皂膜流量計(jì)的誤差分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)

單保超　施雷庭　劉琛

摘 要：皂膜流量計(jì)作為一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的流量測(cè)量裝置，在工業(yè)生產(chǎn)、理化分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的皂膜流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低等多種優(yōu)點(diǎn)，但與此同時(shí)，其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也帶來(lái)了多種誤差來(lái)源，對(duì)測(cè)量結(jié)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(jì)的一些主要誤差來(lái)源以及這些誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。其次，通過(guò)比較的方式，指出了傳統(tǒng)皂膜流量計(jì)和電子皂膜流量計(jì)使用過(guò)程中存在的一些問(wèn)題。最后，針對(duì)這些對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大的誤差來(lái)源和使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出一些改進(jìn)方法，以期獲得更為滿(mǎn)意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)揮皂膜流量計(jì)低成本、高精度的流量測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：皂膜流量計(jì) 誤差分析 存在問(wèn)題 改進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN30 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（c）-0001-02

皂膜流量計(jì)是我國(guó)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于科研、教育、工程測(cè)試等領(lǐng)域，完成流量檢測(cè)與流量校準(zhǔn)等工作。目前，測(cè)量流量的裝置有很多，例如：轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、孔板流量計(jì)等，不同的實(shí)驗(yàn)裝置有不同的應(yīng)用領(lǐng)域以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的皂膜流量計(jì)采用手掐秒表計(jì)時(shí)和擠壓皂液?jiǎn)⒛さ炔僮?，操作麻煩，?zhǔn)確度低，具有廣泛的誤差來(lái)源，對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著大小不同的影響。因此，找出并且分析這些實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)源對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性界定就顯得猶為重要。

1 實(shí)驗(yàn)原理

傳統(tǒng)的皂膜流量計(jì)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(guò)三叉玻璃管連接，三叉管的另一端接外來(lái)氣源。擠壓橡膠囊內(nèi)的肥皂液便可產(chǎn)生皂膜，在外來(lái)氣的推動(dòng)作用下皂膜沿管壁以一定的速度上升，根據(jù)標(biāo)定皂膜管的體積以及測(cè)量皂膜經(jīng)過(guò)該體積所需要的時(shí)間，便可得到外來(lái)氣的流量。為便于分析，我們假設(shè)皂膜管為圓柱直體型，即整個(gè)皂膜管在標(biāo)定體積內(nèi)內(nèi)徑相同。具體計(jì)算公式如下：

2 誤差來(lái)源

皂膜流量計(jì)的誤差來(lái)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(duì)于儀器本身，誤差可能來(lái)源于皂膜管內(nèi)徑，皂膜管的標(biāo)定高度以及時(shí)間的測(cè)定。環(huán)境因素主要考慮溫度和壓力的影響。具體來(lái)說(shuō)，可以分為以下幾種類(lèi)型。

2.1 皂膜管體積變化引起的誤差

皂膜管的標(biāo)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(cè)量過(guò)程中對(duì)體積的測(cè)量和計(jì)算引起的誤差兩部分。

皂膜管內(nèi)徑和高度一經(jīng)標(biāo)定，其大小可近似認(rèn)為只受溫度變化的影響。玻璃的線膨脹系數(shù)的變化范圍在數(shù)量級(jí)。取皂膜管的線膨脹系數(shù)為2×，皂膜管內(nèi)徑為10 cm，上下標(biāo)定高度差為60cm，正常使用過(guò)程中，環(huán)境溫度變化一般不會(huì)超過(guò)20K，因此，在溫度可能影響的最大限度內(nèi)，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(biāo)定高度變?yōu)椋?.6+2×）m，變化率為0.004%，根據(jù)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(yīng)用皂膜流量計(jì)的實(shí)際場(chǎng)合中溫度不會(huì)有如此大的變化，因此皂膜管內(nèi)徑引起的流量誤差應(yīng)遠(yuǎn)小于0.012，可見(jiàn)這種變化對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響完全可以忽略。

2.2 測(cè)量體積誤差

由式①可知，皂膜流量計(jì)在使用的過(guò)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(jù)兩位置的高度差求出皂膜經(jīng)過(guò)的體積，從而計(jì)算出流量。一般來(lái)說(shuō)，傳感器測(cè)量精度要明顯優(yōu)于人為讀取，且方便操作，是對(duì)操作者勞動(dòng)力的一種解放。目前市場(chǎng)上所售的各電子皂膜流量計(jì)的一般會(huì)有1%的誤差，一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)需求選擇。當(dāng)然，誤差范圍越小，所用的電子部件越精密，相應(yīng)的售價(jià)也會(huì)越高。由于電子皂膜流量計(jì)的的測(cè)量誤差由設(shè)計(jì)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(jì)的測(cè)量體積誤差。

2.2.1 標(biāo)定高度讀數(shù)誤差

皂膜產(chǎn)生后在外來(lái)氣流的推動(dòng)作用下從下部運(yùn)行到上部，我們要在皂膜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲取皂膜的位置，這就不可避免的會(huì)產(chǎn)生誤差。誤差的大小與皂膜的運(yùn)動(dòng)速度以及實(shí)驗(yàn)者的反應(yīng)速度和靈敏水平有關(guān)。一般情況下，皂膜的運(yùn)動(dòng)速度在4 cm/s以?xún)?nèi)時(shí)，測(cè)量的長(zhǎng)度誤差小于0.05 cm。因此，測(cè)量體積誤差應(yīng)小于0.1/ΔL，ΔL為皂膜管的標(biāo)定的上下刻度線之間的差值?？梢?jiàn)標(biāo)定體積越大，所產(chǎn)生的誤差越小。假如取標(biāo)定高差為50 cm，那么產(chǎn)生的測(cè)量體積誤差約為0.2%。

