摘 要：文章(zhang)通過肥皂(zao)膜在低流(liu)速氣體中(zhōng)的擴散特(te)點，包括：肥(fei)㊙️皂膜在不(bu)同氣體的(de)擴散速度(dù)比較；肥皂(zào)膜兩🈲側氣(qì)體濃度差(chà)異不同的(de)擴散速度(du)比較；單個(gè)😍肥皂膜和(he)多個肥皂(zào)膜的擴散(san)速度比較(jiào)。實驗結果(guo)表明，在測(cè)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(féi)皂膜流量(liàng)計 （也稱爲(wei)肥皂泡流(liú)量計），用于(yu)測量壓力(li)接近環境(jìng)壓力的微(wei)小氣體流(liu)量。肥皂膜(mo)流量計具(jù)有成本低(di)、操作簡💃🏻單(dān)等特點😍，适(shi)用于任何(he)氣體或液(ye)體流量的(de)檢測，是環(huan)保、勞動衛(wei)生、科研、工(gong)礦、各大院(yuan)校等部門(men)校準中、小(xiao)氣體流量(liàng)計的必備(bèi)儀🐉器。皂膜(mó)流量計原(yuán)理🤞是利用(yong)肥皂✂️液在(zài)标準量🧑🏾‍🤝‍🧑🏼管(guǎn)中形成皂(zào)膜，被測氣(qi)體流入量(liang)管時，推動(dòng)皂膜在量(liang)管中運動(dong)，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(miao)表測量，或(huo)者采用更(gèng)高精度的(de)光🆚電子計(jì)時🔴裝置［2］。采(cai)用光電子(zǐ)計時的電(dian)子肥皂膜(mó)流量計相(xiang)對昂貴，但(dàn)其精度⛹🏻‍♀️更(gèng)高。
　　在實際(ji)使用中會(huì)出現很多(duo)問題。在校(xiao)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(dà)程度上🔴取(qǔ)決于氣泡(pao)的量和計(jì)量所用管(guǎn)段的情況(kuàng)。通過解決(jué)在使用🌂肥(féi)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(zài)不💔同氣體(tǐ)的擴散速(su)度比較；肥(fei)皂膜🐉兩側(cè)氣體濃✔️度(du)差異不同(tóng)的擴散速(su)度比較；單(dan)個肥皂膜(mó)和多個肥(fei)皂膜的擴(kuo)散速度比(bǐ)較。
1實驗
　　肥(féi)皂膜流量(liang)計的實驗(yan)裝置如圖(tú)1所示。氣體(tǐ)（氮氣、氦氣(qì)🐉或空氣）由(yóu)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(jian)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(yí)動通過不(bú)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(biao)示。管子出(chū)口處的尖(jiān)刺刺破肥(fei)皂膜，液體(tǐ)沿管壁返(fǎn)回。

2實驗結(jie)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(tōng)過10ml刻度管(guan)段所用時(shí)間如圖2所(suǒ)示。當ＭＦＣ完全(quan)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(féi)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(su)是一緻的(de)。此外，對ＭＦＣ執(zhí)行📱4圈關閉(bi)，此時氣體(ti)流速爲27.3ml/min。觀(guān)察到肥皂(zào)泡通過越(yue)靠近管🚩段(duan)出口處的(de)段需要的(de)時間越長(zhang)，即肥皂泡(pào)的速度在(zai)減慢。當ＭＦＣ設(she)定爲12轉時(shí)，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(yǐn)起的🙇🏻，對流(liu)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(yan)。實驗結果(guo)如圖3所示(shì)，可以看出(chu)，對于空氣(qi)，肥皂泡以(yǐ)非常恒定(dìng)的速度通(tong)過每🆚個部(bu)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(jié)面是均勻(yún)的🥰，肥皂膜(mó)的速度降(jiàng)低是其他(tā)原因引起(qi)的。一種可(kě)能的原因(yīn)是，如👨‍❤️‍👨氦氣(qi)這樣的高(gāo)滲透性氣(qì)體，向環境(jìng)的擴散減(jiǎn)緩了氣泡(pao)的運動。擴(kuò)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(dà)管開口處(chù)的🐪氣體濃(nóng)度，将長而(er)柔軟🌈的軟(ruǎn)管📧固定在(zài)玻璃管的(de)出😄口上。在(zai)有和沒有(yǒu)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(gài)軟管加入(ru)管中後（測(cè)量氣體流(liú)速爲10.2ml/min），保持(chi)了肥皂薄(bao)膜🌈兩側氦(hài)氣的濃度(du)，在㊙️沒有封(fēng)蓋軟管時(shi)肥皂膜兩(liǎng)側氦氣的(de)濃度差異(yi)較大，氣泡(pào)在使用封(feng)蓋軟管的(de)情況下通(tōng)過各個管(guan)段的時間(jiān)更加均勻(yun)。

　　通常情況(kuang)下，肥皂膜(mo)可以被認(ren)爲是彈性(xìng)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(you)性。肥🏃🏻皂膜(mo)的質量流(liú)量公式爲(wèi)［3］：

式中，Ｊ爲質(zhì)量流量，Ｄ爲(wei)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(dǎo)數。根據查(cha)普曼－恩斯(si)克理論，非(fei)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(zhuàng)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(zu)分Ｂ的摩爾(ěr)質量。
　　實際(ji)上，氦氣在(zai)空氣中的(de)擴散系數(shù)爲0.735×10－4 m3/S（溫度爲(wei)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(qǔ)決于膜的(de)化學結構(gou)。ＤＨ通常稱爲(wèi)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(qì)）。氣體會首(shou)先通過皂(zào)膜擴散，然(rán)後通過管(guǎn)開口🍓從皂(zào)膜周圍擴(kuò)散到周圍(wéi)環境，這是(shi)肥皂膜在(zai)接近管出(chu)口時移動(dong)得越來越(yuè)慢的原因(yin)。勞倫斯使(shi)用光譜分(fèn)析測量出(chu)皂🥰膜的厚(hou)度（Ｌ）在0.2～1.5μｍ之間(jian)變化。巴古(gu)裏和戴維(wéi)森通過加(jiā)權法‼️和電(diàn)導法測量(liang)出肥皂薄(báo)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(ji)中，由❗于液(yè)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(duo)個氣泡和(hé)單個氣泡(pào)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(tú)5所示。使用(yòng)2個氣泡的(de)擴散問題(ti)略有減小(xiao)，當使用5個(gè)氣泡時，肥(féi)皂膜移動(dong)得更均勻(yún)。這表明使(shǐ)用更多的(de)氣泡會顯(xiǎn)著提高測(ce)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(liú)量校準，但(dàn)是在校🤟準(zhun)高滲透性(xing)氣體如氦(hai)氣和氫氣(qi)時，測量精(jing)度取決📐于(yú)所用管段(duàn)的❓特性。氣(qi)體向環境(jing)的擴散還(hai)會減緩肥(féi)皂泡的運(yun)動⁉️速度，離(li)管口越近(jìn)，這種擴散(san)效應越顯(xiǎn)著。實驗結(jie)果表明，在(zài)測量氣體(ti)流量時，用(yòng)多個肥皂(zao)膜并保證(zheng)氣泡兩側(ce)濃度差異(yi)較小🙇‍♀️，能夠(gou)保證測量(liàng)結果的穩(wěn)🏃‍♂️定性和準(zhun)确性。

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