皂膜流量計(jì)測(cè)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(zhǔn)確測(cè)量是一個(gè)比較困難的問(wèn)題。由于流量小,即使是微小的變化,也會(huì)引起相當(dāng)大的流量誤差,大大影響儀器的測(cè)量精度。但是,采用皂膜流量計(jì)測(cè)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(jì)是利用肥皂掖在標(biāo)誰(shuí)量管中形成皂膜,被測(cè)氣體流人量管時(shí),推動(dòng)皂膜在量管中運(yùn)動(dòng),由單位時(shí)間里皂膜在量管中移動(dòng)的位置,計(jì)算出氣體的流量。它簡(jiǎn)單、方便、直觀,并且十分準(zhǔn)確,所以廣泛用于氣體小流量的測(cè)量。
但是,由于皂膜流量計(jì)測(cè)量氣體流量時(shí),連續(xù)性受到限制,而且需要進(jìn)行人工操作和計(jì)算,所以,實(shí)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(biāo)準(zhǔn)(即一次標(biāo)準(zhǔn)),來(lái)校正其他形式的流量計(jì)(如轉(zhuǎn)子流量計(jì)、毛細(xì)管壓差式流量計(jì)等)。然后再把校正后的其他流量計(jì)裝在儀器上使用。 皂膜的質(zhì)量極小,完全可略而不計(jì)。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(shí),量管的體膨脹也可認(rèn)為是零。這樣,流經(jīng)皂膜流量計(jì)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(guò)計(jì)算加以修正,因而皂膜流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果十分。
但是,僅對(duì)溫度、壓力進(jìn)行修正是不夠嚴(yán)格的。因?yàn)?,?dāng)干燥氣體掠過(guò)皂液時(shí),皂液中水的飽和蒸氣壓將會(huì)對(duì)被測(cè)氣體的體積產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。隨著干氣不斷掠過(guò),可明顯地看到皂液變少、變濃。對(duì)此也必須加以修正。為了保持皂液的濃度與粘度,應(yīng)在氣路流程中設(shè)置一個(gè)濕潤(rùn)器,使被測(cè)氣體予先濕潤(rùn)后再流入皂膜流量計(jì),見圖1。
圖1氣路流程圖
所謂濕潤(rùn),就是使氣體濕度與相應(yīng)溫度下水的飽和蒸汽壓達(dá)到平衡,使流過(guò)皂膜流量計(jì)的氣體體積,實(shí)際上由干氣與相應(yīng)溫度下的飽和水蒸汽所組成。而流過(guò)待校流量計(jì)的氣體只有干氣,所以必須從皂膜流量計(jì)測(cè)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(qiáng)列于下表1中。
注:在一定溫度下,液體上面飽和空間內(nèi)(即平衡 狀態(tài)時(shí))的***大蒸汽壓強(qiáng)叫飽和蒸汽壓。在平 衡狀態(tài)時(shí),每單位時(shí)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(qiáng)。
皂膜流量計(jì)的出口通大氣,皂膜的質(zhì)量可視為零(即皂膜流量計(jì)內(nèi)的氣體不受壓縮),所以,通過(guò)皂膜流量計(jì)的被測(cè)氣體的總壓力等于大氣壓強(qiáng)。從大氣壓強(qiáng)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(shí)體積vx;
式中:V-t室溫度時(shí)干氣的體積; P-t}濕度時(shí)氣壓計(jì)的讀數(shù)〔應(yīng)將此讀 數(shù)進(jìn)行濕度(化為標(biāo)準(zhǔn)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(jì)的公稱體積。 轉(zhuǎn)子流量計(jì)、毛細(xì)管壓差流量計(jì)等氣體流量計(jì)的流量,會(huì)隨溫度和壓力的變化而變化。在分析儀器中,為了準(zhǔn)確測(cè)量氣體的流量并保持流過(guò)儀器的氣量恒定,一般均要將儀器(包括流量計(jì))恒溫,以消除溫度變化的影響(壓力變化的影響可通過(guò)調(diào)節(jié)氣阻來(lái)補(bǔ)償)。所以,待校流量計(jì)的工作濕度(即流經(jīng)待校流量計(jì)的氣樣濕度),實(shí)際上不是:室,而是t恒。而Vx是t室時(shí)的干氣體積。所以,還要對(duì)Va進(jìn)行濕度修正,即流經(jīng)待校流量計(jì)的干氣體積實(shí)際上為;
式中:為皂膜流經(jīng)皂膜流量計(jì)起始線和終止線所需時(shí)間。 式(1)即為用皂膜流量計(jì)校正氣體流量的計(jì)算公式。
皂膜流量計(jì)的誤差分析:
由計(jì)算公式可知,流量Q的準(zhǔn)確度由皂膜流量計(jì)體積V,氣壓計(jì)讀數(shù)P,溫度讀數(shù)t室和t恒,測(cè)量時(shí)間:等因素決定。
(1)體積V的影響:皂膜流量計(jì)體積V引起的誤差有兩個(gè)方面,一是體積V本身的準(zhǔn)確性,二是在操作中,觀察皂膜通過(guò)起始線與終止線時(shí)的讀數(shù)誤差。 皂膜流量計(jì)的體積目前均用稱重法來(lái)標(biāo)定。采用一級(jí)分析天平,實(shí)際稱重操作中,可以達(dá)到0.001克的度。設(shè)皂膜流量計(jì)的體積為V毫升,則由于稱重所引起的誤差為:
所以,一般專用的皂膜流量計(jì)都不做成圓柱直體形,而是做成中間粗、兩頭細(xì)的特殊形式。圖2是我們?cè)O(shè)計(jì)的一種形式,用來(lái)校正12升/小時(shí)的氣體流量。
圖2皂膜流量計(jì)
即測(cè)量精度可優(yōu)于0.5%。這個(gè)流量精度已可滿足分析儀器的要求。