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(féi)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(chà)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(yàn)結果表明，在測(cè)量氣體流量時(shí)用多個肥皂膜(mó)并保證氣🆚泡兩(liang)側濃度差異較(jiào)小，能夠保證測(cè)量結果的穩定(ding)性和準确性。
0引(yǐn)言
　　 肥皂膜流量(liàng)計 （也稱爲肥皂(zao)泡流量計），用于(yu)測量壓力接近(jìn)環境壓力☀️的微(wēi)小氣體流量。肥(fei)皂膜流量計具(jù)有成本低、操☂️作(zuo)簡單等特點，适(shi)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(deng)部門校準中、小(xiao)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(zai)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(ju)皂膜在量管中(zhong)移動相應體積(ji)所用時間，計⛷️算(suàn)出氣體的流量(liang)🔞。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(féi)皂膜流量計相(xiàng)對昂貴，但其精(jīng)度更高。
　　在實際(ji)使用中會出現(xian)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(jì)量所用管段的(de)情況。通🔞過解決(jué)在使用🔞肥皂膜(mó)流量計測量極(ji)低速氣流時遇(yù)到的問⛹🏻‍♀️題，包括(kuo)肥✏️皂膜在不同(tong)氣體的擴散速(sù)度比較；肥皂膜(mo)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(duo)個肥皂膜的擴(kuo)散速度比較。
1實(shí)驗
　　肥皂膜流量(liang)計的實驗裝置(zhi)如圖1所示。氣體(tǐ)（氮氣、氦氣或空(kōng)氣🥵）由氣瓶供應(ying)，上遊壓力通過(guò)壓力調節器設(she)定🔴爲3.4bar（50psi），通過質量(liàng)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(fei)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(jiān)，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(fan)回🤩。

2實驗結果
　　當(dang)使用氦氣時，單(dan)個肥皂泡在ＭＦＣ的(de)各個開口處通(tōng)過10ml刻度管段所(suǒ)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(huò)調整爲4圈（37.5ml/min）時，肥(fei)皂膜通過每個(gè)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(jiān)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(zhè)種現象更爲♋顯(xiǎn)著。

　　爲了驗證上(shang)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(yàn)結果如圖3所示(shì)，可以看出，對于(yu)空氣，肥皂泡以(yi)非常恒定的速(sù)度通過每個部(bu)分💋，而氮氣的通(tong)過速度會更慢(màn)一些。上述結果(guǒ)表明管的橫截(jié)面是均勻的，肥(féi)皂膜的速度降(jiàng)低是其他原因(yīn)引起的。一種可(ke)能🛀的原因是，如(ru)氦氣這樣的高(gao)滲透性氣體，向(xiàng)環境的擴散減(jiǎn)緩🔴了氣泡的運(yùn)動。擴散快慢✌️很(hěn)大程度上取決(jue)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(jiang)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(gài)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(guan)加入管中後（測(cè)量氣體流速爲(wei)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(zào)膜兩側氦氣的(de)✨濃度差異較大(da)，氣泡在使用封(feng)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(kuang)下，肥皂膜可以(yi)被認爲是彈性(xìng)膜。肥皂膜💃是脂(zhī)🆚肪酸✨的鈉鹽，肥(fei)皂分子既有親(qīn)水性又有親油(you)✂️性。肥皂膜的質(zhì)量流量公式爲(wèi)［3］：

式中，Ｊ爲質量流(liú)量，Ｄ爲擴散系數(shù)，Ｈ爲分配系數，ΔＣ爲(wèi)濃度差異，1/Ｌ爲膜(mo)厚度的倒數。根(gen)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(wei)溫度，Ｐ爲壓力，σＡＢ爲(wei)分子碰撞直徑(jing)，Ω爲分子間碰❌撞(zhuàng)🐉因子，ＭＡ爲組分Ａ的(de)摩爾質量，ＭＢ爲組(zu)分Ｂ的摩爾質量(liàng)。
　　實際上，氦氣在(zài)空氣中的擴散(sàn)系數爲0.735×10－4 m3/S（溫度爲(wèi)293Ｋ時），遠高于空氣(qi)在氮氣中的擴(kuo)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(jiao)大分子（例如氮(dan)氣和氧氣）。氣體(tǐ)會首先通過皂(zao)膜擴散，然後通(tōng)過管開口從皂(zao)膜周圍擴散到(dào)周圍環境，這是(shi)肥皂膜在接近(jìn)管出口時移動(dong)🏃‍♀️得越來越慢的(de)⭕原因。勞倫斯使(shǐ)用光譜分析測(ce)量出皂膜的厚(hòu)度（Ｌ）在0.2～1.5μｍ之間變化(huà)。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(shǐ)用多個氣泡的(de)肥皂膜流量計(ji)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(hai)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(gè)氣泡通過10ml刻度(du)管的時間如圖(tú)5所示。使用2個氣(qi)泡的擴散問題(ti)略有減小，當使(shi)用✌️5個氣泡時，肥(fei)皂😘膜移動得更(geng)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(liàng)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(hài)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(jian)緩肥皂泡的運(yùn)動速度，離管口(kou)越近，這種擴散(sàn)效應越顯著。實(shí)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(zheng)測量結果的穩(wěn)定性和準确性(xing)。

以上内容源于(yu)網絡，如有侵權(quán)聯系即删除!