摘 要：文章通過(guo)肥皂膜在低流(liú)速氣體中的擴(kuò)散特點，包括：肥(féi)皂😘膜在不同氣(qì)體的擴散速度(du)比較；肥皂膜兩(liang)側氣體濃度差(cha)異不同的擴散(sàn)速度比較；單個(gè)肥皂膜和多個(ge)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(mó)㊙️并保證氣泡兩(liǎng)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(yǐn)言
　　 肥皂膜流量(liang)計 （也稱爲肥皂(zao)泡流量計），用于(yú)測量壓力接近(jìn)環境壓力的微(wei)小氣體流量。肥(féi)皂膜流量計具(ju)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(lao)動衛生、科💋研、工(gōng)礦、各大院校等(děng)部門校準中、小(xiǎo)氣體流量計㊙️的(de)必備儀器。皂膜(mó)流❓量計原理是(shi)利用肥皂✌️液在(zài)标準量管中形(xing)成皂膜，被測氣(qì)體流入量管時(shi)，推🛀動皂膜在量(liang)管中運動，根據(ju)皂膜在👣量管中(zhong)移動相應🔴體積(jī)所用時間，計算(suan)出氣體的流量(liang)。時間可以用秒(miao)表測量，或者采(cǎi)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(xiang)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(kuo)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(dan)個肥皂膜和多(duō)個肥皂膜的擴(kuo)散速度比較。
1實(shí)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(liang)流量控🆚制器（簡(jiǎn)稱ＭＦＣ）調節氣體流(liú)速。将待校準的(de)氣流引入到肥(féi)皂膜流量計的(de)刻度玻璃管中(zhong)，肥皂膜向上移(yí)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(guan)子出口處的尖(jian)刺刺📱破肥皂膜(mo)，液體沿管壁返(fǎn)👉回。

2實驗結果
　　當(dāng)使用氦氣時，單(dān)個肥皂泡在ＭＦＣ的(de)各個開口處通(tōng)過10ml刻💁度管💚段所(suo)用時間如圖2所(suo)示。當ＭＦＣ完全打開(kāi)（對應于測得的(de)氣體流速爲６0.0ml/min）或(huo)調整爲4圈（37.5ml/min）時，肥(fei)皂膜通過每✉️個(ge)段的時間都是(shi)恒定♉的，即計🤩算(suan)出的🐪氣體流速(su)是一緻的。此外(wài)，對ＭＦＣ執行4圈關閉(bi)，此時氣體流速(su)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(pao)的速度在減慢(màn)。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(xiǎn)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(liu)🐉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(shì)，可以看出，對于(yu)空氣，肥皂泡以(yǐ)非常恒定的速(su)度通過每個部(bu)分，而氮氣♉的通(tōng)過速度會更慢(man)一些。上述結果(guǒ)表明管🔞的橫截(jie)面是均勻的，肥(féi)皂膜的速度降(jiàng)低是其他原因(yin)引起的。一種可(ke)能的原因是，如(ru)氦🔴氣這樣的高(gāo)滲透性氣體，向(xiàng)環境的😍擴散減(jiǎn)緩😄了氣泡的運(yun)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(chu)的氣體濃度，将(jiāng)長而柔軟的軟(ruan)管固定在玻璃(lí)管的出🚶口上。在(zai)有和沒有封蓋(gai)軟管的情況下(xià)氣泡通過10ml管🙇🏻段(duan)的時間如圖4所(suǒ)示。将封蓋軟管(guǎn)加入管中後（測(ce)量😍氣體🌂流速爲(wèi)10.2ml/min），保持了肥皂薄(báo)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(guan)段的時間更加(jia)均勻。

　　通常情況(kuàng)下，肥皂膜可以(yi)被認爲是彈性(xìng)膜。肥皂膜是脂(zhi)❤️肪🏃🏻酸♊的鈉鹽，肥(fei)皂分子既有親(qin)水性又有親油(you)性。肥皂膜的質(zhì)量流量公式爲(wei)［3］：

式中，Ｊ爲質量流(liu)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(sī)克理論，非極性(xing)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(jìng)，Ω爲分子間碰撞(zhuàng)因子🛀，ＭＡ爲組分Ａ的(de)摩爾質量，ＭＢ爲組(zǔ)分Ｂ的摩爾質量(liàng)。
　　實際上，氦氣在(zai)空氣中的擴散(sàn)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(xi)數Ｈ取決于膜的(de)化學結構。ＤＨ通常(cháng)👌稱爲滲透性，一(yi)般較小分子（如(ru)氦氣和氫氣）的(de)滲透性高于較(jiào)大分子（例如氮(dàn)氣和氧氣）。氣體(tǐ)會首先通過皂(zào)膜擴⛷️散，然後通(tōng)過管開口💋從皂(zao)膜周圍擴散到(dao)周圍環境，這是(shi)肥皂膜在接近(jìn)♍管出口時移動(dòng)🐪得越來越慢的(de)原因。勞倫斯使(shi)⛹🏻‍♀️用光譜分析測(cè)量出皂膜的厚(hou)度（Ｌ）在0.2～1.5μｍ之間變化(huà)。巴古裏和🥰戴🔅維(wei)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(shǐ)用多個☁️氣泡的(de)肥皂膜流量計(jì)中，由于液體從(cóng)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(pao)擴散速🎯度🌈的比(bǐ)較。單個和多個(ge)氣泡通過10ml刻度(dù)管的時間如🔴圖(tu)5所示。使用2個氣(qì)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(shǐ)用更多的氣泡(pao)會顯著提高🥵測(ce)量的準确性。

3結(jié)語
　　肥皂膜流量(liàng)計廣泛用于氣(qì)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(ce)量精度取決于(yú)所♍用管段的特(te)性。氣體向環境(jing)的擴散還會減(jian)緩💋肥皂泡的運(yun)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(zài)測量氣體流量(liàng)時，用多個肥皂(zào)膜并保證氣泡(pao)兩側濃度差異(yì)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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