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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