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流動法實驗技術及儀器概述
（供稿：江蘇分析儀器 王新軍 詳情請： ）
流體分為可壓縮流體和不可壓縮流體兩類。流體的加料控制以及流量的測定在科學研究和工業生產上都有廣泛應用。流動法所需設備和技術要求比較高；加料方式、加料的控制、流量的測定方法，也因實驗的要求不一而有所不同，本部分內容僅就實驗室流動體系的實驗技術做簡單的介紹。
（一）流體的加料方式
1．氣體的加料方式
實驗室常用帶壓力的氣源，一般借用高壓鋼瓶的壓力把氣體輸送到反應體系內，如氫氣、氧氣、氮氣、氨氣和乙炔氣等都可采用這種方式。有時用電解法制備氫氣、氧氣，或用啟普發生器產生二氧化碳氣或硫化氫氣作為常壓氣源，這些氣體也可經壓縮泵提高氣體壓力輸入反應體系內。
2．液體的加料方式
（1）注射器加料法
在催化反應的研究和用氣相色譜研究的反應體系中，往往需加入微量或少量的液體，通常采用注射器加料。為了均勻的注入，可用同步電動機推動注射活塞均勻下降，如圖1所示。這種加料方式設備簡單，且不受體系壓力的影響，但要防止易揮發性的液體從注射器磨口處揮發。因此，在磨口處不斷滴入加料液體，以減少這種影響。
圖1 注射器式加料器示意圖
柱式進料泵已有多種商品型號，圖2為SY－04 A雙柱塞微量泵工作原理示意圖。控制器驅動步進電機運轉，通過齒輪傳動使絲杠反向轉動，從而使左、右兩柱塞分別上、下運動。當左柱塞向上運動時，擠壓缸內液體，通過四通閥向排出口排出液體；與此同時，右柱塞向下運動，右缸內體積膨脹，形成負壓，通過大氣壓力將液體吸入右缸內。當左缸排盡時正好右缸吸滿，此時裝在右柱塞導杠上的壓片恰好壓上行程控制開關，給出換向信號，使步進電機反轉，左缸變成吸液，右缸變成排液。依此往復，使排出口有連續液體輸出。該微量泵是通過改變控制步進電機的脈沖頻率來調節步進電機的轉速，從而實現對液體流量的控制。
圖2 SY-04 A雙柱塞微量泵工作原理示意圖
（2）加料管和柱式進料泵
加料管一般用滴液漏斗，調節漏斗活塞，控制加料速度。由于加料速度隨著管內液面的高度變化而變化，因此在使用過程中，需經常調節活塞，維持恒定的加料速度。也可以在管內液面上加一恒定壓力來穩定加料速度。
柱式計量泵適用于壓力系統的流體進料，其工作原理如圖3所示。通過電動機使柱塞反復來回進出B室，當柱塞向外拉時，使B室為負壓，此時鋼珠①上浮，而鋼珠②緊貼上板孔，液體由A室被抽至B室，C室液體不能返流回B室。在柱塞推入時，鋼珠①緊貼下板孔，阻止B室內液體返回A室，而鋼珠②因B室增壓而上浮，液體由B室流入C室。柱塞反復進出B室，形成一種脈沖式加料。如果用兩臺柱塞泵并聯組合工作，則可得較平穩的連續進料。目前國內生產各種型號雙柱塞微量計量泵，使兩個柱塞分別正反向交替運動，四通換向閥與柱塞換向時同步動作，達到介質自動切換，完成液體連續輸送的目的。
圖3 柱式計量泵工作原理
（3）揮發式加料器
又稱飽和器。此加料器可根據實驗的要求自行設計。圖4為一種類型的揮發式加料器示意圖。該加料器可與超級恒溫槽配套使用，使其夾套內水恒溫。氣體從a進入，由b處帶走加料器內的液體蒸氣。只要在恒溫下控制通入氣體的流速，所帶走的蒸氣量就恒定，可以控制進料量和氣液比。蒸氣從b管進入反應系統，達到了液體加料目的。這種加料器適用于蒸氣壓較大的液體，當反應物由氣體和液體組成時，使用更方便。
圖4 揮發式加料器
氣液分子比的計算如下：假設通入氣體的流速為V氣（mL·min-1），氣體經揮發器帶走器內液體蒸氣，流速增大至（V氣+V液），V液為流速增值，系統壓力為p0，實驗恒溫溫度為T，液體在溫度T時飽和蒸氣壓為ps，n為氣液物質量之比。根據氣體分壓定律：
（1）
根據分體積定律：
（2）
從上述二式可得：
（3）
（4）
根據上二式得
（5）
