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修訂后的新的中空玻璃國家標準第一次將中空玻璃充氣的檢測內(nèi)容列入在內(nèi)，包括氣體的初始濃度和氣體的保持能力兩個方面。雖然標準目前處于上報待批階段，但企業(yè)必須提前為提高充氣水平作準備。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，有22%的充氣玻璃不能達到新標準規(guī)定的85%的初始濃度。從表面上看，85%的氣體初始濃度偏高，超出企業(yè)現(xiàn)有技術水平，但如果企業(yè)掌握氣體擴散原理和正確檢測方法，充氣中空玻璃的初始濃度就可以達到標準要求。
下面筆者將從充氣中空玻璃的基本概念出發(fā)，探討充氣過程中氣體置換時的層流、紊流和氣體擴散，討論初始濃度檢測方法對檢測結果的影響，并提出建議。
基本概念
了解充氣中空玻璃的有關基本概念，有助于提高生產(chǎn)充氣中空玻璃的操作水平，有助于理解和采取正確檢測手段和方法，因此有必要從相關基本概念入手，對層流、紊流和氣體擴散進行闡述。
層流和紊流
充氣中空玻璃采用的惰性氣體一般為氬氣，氬氣的密度比空氣大，因此在中空玻璃充氣時，氬氣充（進）氣孔在下端、空氣的出（排）氣孔在上端，以置換出中空玻璃內(nèi)的空氣，達到所需要的氬氣濃度。
中空玻璃的充氣過程實質(zhì)上是一種氣體置換的黏滯流體運動，初始進入的氬氣受慣性力和黏滯力兩重作用。黏滯力阻止氬氣與空氣發(fā)生相對運動，而慣性力的作用與黏滯力的作用正好相反，因此黏滯性流體的流動方式取決于這兩種力作用的結果。在黏滯力作用遠大于慣性力作用時，氣體運動會產(chǎn)生層流；反之，在慣性力作用遠大于黏滯力作用時，氣體運動會產(chǎn)生紊流。
作為流體運動一種最簡單的圖像，層流可以看成是彼此相鄰，并且具有“確定物質(zhì)意義”的流層。簡單說，層流就是流體的分層流動。此時，運動中流體承受的牛頓黏性應力，與固體之間反抗彼此滑移運動的力學機制沒有任何本質(zhì)差異。紊流的基本特點是有渦性、不規(guī)則性、隨機性、擴散性和耗散性，是由大小不等、頻率不同的旋渦結構組成，使其物理量對時間和空間的變化均表現(xiàn)出不規(guī)則的隨機性。紊流中包含著有序的大尺度旋渦結構，也包含著無序的、隨機的小尺度旋渦結構。紊流物理量的隨機脈動就是由這些不同尺度的旋渦共同作用的結果。
由此可見，在中空玻璃充氣過程中，層流是氣體置換最理想的流動，是保證充氣中空玻璃達到標準規(guī)定濃度所必須的要求。此外，與紊流相比，層流的充氣時間短、速度快。反之，在紊流狀態(tài)下充氣，由于氣體充入空腔內(nèi)有渦性、不規(guī)則性，導致空氣在空腔內(nèi)的中央打轉(zhuǎn)，不能被惰性氣體有效地置換出去，即使中空玻璃的充氣結束，由紊流導致空腔內(nèi)中央打轉(zhuǎn)的低濃度氣體也仍然停留在空腔內(nèi)。
圖1描述的是中空玻璃出現(xiàn)紊流的情況，從圖中可見，紊流導致的低濃度氣體停留在空腔中央，周圍是高濃度的惰性氣體。中空玻璃充氣結束后，無論充氣過程中產(chǎn)生的是層流還是紊流，空腔內(nèi)的氣體都開始擴散。因為，氣體的擴散會影響中空玻璃最終處于穩(wěn)定狀態(tài)的濃度，因此在了解完充氣的層流和紊流概念及二者之間的區(qū)別之后，有必要了解擴散的概念。
擴散
中空玻璃充氣結束后，空腔內(nèi)氣體濃度是不均勻的，此時氣體處于非穩(wěn)定的流動狀態(tài)，這種氣體運動被稱為分子擴散，簡稱擴散。這種擴散是不可避免的，只要液體或氣體粒子溫度高于絕對溫度時的熱運動，就會發(fā)生。對分子擴散應把握3點：運動速度是溫度、流體黏度及粒子顆粒大小（質(zhì)量）的函數(shù)，與流體的濃度無關；雖然擴散解釋了分子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域的凈流動，但在不存在濃度梯度的條件下，擴散同樣發(fā)生；擴散是流體逐漸混合的過程，在同一溫度、不存在外界力作用的條件下，擴散最終導致流體的完全混合。
