摘 要：文章(zhāng)通過肥皂(zao)膜在低流(liú)速氣體中(zhōng)的擴散特(tè)點，包括：肥(féi)⛷️皂🚩膜在不(bu)同氣體的(de)擴散速度(du)比較；肥皂(zao)膜兩側氣(qì)體濃度差(cha)異不同的(de)擴散速度(dù)比較；單個(gè)肥皂膜和(hé)多個☎️肥皂(zào)膜的擴散(san)速度比較(jiao)。實驗結果(guo)⛷️表明，在測(cè)🈲量氣體流(liu)量時用多(duō)個肥皂膜(mó)并保證氣(qì)泡兩側濃(nóng)度差異較(jiào)小，能🔱夠保(bǎo)證測量結(jié)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(liu)量計），用于(yu)測量壓力(lì)接近環境(jìng)壓力的微(wei)小氣㊙️體流(liu)量。肥皂膜(mó)流量計具(ju)有成本低(dī)、操🏃‍♂️作簡單(dān)等特點💯，适(shi)用于任何(hé)氣體或液(yè)體流量的(de)檢測，是環(huan)保、勞動🈚衛(wei)生、科✔️研、工(gong)礦🧑🏾‍🤝‍🧑🏼、各大院(yuàn)校等部門(mén)校準中、小(xiǎo)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(zai)标準量管(guan)中形成皂(zào)膜，被測氣(qi)體流入量(liang)管時❓，推動(dòng)皂膜在量(liàng)管🐆中運動(dòng)，根據皂膜(mó)在量管中(zhōng)移動相應(yīng)🏃‍♂️體積所用(yong)時間，計⁉️算(suàn)出氣體的(de)流量。時間(jian)可以用秒(miǎo)表測量，或(huo)者采用更(geng)㊙️高精度的(de)光電子計(jì)時裝置［2］。采(cǎi)用光電子(zi)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(jì)使用中會(huì)出現很多(duo)問題。在校(xiào)準氦氣的(de)流速時，肥(fei)皂膜在通(tong)過固定體(ti)積所需的(de)時間很大(da)程度上取(qu)決于氣泡(pao)的量和計(jì)量所用管(guan)段的情況(kuang)。通過解決(jué)在使用肥(féi)皂膜流量(liang)計✍️測量極(jí)低速氣流(liu)時遇到的(de)問題，包括(kuò)肥皂膜在(zài)不同氣體(tǐ)的擴散速(sù)度❤️比較；肥(fei)皂膜☀️兩側(ce)氣體濃度(dù)差異不同(tóng)的擴散速(sù)度比較；單(dān)個肥皂膜(mo)和多個肥(féi)皂膜的擴(kuò)散速度⭕比(bi)較。
1實驗
　　肥(féi)皂膜流量(liang)計的實驗(yan)裝置如圖(tu)1所示。氣體(tǐ)（氮氣、氦氣(qì)或♋空氣☁️）由(you)氣瓶供應(yīng)，上遊壓力(li)通過壓力(lì)調節器設(shè)定💁爲3.4bar（50psi），通過(guo)質量流量(liàng)控制器（簡(jiǎn)稱ＭＦＣ）調節氣(qì)體流速。将(jiang)待校準的(de)氣流引入(rù)💋到肥皂膜(mó)流量計的(de)刻度玻🌍璃(lí)管中，肥皂(zao)膜向上移(yí)動通過不(bu)同體積段(duan)（0～10ml，10～20ml，20～30ml，30～40ml和40～50ml）的時間(jiān)，分别用S1，S2，S3，S4，S5表(biǎo)示。管子出(chū)口處的尖(jiān)刺刺破肥(fei)皂膜，液體(ti)沿管壁返(fǎn)回㊙️。

2實驗結(jie)果
　　當使用(yong)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(guǎn)段所用時(shí)間如圖2所(suo)示。當ＭＦＣ完全(quán)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(shì)恒定的，即(jí)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(guan)察🐪到肥皂(zào)泡通過越(yuè)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(zài)減慢。當ＭＦＣ設(shè)定爲12轉時(shí)，氣⭐體流速(sù)爲9.1ml/min，這種現(xiàn)象更爲顯(xiǎn)著。