若需要控制一定的氣液比，只要在一定系統壓力p0時控制液體的飽和蒸氣壓ps，液體的飽和蒸氣壓與溫度有關，因此控制液體的溫度即可以控制氣液比。
應用揮發式加料器要求使用的氣體不溶于進料的液體。在實驗時常要求檢查揮發式加料器所控制的氣液比是否與公式計算相符，其方法是將飽和器恒溫后，通入一恒定流速的氣體，使帶出的液體蒸氣進入已經預先稱重的裝有過量硅膠的吸附管。為了使吸附*，用冰鹽水冷卻吸附管，并記錄通氣時間，經一定時間后再稱量吸附管，其增量即為收集液體的質量。與計算值比較，二者相符證明飽和器符合要求，若低于理論計算值，說明液體蒸發未達飽和狀態。通過提高氣體的預熱溫度，增加飽和器的數量，增加液層高度或降低氣體流速，增加氣體與液體的接觸時間等方法以改善飽和狀態，使之與理論計算值相符。
（二）流體的穩壓和穩流
1．穩壓閥
穩壓閥是實驗室常用的穩壓裝置，其工作原理如圖5所示，穩壓閥的腔A與腔B通過連動桿與孔的間隙相通，右旋調節手柄至一定位置時，系統達到平衡。A進氣壓力有微小的上升時，則腔B的壓力隨之增加，波紋管向右伸張，壓縮彈簧，閥針同時右移、減少了閥針與閥針座的間隙，氣流阻力增大，則出口壓力保持原有的平衡壓力；同樣進氣口壓力有微小下降時，系統也將自動恢復平衡狀態，達到穩壓效果。使用此閥時應注意進口壓力一般不超過5.884×105Pa，出口壓力一般在 9.807×104Pa～1.961×105Pa效果較好。使用的氣源應干燥、無腐蝕性，氣源壓力應高于輸出壓力 4.903×104Pa。不能把氣體進出口接反，以免損壞波紋管。在停止工作時應把調節手柄左旋，使閥處于關閉狀態，防止彈簧失效。
圖5 穩壓閥工作原理示意圖
l．出氣口；2．閥針座；3．閥針；4．進氣口5．調節手柄；
6．壓簧；7．波紋管；8．連動桿；9．腔A；10．腔B
2．針形閥
針形閥是一種調節氣體流速、控制氣體流量的微量調節閥，也可以用于液體流量的控制。其結構主要由閥針，閥體和調節螺旋組成。針形閥的工作原理如圖6所示。閥針與閥體不能相對轉動，只有調節螺旋與閥針或閥體可以相對轉動。當調節螺旋右轉時，閥針旋入進氣孔道，則進氣孔道的孔隙變小，氣體阻力增大，流速減小。當調節螺旋左旋時，則進氣孔道的孔隙增大，氣體阻力減小，流速增大。
圖6 針形閥工作原理示意圖
1．進氣口；2．出氣口；3．閥針；4．閥體；5．調節螺旋
3．穩壓裝置
實驗室常用的zui簡單的氣體穩壓裝置如圖7所示。當低壓氣體流經針形閥調至一定流速后，一部分氣體經穩壓管的支管底部冒泡排空，另一部分經緩沖管和流速計進入系統。只要保持氣體在穩壓管底部均勻的冒泡，就可以使氣體處于穩壓狀態，改變水準瓶的高低，可以調節氣體流速大小。緩沖管是用內徑小于1mm、長1.5m左右的玻璃毛細管彎曲而成，其作用是抵消在穩壓管中氣泡逸出時氣體流速的波動，保持氣流穩定。也可以用大的緩沖瓶代替。
圖7 氣體穩壓系統流程示意圖
4．穩流閥
穩流閥用以穩定載氣或待測氣體的流速。WLF型穩流閥的工作原理如圖8所示。當輸入壓力為p時，在節流孔G1通過的壓力是p，閥蓋上的腔體壓力也是p，這時調節計形閥桿為一定位置，則在節流扎G2處產生一個壓力p1。該閥門中壓縮彈簧本身有一向上作用力，膜片受p的作用，有一個向下的壓力，由于p1克服膜片向下的壓力，使密封橡膠與閥門間有一個不斷振動的距離，這時在閥門中則有一個壓力p2輸出。由于膜片不斷地振動，使出口處有一個恒定的流量輸出。使用時壓力為2 kg·cm-2，流量＜150 mL·min-1。
圖8 穩流閥工作原理
（三）各種流量計簡介
1．轉子流量計
轉子流量計又稱浮子流量計，是目前工業上或實驗室常用的一種流量計。其結構如圖9所示。它是由一根錐形的玻璃管和一個能上下移動的浮子所組成。當氣體自下而上流經錐形管時，被浮子節流，在浮子上下端之間產生一個壓差。浮子在壓差作用下上升，當浮子上、下壓差與其所受的粘性力之和等于浮子所受的重力時，浮子就處于某一高度的平衡位置，當流量增大時，浮子上升，浮子與錐形管間的環隙面積也隨之增大，則浮子在更高位置上重新達到受力平衡。因此流體的流量可用浮子升起的高度表示。
