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皂膜流量計測量氣體小流量及其誤差分析

    在氣體分析儀器中,氣體小流量的準確測量是一個比較困難的問題。由于流量小,即使是微小的變化,也會引起相當大的流量誤差,大大影響儀器的測量精度。但是,采用皂膜流量計測量氣體小流量(每分鐘幾毫升到幾百毫升),就能得到滿意的結(jié)果。
   皂膜流量計是利用肥皂掖在標誰量管中形成皂膜,被測氣體流人量管時,推動皂膜在量管中運動,由單位時間里皂膜在量管中移動的位置,計算出氣體的流量。它簡單、方便、直觀,并且十分準確,所以廣泛用于氣體小流量的測量。
   但是,由于皂膜流量計測量氣體流量時,連續(xù)性受到限制,而且需要進行人工操作和計算,所以,實際上在氣體分析儀器中,特別是在工業(yè)流程氣體分析儀器中,并不采用。通常用它作為傳遞標準(即一次標準),來校正其他形式的流量計(如轉(zhuǎn)子流量計、毛細管壓差式流量計等)。然后再把校正后的其他流量計裝在儀器上使用。    皂膜的質(zhì)量極小,完全可略而不計。皂j與光滑的玻璃量管壁之間的摩擦也十分微小,可以忽略。玻璃的熱膨脹系數(shù)很小,溫度在室溫下變化時,量管的體膨脹也可認為是零。這樣,流經(jīng)皂膜流量計的氣體體積就僅與溫度和壓力有關(guān);而溫度、壓力的影響,可根據(jù)氣體方程,通過計算加以修正,因而皂膜流量計的計量結(jié)果十分。
    但是,僅對溫度、壓力進行修正是不夠嚴格的。因為,當干燥氣體掠過皂液時,皂液中水的飽和蒸氣壓將會對被測氣體的體積產(chǎn)生相當大的影響。隨著干氣不斷掠過,可明顯地看到皂液變少、變濃。對此也必須加以修正。為了保持皂液的濃度與粘度,應在氣路流程中設置一個濕潤器,使被測氣體予先濕潤后再流入皂膜流量計,見圖1。
圖1氣路流程圖
圖1氣路流程圖
    所謂濕潤,就是使氣體濕度與相應溫度下水的飽和蒸汽壓達到平衡,使流過皂膜流量計的氣體體積,實際上由干氣與相應溫度下的飽和水蒸汽所組成。而流過待校流量計的氣體只有干氣,所以必須從皂膜流量計測出的氣體體積中減去飽和水蒸汽的體積。
   0~100°C溫度下水的飽和蒸汽壓強列于下表1中。
表1  0~100°C溫度下的飽和水蒸汽壓強
注:在一定溫度下,液體上面飽和空間內(nèi)(即平衡    狀態(tài)時)的***大蒸汽壓強叫飽和蒸汽壓。在平    衡狀態(tài)時,每單位時間內(nèi)汽化的液體和凝結(jié)的    液體相等,飽和蒸汽壓隨溫度升高而加大。表    中t為溫度,P為水的飽和蒸汽壓強。
    皂膜流量計的出口通大氣,皂膜的質(zhì)量可視為零(即皂膜流量計內(nèi)的氣體不受壓縮),所以,通過皂膜流量計的被測氣體的總壓力等于大氣壓強。從大氣壓強中減去飽和水蒸汽壓,便是干氣的分壓,由此分壓值可求出干氣的真實體積vx;
計算公式
     式中:V-t室溫度時干氣的體積;      P-t}濕度時氣壓計的讀數(shù)〔應將此讀          數(shù)進行濕度(化為標準狀況)、海拔          和緯度修正〕;      p-t}溫度下的飽和水蒸汽壓;      V一皂膜流量計的公稱體積。    轉(zhuǎn)子流量計、毛細管壓差流量計等氣體流量計的流量,會隨溫度和壓力的變化而變化。在分析儀器中,為了準確測量氣體的流量并保持流過儀器的氣量恒定,一般均要將儀器(包括流量計)恒溫,以消除溫度變化的影響(壓力變化的影響可通過調(diào)節(jié)氣阻來補償)。所以,待校流量計的工作濕度(即流經(jīng)待校流量計的氣樣濕度),實際上不是:室,而是t恒。而Vx是t室時的干氣體積。所以,還要對Va進行濕度修正,即流經(jīng)待校流量計的干氣體積實際上為;
計算公式
    式中:為皂膜流經(jīng)皂膜流量計起始線和終止線所需時間。    式(1)即為用皂膜流量計校正氣體流量的計算公式。
    皂膜流量計的誤差分析:
    由計算公式可知,流量Q的準確度由皂膜流量計體積V,氣壓計讀數(shù)P,溫度讀數(shù)t室和t恒,測量時間:等因素決定。
     (1)體積V的影響:皂膜流量計體積V引起的誤差有兩個方面,一是體積V本身的準確性,二是在操作中,觀察皂膜通過起始線與終止線時的讀數(shù)誤差。    皂膜流量計的體積目前均用稱重法來標定。采用一級分析天平,實際稱重操作中,可以達到0.001克的度。設皂膜流量計的體積為V毫升,則由于稱重所引起的誤差為:
計算公式
計算公式

  所以,一般專用的皂膜流量計都不做成圓柱直體形,而是做成中間粗、兩頭細的特殊形式。圖2是我們設計的一種形式,用來校正12升/小時的氣體流量。
圖2皂膜流量計

圖2皂膜流量計
計算公式圖
    即測量精度可優(yōu)于0.5%。這個流量精度已可滿足分析儀器的要求。

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