2.2.2 秒表讀數(shù)誤差

一般來(lái)說(shuō)，秒表的操作精度可達(dá)到0.1 s，結(jié)合人體的反應(yīng)速度和皂膜的上升速度，秒表處的讀數(shù)誤差可以控制在0.1 s之內(nèi)，因此，秒表讀數(shù)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(jù)絕對(duì)誤差計(jì)算方法，測(cè)量體積誤差應(yīng)小于1%。

3 兩種流量計(jì)的比較

通過(guò)上面的分析我們可以得出傳統(tǒng)的皂膜流量計(jì)在測(cè)量實(shí)際流量的過(guò)程中，整體的誤差一般在1%以?xún)?nèi)。而通過(guò)調(diào)研，我們也發(fā)現(xiàn)：目前所售的普通電子皂膜流量計(jì)的測(cè)量允許誤差范圍也是1%。因此，兩者在測(cè)量精度上相差并不是很大。

電子皂膜流量計(jì)操作簡(jiǎn)單，可以借助微計(jì)算機(jī)和傳感器等裝置，實(shí)現(xiàn)一鍵式流量的測(cè)量，同時(shí)避免了繁瑣的手工勞動(dòng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)者的操作體驗(yàn)有了很大的提升。但是，電子皂膜流量計(jì)也有自己的缺點(diǎn)。例如說(shuō)，對(duì)于看不到內(nèi)部構(gòu)造的電子皂膜流量計(jì)，我們很難判斷測(cè)量結(jié)果的正確性與否，當(dāng)兩次測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差時(shí)，我們也很難判斷哪一次的測(cè)量結(jié)果為準(zhǔn)確值，只能重新測(cè)量；對(duì)于一般的故障，由于電子皂膜流量計(jì)屬于高精度儀器，非專(zhuān)業(yè)人員無(wú)法自行修理，處理起來(lái)非常麻煩。另外，對(duì)于各院校中設(shè)置的使用皂膜流量計(jì)測(cè)流量實(shí)驗(yàn)中，一鍵出結(jié)果的電子皂膜流量計(jì)不利于同學(xué)們對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解和認(rèn)識(shí)，很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

傳統(tǒng)的皂膜流量計(jì)價(jià)格便宜，原理明了，保養(yǎng)和維修簡(jiǎn)單，又有很高的測(cè)量精度，仍然受到廣大使用者青睞。在使用過(guò)程中，我們可以清楚的確定數(shù)據(jù)的可用性與否，避免了測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差時(shí)對(duì)值取舍操作不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。但是，傳統(tǒng)皂膜流量計(jì)存在的突出問(wèn)題有：

（1）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中手掐秒表計(jì)時(shí)、擠壓皂液?jiǎn)⒛?、?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄等三種工作需要不斷的在雙手之間切換，測(cè)量過(guò)程繁瑣。

（2）皂膜管長(zhǎng)期開(kāi)口，會(huì)落入許多雜質(zhì)難以清洗，影響皂膜的穩(wěn)定性。

（3）皂膜管口常會(huì)有很多皂膜從皂膜管壁溢出到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，影響實(shí)驗(yàn)環(huán)境的清潔性。

4 皂膜流量計(jì)的改進(jìn)

針對(duì)上面提到的皂膜流量計(jì)的各種缺點(diǎn)，筆者提出以下改進(jìn)方案。

如圖1所示的改進(jìn)方案，使用方法和優(yōu)勢(shì)如下。

關(guān)開(kāi)關(guān)A，開(kāi)B，擠壓踏板7，則橡膠囊8內(nèi)的皂液被擠出，從噴頭5噴灑到管壁上，可以實(shí)現(xiàn)皂膜管壁的清洗。皂膜管口處的環(huán)形海綿可以實(shí)現(xiàn)多余皂液的吸收，避免皂液溢出污染實(shí)驗(yàn)臺(tái)。關(guān)開(kāi)關(guān)B，開(kāi)A，擠壓踏板7，則儲(chǔ)液池9內(nèi)液面上升，與皂膜管下端接觸，實(shí)現(xiàn)啟膜，若踩踏踏板用腳完成，則避免了雙手在手掐秒表計(jì)時(shí)、擠壓皂液?jiǎn)⒛ぁ?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄之間切換，從而提高實(shí)驗(yàn)效率以及操作者的舒適度，在一定程度上還能夠減小實(shí)驗(yàn)誤差。此種改良方案不僅適用于手動(dòng)方案，還可以結(jié)合傳感器等制成電子皂膜流量計(jì)，滿(mǎn)足不同使用群體的需求，整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，思路明確，成本較低。

5 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了傳統(tǒng)皂膜流量計(jì)的主要誤差來(lái)源以及誤差范圍，指出了傳統(tǒng)皂膜流量計(jì)與電子皂膜流量計(jì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了一種既適合于傳統(tǒng)皂膜流量計(jì)改進(jìn)，又適合電子皂膜流量計(jì)制作的改進(jìn)方案，是對(duì)皂膜流量計(jì)的一種全面而簡(jiǎn)要的概括.同時(shí)，對(duì)于皂膜流量計(jì)的使用和改進(jìn)提供了一種新的思路和方法，有助于皂膜流量計(jì)在新時(shí)期、新階段繼續(xù)發(fā)揮其流量測(cè)量和校準(zhǔn)等方面的作用，滿(mǎn)足廣大使用者的使用需求。

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