持續(xù)潤濕與測量區(qū)間對自產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)的影響研究

郭美榮，張 輝

(北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

自產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)[1]是一種能夠自動(dòng)產(chǎn)泡并且對氣體流量進(jìn)行連續(xù)計(jì)量的容積式流量計(jì)。皂膜流量計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)產(chǎn)泡前，主要用于微小氣量測量與檢定，遵循國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 586-2006[2]。無論是直讀式玻璃管皂膜流量計(jì)，還是電子皂膜流量計(jì)，在測量氣體流量時(shí)，一般少于10次。通過測量值的極差和極差系數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，其準(zhǔn)確度等級最高可達(dá)0.5。同樣，JJG 633-2005[3]規(guī)定采用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對氣體容積式流量計(jì)進(jìn)行檢定時(shí)，將重復(fù)測量次數(shù)擴(kuò)大到17次，準(zhǔn)確度等級為0.2。一些電子皂膜流量計(jì)[4]也按上述規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。

持續(xù)潤濕自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)是在遵循以上國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，自行設(shè)計(jì)的一種自產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)，可以有效保證濕潤效果。本文針對皂膜流量計(jì)測量結(jié)果的各種影響因素，對自設(shè)計(jì)的持續(xù)潤濕自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)在被測氣量大小、皂液種類、皂液濃度、皂管粗細(xì)、上下限傳感器間有效距離長短、測量區(qū)間位置、皂管是否持續(xù)潤濕等各方面的使用情況進(jìn)行系統(tǒng)化研究，找出氣體流量變化規(guī)律[5-6]，分析氣體流量變化的形成原因，為實(shí)際應(yīng)用者提供技術(shù)參考。

1 持續(xù)潤濕自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)

持續(xù)潤濕自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)[7]的結(jié)構(gòu)包括自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)[8](以下簡稱流量計(jì))和皂液循環(huán)裝置兩部分。流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

流量計(jì)的下部與上部裝有下光電傳感器和上光電傳感器，用于對皂膜的起始與結(jié)束進(jìn)行檢測。有皂膜遮擋時(shí)，傳感器產(chǎn)生3～5 V高電平；無皂膜時(shí)，產(chǎn)生0～1 V低電平[9]，分別通過RS-232的第6引腳數(shù)據(jù)設(shè)置(data set ready,DSR)和第8引腳清除并發(fā)送(clear to send,CTS)傳至上位機(jī)[10]。通過程序記錄皂膜通過兩個(gè)傳感器的時(shí)間，獲得時(shí)間差。根據(jù)兩個(gè)傳感器間皂管的體積，計(jì)算所測氣體的流量。皂膜通過下、上光電傳感器后，程序會(huì)啟動(dòng)超時(shí)限定，檢測皂膜中間破滅和溢出皂管破滅，能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過RS-232的第7根引腳RTS輸出高電平，通過電路板驅(qū)動(dòng)推拉式電磁鐵，使重錘下降浸入皂液中，皂管中液位上升。當(dāng)液位超過皂管進(jìn)氣口上沿位置時(shí)，發(fā)送請求(request to send,RTS)輸出低電平，電磁鐵斷電，使重錘升起，皂管中液位下降。當(dāng)皂液下降至進(jìn)氣口上沿時(shí)，開始有皂泡產(chǎn)生。隨著液位的不斷下降，皂泡逐漸長大，并沿皂管內(nèi)壁從皂液表面“剝離”，形成平行于液面的“皂膜”，在氣體的推動(dòng)下向上移動(dòng)。

圖1中的升降臺可以調(diào)節(jié)重錘一側(cè)皂液的高度，使初始液位與皂管進(jìn)氣口下沿平齊，保證重錘下降時(shí)，液位上升能夠漫過進(jìn)氣口上沿。

皂液循環(huán)裝置主要由供液槽和溢流槽組成，供液槽橫截面積大，液位始終不變，從而保證供液槽液面與皂管出口間的高度差恒定。經(jīng)導(dǎo)液管內(nèi)的棉芯流到皂管內(nèi)壁的皂液量基本不變，從而保持穩(wěn)定的潤濕效果。當(dāng)皂管內(nèi)的液位升高后，周期性下降的重錘會(huì)將多余的皂液通過溢流軟管排至溢流槽內(nèi)，從而形成一個(gè)控制皂管內(nèi)液位恒定的循環(huán)系統(tǒng)。因此，需要操作者通過滴管將溢流槽內(nèi)的皂液不斷移至供液槽，或通過微型泵自動(dòng)循環(huán)。

