yi)較小,能夠保證(zhèng)測❄️量結果的穩(wen)定性和準确性(xìng)。
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