這種流量計大多為市售的標準系列產品，規格型號很多，測量范圍也很廣。這些流量計用于測量哪一種流體，如氣體或液體，是氮氣或氫氣，均有相應的說明，并附有某流體的浮子高度與流量的關系曲線。若改變所測流體的體系，可用皂膜流量計或濕式流量計另行標定。
圖9 轉子流量計結構示意圖
使用轉子流量計需注意：流量計應垂直安裝；要緩慢開啟控制閥；待浮子穩定后再讀取流量；避免被測流體的溫度、壓力突然急劇變化；為確保計量的準確、可靠，使用前均需進行校正。
2．毛細管流量計
毛細管流量計的外表形式很多，圖10所示是其中的一種。它是根據流體力學原理制成的。當氣體通過毛細管時，阻力增大，線速度（即動能）增大，而壓力降低（即位能減小），這樣氣體在毛細管前后就產生壓差，借流量計中兩液面高度差（Δh）顯示出來。當毛細管長度L與其半徑之比等于或大于100時，氣體流量V 與毛細管兩端壓差存在線性關系： 
式中， 
為毛細管特征系數；r為毛細管半徑；ρ為流量計所盛液體的密度；η為氣體粘度系數。當流量計的毛細管和所盛液體一定時，氣體流量V和壓差Δh成直線關系。對不同的氣體，V和Δh有不同的直線關系；對同一氣體，更換毛細管后，V和Δh的直線關系也與原來不同。而流量與壓差這一直線關系不是由計算得來的，而是通過實驗標定，繪制出V～Δh的關系曲線。因此，繪出的這一關系曲線，必須說明使用的氣體種類和對應的毛細管規格。
這種流量計多為自行裝配，根據測量流速的范圍，選用不同孔徑的毛細管。流量計所盛的液體可以是水，液體石臘或水銀等。在選擇液體時，要考慮被測氣體與該液體不互溶，也不起化學反應，同時對速度小的氣體采用比重小的液體，對流速大的采用比重大的液體，在使用和標定過程中要保持流量計的清潔與干澡。
3．皂膜流量計
這是實驗室常用的構造十分簡單的一種流量計，它可用滴定管改制而成。如圖11所示。橡皮頭內裝有肥皂水，當待測氣體經側管流入后，用手將橡皮頭一捏，氣體就把肥皂水吹成一圈圈的薄膜，并沿管上升，用停表記錄某一皂膜移動一定體積所需的時間，即可求出流量（體積/時間）。這種流量計的測量是間斷式的，適用于尾氣流量的測定，標定測量范圍較小的流量計（約100mL·min-1以下），而且于對氣體流量的測定。
圖10 銳孔流速計示意圖 圖11 皂膜流量計
1．橡皮頭；2．肥皂液
4．濕式流量計
濕式流量計也是實驗室常用的一種流量計。它的構造主要由圓鼓形殼體、轉鼓及傳動計數裝置所組成，如圖12所示。
圖12 濕式流量計結構簡圖
1．溫度計；2．壓差計；3．水平儀；4．排氣管；
5．轉鼓6．殼體；7．水位器；8．可調支腳；9．進氣管
轉鼓是圓筒及四個變曲形狀的葉片所構成。四個葉片構成A，B，C，D四個體積相等的小室。鼓的下半部浸在水中，水位高低由水位器指示。氣體從背部中間的進氣管依次進入各室，并不斷地由頂部排出，迫使轉鼓不停地轉動。氣體流經流量計的體積由盤上的計數裝置和指針顯示，用停表記錄流經某一體積所需的時間，便可求得氣體流量。圖12中所示位置，表示C室開始進氣，B室正在進氣，A室正在排氣，D室排氣將完畢。濕式流量計的測量是累積式的，它用于測量氣體流量和標定流量計。濕式流量計事先應經標準容量瓶進行校準。
使用時注意：先調整濕式流量計的水平，使水平儀內氣泡居中；流量計內注入蒸餾水，其水位高低應使水位器中液面與針尖接觸被測氣體應不溶于水且不腐蝕流量計；使用時，應記錄流量計的溫度。
5．質量流量控制器
質量流量控制器用于對氣體的質量流量進行精密測量和控制，它在半導體和集成電路工業、特種材料學科、化學工業、石油工業、醫藥、環保和真空等多種領域的科研和生產中有著重要的應用。