2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)內(nèi)容：①改變測量區(qū)間長度對氣體流量的影響；②改變測量區(qū)間位對氣體流量的影響；③是否持續(xù)潤濕對氣體流量的影響。

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用兩種規(guī)格皂管：一種為50 mL，內(nèi)徑16 mm，長430 mm；另一種為100 mL，內(nèi)徑19 mm，長480 mm。HGJL-1509T型開關(guān)電源可將220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?～24 V直流電，為電路板和推拉式電磁鐵供電。SRD-05VDC-SL-C型繼電器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)電磁鐵的開關(guān)控制。試驗(yàn)選取市售泡泡水配制皂液。

2.2 試驗(yàn)過程

改變測量區(qū)間長度試驗(yàn)選取50 mL皂管，將下光電傳感器固定于皂管的0 mL刻度線位置，上光電傳感器分別固定于10 mL、15 mL、20 mL、35 mL和45 mL刻度線。試驗(yàn)前，按JJG 586-2006規(guī)程對皂管進(jìn)行清洗，泡泡水和水按1∶10比例配制為試驗(yàn)用皂液。將皂管內(nèi)壁用所配制皂液充分潤濕，然后固定于支架上，運(yùn)行程序，自動(dòng)收集數(shù)據(jù)。

改變測量區(qū)間位置試驗(yàn)選取100 mL皂管，將下光電傳感器置于0 mL刻度線，移動(dòng)上光電傳感器分別置于20 mL、40 mL、60 mL和80 mL刻度線，稱為“20 mL_自下而上”、“40 mL_自下而上”、“60 mL_自下而上”和“80 mL_自下而上”。同理，將上光電傳感器置于100 mL刻度線，以此為基線移動(dòng)下光電傳感器，分別置于80 mL、60 mL、40 mL和20 mL刻度線，稱為“20mL_自上而下”、“40 mL_自上而下”、“60 mL_自上而下”和“80 mL_自上而下”。將泡泡水與水按1∶1比例配成不同濃度皂液。

是否持續(xù)潤濕試驗(yàn)選取50 mL皂管，將泡泡水與水按1∶2、1∶5和1∶10比例配成不同濃度皂液。下光電傳感器置于0 mL刻度線，上光電傳感器置于45 mL刻度線。持續(xù)潤濕時(shí)保證供液槽內(nèi)液位高于皂管出口高度120 mm，觀察皂管內(nèi)壁有液膜附著；非持續(xù)潤濕是在試驗(yàn)初始時(shí)僅潤濕一次，在之后的連續(xù)測量過程中不再進(jìn)行潤濕。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 測量區(qū)間長度

針對相同氣源，改變測量區(qū)間長度，得到對應(yīng)的氣體流量對比曲線如圖2所示。可以看出，每一條曲線都對應(yīng)兩種狀態(tài)，一種是平衡狀態(tài)，即時(shí)間足夠長，所測流量達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，然后基本保持不變，在曲線中出現(xiàn)一“平臺”；另一種為過渡狀態(tài)，即從開始測量到平衡狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)變化過程，測量曲線中表現(xiàn)為“下坡”。測量區(qū)間越短，過渡狀態(tài)對應(yīng)時(shí)間越長，這種變化趨勢越緩慢。由10 mL和15 mL曲線可以看出，這種緩慢變化出現(xiàn)的“階梯”現(xiàn)象，達(dá)到平衡狀態(tài)后，對應(yīng)的流量值較大。測量區(qū)間越長，過渡狀態(tài)經(jīng)歷的時(shí)間越短，曲線越陡，35 mL和45 mL曲線出現(xiàn)明顯的下滑態(tài)勢，很快趨于平衡狀態(tài)，穩(wěn)定后對應(yīng)的測量值較小。同樣的氣源氣量，由于測量區(qū)間長度的變化，會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定后的測量值出現(xiàn)誤差。

