皂膜流量計的誤差分析與改進設計

單保超　施雷庭　劉琛

摘 要：皂膜流量計作為一種簡單、實用的流量測量裝置，在工業(yè)生產、理化分析和科學實驗等各個領域具有廣泛的應用。傳統(tǒng)的皂膜流量計具有結構簡單、使用方便、成本低等多種優(yōu)點，但與此同時，其簡單的結構也帶來了多種誤差來源，對測量結果有著大小不同的影響。該文著重討論了傳統(tǒng)皂膜流量計的一些主要誤差來源以及這些誤差對實驗結果的影響。其次，通過比較的方式，指出了傳統(tǒng)皂膜流量計和電子皂膜流量計使用過程中存在的一些問題。最后，針對這些對于實驗結果影響較大的誤差來源和使用過程中存在的問題，提出一些改進方法，以期獲得更為滿意的實驗結果，發(fā)揮皂膜流量計低成本、高精度的流量測量優(yōu)勢。

關鍵詞：皂膜流量計 誤差分析 存在問題 改進

中圖分類號：TN30 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0001-02

皂膜流量計是我國規(guī)定的標準流量計之一，具有結構簡單、測量結果準確等優(yōu)點，被廣泛應用于科研、教育、工程測試等領域，完成流量檢測與流量校準等工作。目前，測量流量的裝置有很多，例如：轉子流量計、渦輪流量計、孔板流量計等，不同的實驗裝置有不同的應用領域以及各自的優(yōu)缺點。傳統(tǒng)的皂膜流量計采用手掐秒表計時和擠壓皂液啟膜等操作，操作麻煩，準確度低，具有廣泛的誤差來源，對于實驗結果有著大小不同的影響。因此，找出并且分析這些實驗誤差來源對于實驗結果的準確性界定就顯得猶為重要。

1 實驗原理

傳統(tǒng)的皂膜流量計主要由橡膠囊和皂膜管組成，其中橡膠囊與皂膜管之間通過三叉玻璃管連接，三叉管的另一端接外來氣源。擠壓橡膠囊內的肥皂液便可產生皂膜，在外來氣的推動作用下皂膜沿管壁以一定的速度上升，根據標定皂膜管的體積以及測量皂膜經過該體積所需要的時間，便可得到外來氣的流量。為便于分析，我們假設皂膜管為圓柱直體型，即整個皂膜管在標定體積內內徑相同。具體計算公式如下：

2 誤差來源

皂膜流量計的誤差來源是多種多樣的，有些是儀器本身的系統(tǒng)誤差，有些是人為操作誤差，還可為由外部環(huán)境變化引起的誤差。從式①中我們可以看出，對于儀器本身，誤差可能來源于皂膜管內徑，皂膜管的標定高度以及時間的測定。環(huán)境因素主要考慮溫度和壓力的影響。具體來說，可以分為以下幾種類型。

2.1 皂膜管體積變化引起的誤差

皂膜管的標定體積引起的誤差可以分為皂膜管自身體積變化引起的誤差和測量過程中對體積的測量和計算引起的誤差兩部分。

皂膜管內徑和高度一經標定，其大小可近似認為只受溫度變化的影響。玻璃的線膨脹系數的變化范圍在數量級。取皂膜管的線膨脹系數為2×，皂膜管內徑為10 cm，上下標定高度差為60cm，正常使用過程中，環(huán)境溫度變化一般不會超過20K，因此，在溫度可能影響的最大限度內，變化后的皂膜管直徑變?yōu)椋?×0.1×20+0.1）m，變化率為0.004%，標定高度變?yōu)椋?.6+2×）m，變化率為0.004%，根據圓柱空間的體積公式可知皂膜管的體積變化率為0.012，且應用皂膜流量計的實際場合中溫度不會有如此大的變化，因此皂膜管內徑引起的流量誤差應遠小于0.012，可見這種變化對于實驗結果的影響完全可以忽略。

2.2 測量體積誤差

由式①可知，皂膜流量計在使用的過程中需要人為或者利用傳感器等確定皂膜在管中的位置，根據兩位置的高度差求出皂膜經過的體積，從而計算出流量。一般來說，傳感器測量精度要明顯優(yōu)于人為讀取，且方便操作，是對操作者勞動力的一種解放。目前市場上所售的各電子皂膜流量計的一般會有1%的誤差，一般根據實驗者的實驗需求選擇。當然，誤差范圍越小，所用的電子部件越精密，相應的售價也會越高。由于電子皂膜流量計的的測量誤差由設計控制，基本不受人為操作水平的影響，故在此處僅討論傳統(tǒng)皂膜流量計的測量體積誤差。

