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皂膜流量计测量气体小流量及其误差分析


文章日期:2018-06-16|阅读数:


    在气体分析仪器中,气体小流量的准确测量是一个比较困难的问题。由于流量小,即使是微小的变化,也会引起相当大的流量误差,大大影响仪器的测量精度。但是,采用皂膜流量计测量气体小流量(每分钟几毫升到几百毫升),就能得到满意的结果。
   皂膜流量计是利用肥皂掖在标谁量管中形成皂膜,被测气体流人量管时,推动皂膜在量管中运动,由单位时间里皂膜在量管中移动的位置,计算出气体的流量。它简单、方便、直观,并且十分准确,所以广泛用于气体小流量的测量。
   但是,由于皂膜流量计测量气体流量时,连续性受到限制,而且需要进行人工操作和计算,所以,实际上在气体分析仪器中,特别是在工业流程气体分析仪器中,并不采用。通常用它作为传递标准(即一次标准),来校正其他形式的流量计(如转子流量计、毛细管压差式流量计等)。然后再把校正后的其他流量计装在仪器上使用。    皂膜的质量极小,完全可略而不计。皂j与光滑的玻璃量管壁之间的摩擦也十分微小,可以忽略。玻璃的热膨胀系数很小,温度在室温下变化时,量管的体膨胀也可认为是零。这样,流经皂膜流量计的气体体积就仅与温度和压力有关;而温度、压力的影响,可根据气体方程,通过计算加以修正,因而皂膜流量计的计量结果十分。
    但是,仅对温度、压力进行修正是不够严格的。因为,当干燥气体掠过皂液时,皂液中水的饱和蒸气压将会对被测气体的体积产生相当大的影响。随着干气不断掠过,可明显地看到皂液变少、变浓。对此也必须加以修正。为了保持皂液的浓度与粘度,应在气路流程中设置一个湿润器,使被测气体予先湿润后再流入皂膜流量计,见图1。
图1气路流程图
图1气路流程图
    所谓湿润,就是使气体湿度与相应温度下水的饱和蒸汽压达到平衡,使流过皂膜流量计的气体体积,实际上由干气与相应温度下的饱和水蒸汽所组成。而流过待校流量计的气体只有干气,所以必须从皂膜流量计测出的气体体积中减去饱和水蒸汽的体积。
   0~100°C温度下水的饱和蒸汽压强列于下表1中。
表1  0~100°C温度下的饱和水蒸汽压强
注:在一定温度下,液体上面饱和空间内(即平衡    状态时)的***大蒸汽压强叫饱和蒸汽压。在平    衡状态时,每单位时间内汽化的液体和凝结的    液体相等,饱和蒸汽压随温度升高而加大。表    中t为温度,P为水的饱和蒸汽压强。
    皂膜流量计的出口通大气,皂膜的质量可视为零(即皂膜流量计内的气体不受压缩),所以,通过皂膜流量计的被测气体的总压力等于大气压强。从大气压强中减去饱和水蒸汽压,便是干气的分压,由此分压值可求出干气的真实体积vx;
计算公式
     式中:V-t室温度时干气的体积;      P-t}湿度时气压计的读数〔应将此读          数进行湿度(化为标准状况)、海拔          和纬度修正〕;      p-t}温度下的饱和水蒸汽压;      V一皂膜流量计的公称体积。    转子流量计、毛细管压差流量计等气体流量计的流量,会随温度和压力的变化而变化。在分析仪器中,为了准确测量气体的流量并保持流过仪器的气量恒定,一般均要将仪器(包括流量计)恒温,以消除温度变化的影响(压力变化的影响可通过调节气阻来补偿)。所以,待校流量计的工作湿度(即流经待校流量计的气样湿度),实际上不是:室,而是t恒。而Vx是t室时的干气体积。所以,还要对Va进行湿度修正,即流经待校流量计的干气体积实际上为;
计算公式
    式中:为皂膜流经皂膜流量计起始线和终止线所需时间。    式(1)即为用皂膜流量计校正气体流量的计算公式。
    皂膜流量计的误差分析:
    由计算公式可知,流量Q的准确度由皂膜流量计体积V,气压计读数P,温度读数t室和t恒,测量时间:等因素决定。
     (1)体积V的影响:皂膜流量计体积V引起的误差有两个方面,一是体积V本身的准确性,二是在操作中,观察皂膜通过起始线与终止线时的读数误差。    皂膜流量计的体积目前均用称重法来标定。采用一级分析天平,实际称重操作中,可以达到0.001克的度。设皂膜流量计的体积为V毫升,则由于称重所引起的误差为:
计算公式
计算公式

  所以,一般专用的皂膜流量计都不做成圆柱直体形,而是做成中间粗、两头细的特殊形式。图2是我们设计的一种形式,用来校正12升/小时的气体流量。
图2皂膜流量计

图2皂膜流量计
计算公式图
    即测量精度可优于0.5%。这个流量精度已可满足分析仪器的要求。


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