圖2 不同測量區(qū)間長度氣體流量對比曲線

3.2 測量區(qū)間位置

采用相同氣源，選取相同長度測量區(qū)間，只是改變測量區(qū)間的位置，相當(dāng)于將上、下光電傳感器間的距離固定，沿皂管方向上下移動(dòng)，一種自上而下，另一種自下而上。不同測量區(qū)間位置氣體流量對比如圖3所示。各位置測得的流量值明顯不同。無論固定體積取多大，自下而上測量值都較大；反之，自上而下測量值普遍較小。由于本次試驗(yàn)采用的是100 mL皂管，測量時(shí)間較短，并且泡泡水與水比例為1∶1，對皂管的潤濕性能較好，曲線基本保持“平臺”狀態(tài)。

圖3 不同測量區(qū)間位置氣體流量對比圖

3.3 持續(xù)潤濕與初始潤濕

持續(xù)濕潤與初潤條件下，氣體流量對比如圖4所示。

圖4 持續(xù)潤濕與初潤條件下氣體流量對比圖

為了獲得持續(xù)穩(wěn)定的“平臺”式測量曲線，設(shè)計(jì)了持續(xù)潤濕與初始潤濕對比試驗(yàn)。采用不同濃度的泡泡水皂液，對兩種工況進(jìn)行了長時(shí)間的測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于相同的皂液，持續(xù)潤濕自始至終都會(huì)保持相同的測量值，呈現(xiàn)一條水平直線，這與設(shè)計(jì)構(gòu)想相吻合。僅在初始時(shí)刻潤濕皂管，隨著時(shí)間的延長，測得值不斷下降，最后趨于一穩(wěn)定值，這與改變測量區(qū)間長度結(jié)果一致。由此說明，連續(xù)測量沒有實(shí)現(xiàn)JJG 586-2006所規(guī)定的獨(dú)立試驗(yàn)條件，每次試驗(yàn)都是在潤濕狀況發(fā)生變化的條件下進(jìn)行的，這是自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)面臨的最大問題。而消除辦法是采用持續(xù)潤濕，達(dá)到每次試驗(yàn)都相同的條件。當(dāng)皂液濃度不同時(shí)，向泡泡水中加入的水越多，初始潤濕后試驗(yàn)測得值很快便“下跌”至平衡狀態(tài)穩(wěn)定值，說明水對皂膜的潤濕效果影響較大。

3.4 結(jié)果分析

皂管內(nèi)壁不同潤濕狀態(tài)下皂膜的受力分析如圖5所示。

圖5 受力分析示意圖

皂液在皂管內(nèi)壁形成潤濕層的厚度與皂液性質(zhì)有關(guān)，即取決于皂液的潤濕角與表面張力。試驗(yàn)前，皂管被皂液潤濕后，內(nèi)壁自上而下形成均勻的液膜，稱為潤濕層。隨著時(shí)間的延長：一方面被測氣體流經(jīng)皂管內(nèi)部時(shí)，會(huì)帶走內(nèi)壁液膜表層蒸汽分子，加快液膜的蒸發(fā)過程，導(dǎo)致液膜變薄，越靠近液面，蒸汽壓越大，內(nèi)壁潤濕性相對較好，離皂管口越近，被氣體帶走的皂液無法及時(shí)補(bǔ)充，最先出現(xiàn)潤濕層消失；另一方面，附著在內(nèi)壁的皂液由于自身重力的作用不斷下滑，導(dǎo)致靠近液面的潤濕層“堆積變厚”，而皂管上部被“拉薄”，雖然皂膜在上升過程中會(huì)以波浪式擠壓內(nèi)壁潤濕層向上移動(dòng)，但由于間隔時(shí)間較長，這種效果并不顯著。“流動(dòng)氣體”與“自身重力”雙重作用導(dǎo)致在皂管上部最先出現(xiàn)潤濕層的萎縮，形成“片”狀的局部潤濕狀態(tài)，稱為“半潤濕層”。時(shí)間進(jìn)一步延長后，皂管上部沒有皂液補(bǔ)充，局部的液滴完全蒸發(fā)完畢，露出皂管內(nèi)壁，失去與皂液間的潤濕效果，稱為“干燥層”。