　　爲了驗(yàn)證上述現(xiàn)象是否是(shì)由于管子(zǐ)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(qì)，肥皂泡以(yi)非常恒定(ding)的速度💰通(tong)過每⛷️個部(bù)分，而氮氣(qi)的通過速(su)度👈會更慢(man)一些。上述(shù)結果表明(ming)管的橫截(jie)面是均勻(yun)的，肥皂膜(mo)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(gao)滲🌈透性氣(qì)體，向環境(jing)的擴散減(jiǎn)緩了氣泡(pào)的運動。擴(kuo)散快慢很(hěn)大程度上(shàng)取決💃于薄(báo)膜兩側的(de)濃度差異(yi)。爲了增大(da)❄️管開口處(chu)的氣體濃(nong)度，将長而(ér)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(guan)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(gai)✔️軟管加入(rù)管中後（測(cè)量🐆氣體流(liú)速爲10.2ml/min），保持(chí)了肥皂薄(báo)膜兩側氦(hai)氣的濃度(dù)，在沒有封(fēng)蓋軟管時(shí)肥皂膜兩(liang)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(kuàng)下，肥皂膜(mo)可以被認(ren)爲是彈性(xing)膜。肥皂膜(mó)是脂🔴肪✏️酸(suān)的鈉鹽，肥(féi)皂分子既(ji)有親水性(xing)又有親油(you)性。肥🐉皂膜(mó)的質量流(liu)💰量公♋式爲(wèi)［3］：

式中，Ｊ爲質(zhì)量流量，Ｄ爲(wèi)擴散系數(shù)，Ｈ爲分配系(xi)數，ΔＣ爲濃度(du)差異，1/Ｌ爲膜(mo)厚☀️度的倒(dao)數。根據查(cha)普曼－恩斯(sī)克理論，非(fēi)🚶極性氣體(ti)擴散💛系數(shu)公式爲：

　　式(shì)中，Ｔ爲溫度(du)，Ｐ爲壓力，σＡＢ爲(wei)分子碰撞(zhuàng)直徑，Ω爲分(fen)子間碰撞(zhuàng)因子，ＭＡ爲組(zu)分Ａ的摩爾(ěr)質量，ＭＢ爲組(zǔ)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(fen)配系數Ｈ取(qǔ)決于膜的(de)👉化學結構(gou)㊙️。ＤＨ通常✌️稱爲(wei)滲透性，一(yi)般較小分(fen)子（如氦氣(qì)和氫氣）的(de)滲透性高(gāo)于較大分(fen)子♉（例如氮(dan)氣和氧氣(qi)）。氣體會首(shou)先通過皂(zao)膜擴💁散，然(ran)後通🔞過管(guan)開口♌從皂(zao)膜周圍擴(kuo)散到周圍(wei)環境，這是(shi)肥皂膜在(zai)接近🏃🏻管出(chū)口時移❗動(dòng)得越來越(yue)慢的🛀🏻原因(yīn)。勞倫斯使(shǐ)用光譜分(fen)析測量出(chu)皂膜的厚(hòu)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(liàng)出💰肥皂薄(bao)膜的平均(jun)厚度爲0.8μｍ。使(shi)用多個氣(qi)泡的肥皂(zao)膜流量計(jì)🤞中，由于液(ye)體從管中(zhōng)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(he)單個氣泡(pao)擴散速度(dù)的比較🎯。單(dan)個和多個(gè)氣泡通過(guo)10ml刻度管的(de)時間如👌圖(tu)5所示。使用(yòng)2個氣泡的(de)擴散問題(tí)略有減小(xiao)，當使用5個(ge)氣泡⛹🏻‍♀️時，肥(fei)皂💯膜移動(dòng)得更均⛷️勻(yún)。這表明使(shi)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(liang)計廣泛用(yong)于氣體流(liú)量校準，但(dàn)是在校🏃‍♂️準(zhun)高👌滲透性(xìng)氣體如氦(hài)氣和氫氣(qì)時，測量精(jīng)度取決于(yú)所用管段(duan)的特性。氣(qi)體向環境(jing)的擴散還(hái)會減緩肥(féi)皂泡的運(yùn)動速度，離(lí)管口越近(jin)，這種擴散(sàn)效應越顯(xian)著。實驗結(jié)果表明，在(zai)測量氣㊙️體(ti)流量時，用(yòng)多個肥🍓皂(zao)膜并保證(zheng)氣泡兩側(cè)濃度差異(yì)較小，能夠(gòu)保證測量(liàng)結果的穩(wen)定性和準(zhǔn)确性。

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