質量流量控制器具有精度高、重復性好、流量量程寬、響應速度快、軟啟動、穩定可靠、工作壓力范圍寬等特點，其操作使用非常方便，可在任意位置安裝，并便于與計算機連接實現自動控制。它也可以作為質量流量計使用，對氣體的瞬時流量和累積流量進行計量。
流量控制器一般與流量顯示儀等配套產品配合使用。
質量流量控制器由流量傳感器、分流器通道、流量調節閥和放大控制電路等部件組成。流量傳感器采用毛細管傳熱溫差量熱法原理測量氣體的質量流量，具有溫度壓力自動補償特性。將傳感器加熱電橋測得的流量信號送入放大器放大；放大后的流量檢測電壓與設定電壓進行比較，再將差值信號放大后去控制調節閥門，閉環控制流過通道的流量使之與設定的流量相等。分流器決定主通道的流量。與之配套流量顯示儀上設置有穩壓電源、三位半數字電壓表、設定電位器、外設、內設轉換和三位閥控開關等。本控制器與流量顯示儀連接后的工作原理如圖13所示。控制器輸出的流量檢測電壓與流過通道的質量流量成正比，滿刻度流量檢測輸出電壓為+5V。
使用時主要操作在流量顯示儀上進行。閥門控制開關及流量設定電位器在前面板上，流量設定的內部或外部信號選擇開關一般在后面板上。當設定選擇開關打到“內”時，用設定電器W設定流量；打到“外”時，由外部信號設定流量。
在顯示面板上還設置有三個閥門控制開關，當置“關閉”位時，閥門關閉；當置“清洗”位時，閥門開到zui大，以便氣路清洗；當置于“閥控”時，自動控制流量。
圖13 質量流量控制器原理
先開電源，將閥開關置到“關閉”位，將設定值調到零，再開氣，待預熱至零點穩定后，再轉“閥控”位，然后將設定流量調至需要值，則實際流量跟蹤設定值而改變，無過沖，這是*操作方法。質量流量控制器顯示出的流量讀數，與使用氣體的轉換系數相乘，即得到該被測氣體在標準狀態下的質量流量。
6．流量計的校正
（1）濕式氣體流量計的校正
濕式氣體流量計一般用標準容量瓶進行校正，標準容量瓶的體積為V標，濕式流量計體積示值為V濕，兩者差值為ΔV。當流量計指針旋轉一周時，刻度盤上總體積為5 L。用１L容量瓶進行5次校正，流量計總體積示值為∑V濕，則平均校正系數為
因此經校正后，濕式氣體流量計的實際體積流量Vs與流量計示值 
之間關系為：
濕式流量計校正裝置如圖14所示。其校正步驟如下：開啟三通活塞，使容量瓶和大氣相通，而與濕式流量計斷開。轉動濕式流量計支腳螺絲，直至水平儀內氣泡居中為止。向流量計內注入水，水的位置高低必須保持水位器中液面與針尖重合，向平衡瓶內注入水后，提高其位置，使容量瓶水面與上刻度線重合。此時可作校正試驗，先轉動三通活塞，使容量瓶與濕式流量計接通，緩慢放下平衡瓶，使容量瓶液面與下刻度線復合，氣體體積恰好為IL。然后記下流量計的體積讀數、溫度和壓力。
濕式流量計指針旋轉一圈為5L，故依次對每1L重復上述操作一次，共作5組數據，求其平均校正系數。
圖14 濕式流量計校正的實驗裝置
1．濕式流量計；2．平衡瓶；3．標準容量瓶；４．三通閥
（2）轉子流量計的校正
轉子流量計的校正裝置如圖0－36所示。其校正步驟如下：先將緩沖罐上的放空閥*打開，同時關閉出氣閥，然后啟動壓縮機，待壓縮機運行正常后，旋轉三通閥使轉子流量計與系統相通。緩緩調節放空閥，使氣體流量調到所需數值，濕式流量計運轉數周后，可以開始測定，讀取轉子流量計示數，用秒表和濕式流量計測量流量值。
圖15 氣體流量計的檢定裝置
1．濕式流量計；2．毛細管流量計；3．轉子流量計；
4．三通旋塞5．緩沖罐；6．空氣壓縮機
（3）毛細管流量計校正
毛細管流量計的校正裝置流程與轉子流量計是并聯的，因此實驗方法*相同。實驗室常用的zui簡單的方法是用皂膜流量計進行校正。
在實驗過程中注意如下事項：
① 要經常注意濕式流量計的水位器和水平儀，不符合要求時要隨時調整，以保測量準確。
② 校準物質是可壓縮流體，所以校準時要記錄溫度和壓力。
③ 在使用氣體壓縮機前一定要打開放空閥，并用其調節進入系統的氣體流量。
④ 管道連接要嚴密，防止漏氣，否則不能準確測量。