當(dāng)“皂泡”被進(jìn)入的氣體從皂液表面“剝離”形成“皂膜”后，在氣體的驅(qū)動(dòng)下，以“活塞”形式向上運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，皂膜較厚，如圖5所示，皂膜在潤濕層形成的軌道上滑動(dòng)，將皂膜放大為“液柱”。液柱與潤濕層在上部和下部形成的潤濕角分別為上潤濕角θup1和下潤濕角θdown1。將液柱視為一個(gè)獨(dú)立研究對象，皂液對其向上與向下的表面張力作用大小相等，方向相反，相互抵消。當(dāng)皂膜進(jìn)入半潤濕層后，上潤濕角一邊與局部液滴作用，一邊與裸露的內(nèi)壁作用，形成的潤濕角θup2較大，向上的表面張力變小；而下潤濕角θdown2基本不變，向下的表面張力基本保持恒定，導(dǎo)致皂膜受到向上的合力減小，相當(dāng)于阻力增加，皂膜速度減慢。當(dāng)皂膜進(jìn)入干燥層后，由于缺少了潤濕層，下潤濕角θdown3增大，表面張力對皂膜向下的拉力減小；上潤濕角θup3由銳角增大到鈍角，表面張力方向由向上改為向下，即此時(shí)皂膜受到表面張力的合力方向向下，導(dǎo)致皂膜前進(jìn)的阻力進(jìn)一步增強(qiáng)，皂膜速度更慢。

由以上分析可以看出，皂膜在潤濕層行進(jìn)時(shí)為初始平衡狀態(tài)，在裸露皂管內(nèi)壁行進(jìn)為最終平衡狀態(tài)，在半潤濕層為過渡狀態(tài)。

結(jié)合試驗(yàn)研究，在改變測量區(qū)間長度和初始潤濕過程中，由于僅在測量前進(jìn)行一次性潤濕，后續(xù)沒有繼續(xù)保持潤濕的狀態(tài)，皂膜經(jīng)歷了潤濕層、半潤濕層和干燥層，受到的行進(jìn)阻力不斷加大，因此，表現(xiàn)為皂膜速度逐漸降低。而持續(xù)潤濕試驗(yàn)說明，及時(shí)補(bǔ)加皂液能夠保護(hù)皂管內(nèi)壁潤濕層，皂膜可以在光滑膜層上無阻力運(yùn)動(dòng)，因此，測量值不僅穩(wěn)定，而且數(shù)值較大，驗(yàn)證了上述分析過程的正確性。此外，改變測量區(qū)間長度時(shí)，自下而上距離越短，潤濕層保存得越好，測量值越大；越往上，潤濕層越薄，出現(xiàn)斷裂破壞區(qū)，測量值開始下降，并且數(shù)值減小。

改變測量區(qū)間長度時(shí)，越靠近皂液液面，潤濕層越厚，皂膜所受阻力越小，測量值越大；越接近皂管出口，潤濕層越薄，皂膜受到阻力加大，皂膜速度變慢，測量值減小。因此，當(dāng)取相同測量區(qū)間長度時(shí)，靠近皂液液面將會(huì)使皂膜受到的阻力最小，測量值也越接近真實(shí)值，即準(zhǔn)確度高。

綜上分析可以看出，使用自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)測量氣體流量時(shí)，影響測量值準(zhǔn)確性的因素較多，究其原因，主要是皂管內(nèi)壁形成潤濕層的情況。為了保證測量值與真值相吻合，需要保證皂管內(nèi)壁潤濕層在測量過程中保持不變。這些措施包括持續(xù)潤濕皂管、選用較短靠近皂液液面的測量區(qū)間。

4 結(jié)束語

采用自動(dòng)產(chǎn)泡皂膜流量計(jì)，研究了測量區(qū)間長度、測量區(qū)間位置以及是否持續(xù)潤濕對所測氣體流量的影響，分析了皂管內(nèi)壁潤濕層、半潤濕層和干燥層與皂膜行進(jìn)阻力的關(guān)系，找到了內(nèi)在關(guān)聯(lián)規(guī)律。在連續(xù)測量過程中，測量區(qū)間長度越大、測量區(qū)間位置越靠近皂管出口、只進(jìn)行試驗(yàn)前初始潤濕，均會(huì)降低氣體流量的測量值；連續(xù)測量中由于皂膜行進(jìn)過程中所受阻力在不斷增加會(huì)導(dǎo)致測量值變小；持續(xù)潤濕皂管內(nèi)壁是保證潤濕層存在、獲得穩(wěn)定測量值的有效方法。