2.2.1 標定高度讀數誤差

皂膜產生后在外來氣流的推動作用下從下部運行到上部，我們要在皂膜的運動過程中獲取皂膜的位置，這就不可避免的會產生誤差。誤差的大小與皂膜的運動速度以及實驗者的反應速度和靈敏水平有關。一般情況下，皂膜的運動速度在4 cm/s以內時，測量的長度誤差小于0.05 cm。因此，測量體積誤差應小于0.1/ΔL，ΔL為皂膜管的標定的上下刻度線之間的差值。可見標定體積越大，所產生的誤差越小。假如取標定高差為50 cm，那么產生的測量體積誤差約為0.2%。

2.2.2 秒表讀數誤差

一般來說，秒表的操作精度可達到0.1 s，結合人體的反應速度和皂膜的上升速度，秒表處的讀數誤差可以控制在0.1 s之內，因此，秒表讀數誤差可表示為τ/（ΔL/v），若ΔL取50 cm，v取4 cm/s，則誤差為0.8%。

由以上分析，根據絕對誤差計算方法，測量體積誤差應小于1%。

3 兩種流量計的比較

通過上面的分析我們可以得出傳統(tǒng)的皂膜流量計在測量實際流量的過程中，整體的誤差一般在1%以內。而通過調研，我們也發(fā)現：目前所售的普通電子皂膜流量計的測量允許誤差范圍也是1%。因此，兩者在測量精度上相差并不是很大。

電子皂膜流量計操作簡單，可以借助微計算機和傳感器等裝置，實現一鍵式流量的測量，同時避免了繁瑣的手工勞動，對實驗者的操作體驗有了很大的提升。但是，電子皂膜流量計也有自己的缺點。例如說，對于看不到內部構造的電子皂膜流量計，我們很難判斷測量結果的正確性與否，當兩次測量結果出現較大的偏差時，我們也很難判斷哪一次的測量結果為準確值，只能重新測量；對于一般的故障，由于電子皂膜流量計屬于高精度儀器，非專業(yè)人員無法自行修理，處理起來非常麻煩。另外，對于各院校中設置的使用皂膜流量計測流量實驗中，一鍵出結果的電子皂膜流量計不利于同學們對實驗的理解和認識，很難達到實驗目的。

傳統(tǒng)的皂膜流量計價格便宜，原理明了，保養(yǎng)和維修簡單，又有很高的測量精度，仍然受到廣大使用者青睞。在使用過程中，我們可以清楚的確定數據的可用性與否，避免了測量結果出現較大偏差時對值取舍操作不當的問題。但是，傳統(tǒng)皂膜流量計存在的突出問題有：

（1）實驗過程中手掐秒表計時、擠壓皂液啟膜、實驗數據記錄等三種工作需要不斷的在雙手之間切換，測量過程繁瑣。

（2）皂膜管長期開口，會落入許多雜質難以清洗，影響皂膜的穩(wěn)定性。

（3）皂膜管口常會有很多皂膜從皂膜管壁溢出到實驗臺上，影響實驗環(huán)境的清潔性。

4 皂膜流量計的改進

針對上面提到的皂膜流量計的各種缺點，筆者提出以下改進方案。

如圖1所示的改進方案，使用方法和優(yōu)勢如下。

關開關A，開B，擠壓踏板7，則橡膠囊8內的皂液被擠出，從噴頭5噴灑到管壁上，可以實現皂膜管壁的清洗。皂膜管口處的環(huán)形海綿可以實現多余皂液的吸收，避免皂液溢出污染實驗臺。關開關B，開A，擠壓踏板7，則儲液池9內液面上升，與皂膜管下端接觸，實現啟膜，若踩踏踏板用腳完成，則避免了雙手在手掐秒表計時、擠壓皂液啟膜、實驗數據記錄之間切換，從而提高實驗效率以及操作者的舒適度，在一定程度上還能夠減小實驗誤差。此種改良方案不僅適用于手動方案，還可以結合傳感器等制成電子皂膜流量計，滿足不同使用群體的需求，整體設計結構簡單，思路明確，成本較低。

5 結語

該文介紹了傳統(tǒng)皂膜流量計的主要誤差來源以及誤差范圍，指出了傳統(tǒng)皂膜流量計與電子皂膜流量計各自的優(yōu)缺點，并提出了一種既適合于傳統(tǒng)皂膜流量計改進，又適合電子皂膜流量計制作的改進方案，是對皂膜流量計的一種全面而簡要的概括.同時，對于皂膜流量計的使用和改進提供了一種新的思路和方法，有助于皂膜流量計在新時期、新階段繼續(xù)發(fā)揮其流量測量和校準等方面的作用，滿足廣大使用者的使用需求。

參考文獻

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