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(zhǔn)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(dāng)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(biāo)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)(即一次標(biāo)準(zhǔn))，來校正其他形式的流量計(如轉(zhuǎn)子流量計、毛細(xì)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(rèn)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(yán)格的。因為，當(dāng)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(dāng)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(yīng)在氣路流程中設(shè)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
所謂濕潤，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，使流過皂膜流量計的氣體體積，實際上由干氣與相應(yīng)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。
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；
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(yīng)將此讀 數(shù)進行濕度(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一皂膜流量計的公稱體積。 轉(zhuǎn)子流量計、毛細(xì)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(zhǔn)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；
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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)定。采用一級分析天平，實際稱重操作中，可以達(dá)到0.001克的度。設(shè)皂膜流量計的體積為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是我們設(shè)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
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。