圖2表明了兩種氣體的擴散過程，（1）中表明中空玻璃充氣后空腔內(nèi)存在兩種氣體———空氣與氬氣；（2）中表明氣體開始擴散；（3）中表明中空玻璃充氣后大約8小時，擴散完成，即氣體混合均勻。至此，空腔內(nèi)任意一點氣體濃度都是相同的。
氣體的擴散大約需要8小時才能完成，在測試充氣中空玻璃濃度時，應該在充氣中空玻璃制作完成放置8小時后進行，有些企業(yè)第二天對充氣中空玻璃進行濃度檢測。從生產(chǎn)實踐看，充氣中空玻璃的初始濃度很難達到100%，因此充氣后的氣體擴散是不可避免的，只有在氣體完全擴散后，即氣體混合均勻后來測量氣體濃度才有意義。此外，根據(jù)充氣中空玻璃氣體擴散后的濃度變化，可以判斷出充氣過程是層流還是紊流。假定充氣設備的濃度設置為90%，在層流條件下，擴散后的濃度會增加，如91%，而在紊流條件下，擴散后的濃度會下降，如69%。
惰性氣體濃度的檢測方法
上文提到我國目前有22%的充氣玻璃不能達到85%的初始濃度，雖然這與使用的充氣方法有關，受制于采用的現(xiàn)有充氣設備，但改善起來并不困難，只要理解了惰性氣體的檢測手段及方法對測量結果的影響，就能找到提高充氣水平的解決方案。中空玻璃充氣后，需要使用惰性氣體分析儀進行初始濃度檢測。據(jù)了解，很多企業(yè)采用便攜式惰性氣體分析儀，即瞬間高壓放電攝譜法分析儀進行即期檢測來控制充氣量。下面筆者對這種檢測手段的特點和方式進行分析。
瞬間高壓放電攝譜法分析儀是一種無損分析，可對充氣后的中空玻璃進行即期檢測。高壓放電儀瞬時產(chǎn)生的電壓為1.5萬伏，測試中空玻璃時，電壓會進入中空玻璃腔體，所產(chǎn)生的高壓能量會尋找最短的途徑或電阻最小的途徑接地，因此需要靠近中空玻璃的間隔框來測試。在測試時，一般采用“三點檢測法”，其中2點分別靠近上下間隔條的位置，第三點可隨機取左側(cè)或右側(cè)靠近見各間隔條的位置來測試。
“三點檢測法”是基于承認中空玻璃在充氣后和擴散前之間的時間內(nèi)，空腔內(nèi)氣體濃度不均勻的事實來選取3點進行測試，然后取平均值來確定中空玻璃的氣體濃度。但從另一方面看，“三點檢測法”忽略了充氣中空玻璃的中央位置，在紊流情況下，空腔中央的氣體是低濃度的，在即期檢測條件下是測不到的。因此，即期檢測中的“三點檢測法”，是不能區(qū)分中空玻璃充氣過程產(chǎn)生的是層流還是紊流的。
如果充氣生產(chǎn)廠家堅持采用“三點檢測法”來進行即期檢測，那么只有在一種條件下才是可行的，即充氣的生產(chǎn)過程能確保是層流，否則沒有任何意義。采用此儀器進行檢測的正確做法是，等到惰性氣體完全擴散后進行。因為即使充氣產(chǎn)生的紊流導致空腔中央充滿低濃度惰性氣體，整個空腔內(nèi)任何一點的濃度也都是均勻一致的。
綜上所述，充氣中空玻璃初始濃度是由充氣過程中產(chǎn)生的紊流造成的。但是，大多數(shù)惰性氣體充氣設備和一些檢測手段對充氣中空玻璃的即期檢測，都不能判斷充氣過程是否出現(xiàn)過紊流。充氣中空玻璃內(nèi)的氣體擴散完成前，空腔內(nèi)的氣體濃度分布是不均勻的，譬如紊流條件下，高濃度氣體包圍在低濃度氣體外面，低濃度氣體處于中空玻璃的中央位置，但現(xiàn)有檢測手段不能探測到中央的氣體濃度。充氣中空玻璃氣體擴散完成后，即空腔內(nèi)不同濃度的氣體充分均勻混合之后，空腔內(nèi)任何一點的惰性氣體濃度都是相同的，不再發(fā)生變化。一般來說，擴散后的氣體濃度和充氣設備所設置的濃度相比是不同的。如果擴散后的濃度低于充氣設備所設置的濃度，則可推斷充氣過程出現(xiàn)了紊流，反之則充氣過程出現(xiàn)的是層流。認識這一點對提高中空玻璃的初始濃度是十分重要的，因為只有在氣體擴散后測量到的濃度，才是充氣中空玻璃真實的初始濃度；只有知道中空玻璃的初始濃度，才能對實際充氣水平進行正確判斷。
通過上述介紹和分析可以論證出，在現(xiàn)有工藝條件不變的情況下，企業(yè)只要改變他們的測試方法，將測試時間放在氣體擴散后進行，就可以檢測出由紊流造成的低濃度玻璃，有助于找出充氣中存在的問題，并加以改善。如果所有企業(yè)都在氣體擴散后檢測濃度，我們有理由相信，全行業(yè)的中空玻璃充氣水平會在短時間內(nèi)得到極大改善。
