化工原理實驗中雙縱坐標圖的繪制方法

尹志芳　王鋒　曾永林　胡擁軍　龍立平

摘要：化工原理實驗數據處理過程中經常會碰到雙縱坐標圖的繪制，文章以Excel和Sigmaplot工具為例，針對離心泵特性曲線的測定實驗數據，分別介紹了雙縱坐標圖的繪制方法。學生通過對繪圖工具進行多方面、多層次的深入學習，進一步加深對實驗數據的分析能力，提高數據處理技能。

關鍵詞：化工原理實驗；雙縱坐標；Excel；Sigma Plot

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）21-0185-02

化工原理理論及實驗是化工類專業及化學、材料、環境等其他相關專業學生必修的一門專業基礎課，是連接化工原理理論課與工程實踐的橋梁。該課程旨在通過系列的單元操作實驗，鞏固和強化所學的理論知識及與工程問題的對接；培養發現問題、分析問題和解決工程實踐問題的能力，進一步提高學生的工程素養。在實踐過程中，逐漸開拓視野，掌握新的實驗技術和方法，增強創新意識。但在化工原理實驗過程中，涉及的實驗數據較多，數據處理量大，繪制的圖形需要關聯的參數較多。比如莫迪圖中需要將摩擦系數與相對粗糙度與雷諾數進行關聯；離心泵特性曲線實驗中需要繪制揚程（H）-流量qV，軸功率（P）-qV以及效率（η）-qV的關系圖；干燥實驗過程中，物料含水量-時間及物料表面溫度-時間的關系。當兩個縱坐標的數據分部區域接近時，可以采用單XY軸圖。而當兩個Y軸參數數據區域相差較大時，可以將部分參數放大一定的倍數使其數據區域接近。此外，繪制多縱坐標圖往往更美觀，更有對比性。很多同學只知道單XY軸圖的繪制，需要繪制多縱坐標圖時就束手無策。

化工原理理論及實驗數據處理軟件很多。其中Matlab，VB，Python等比較專業，需要編程，需要函數和矩陣知識，對使用者要求較高才能實現圖表的繪制。Excel，Origin，SigmaPlot，GraphPad Prism，Aspen plus等無需編程，只要按照界面操作要求就能完成繪圖。SigmaPlot和Origin的界面簡單，操作也更容易入門和掌握，相比于Office自帶的Excel，又提供了更多樣的數據圖表制作樣式以及自定義編輯。要制作多條水平或垂直軸更為簡便，對數據的擬合有更多的選擇性。SigmaPlot的功能與Origin非常類似，但是在操作的易用性上會更好，某些樣式的圖導出后比Origin效果更好。

以下就Excel和SigmaPlot數據處理工具繪制雙縱坐標圖的方法進行介紹，以離心泵特性曲線測定實驗數據為例，繪制H-qV、P-qV的雙縱坐標圖。

一、實驗原理

離心泵是化工生產中輸送液體常用的設備，主要性能參數有流量qV、揚程H、軸功率P和效率η等。在一定的轉速下，qV、H、P和效率η都隨q變化而變化。通過實驗實驗測出一定轉速下的H-qV、P-qV和-q之間的關系，并以曲線表示，該曲線即為離心泵的特性曲線。

1.離心泵的流量用出口閥進行調節，用渦輪流量計進行測量。

2.揚程H的測定根據泵進口真空表和出口壓力表兩測壓點截面間的伯努利方程得到。

H=h + +

式中h 為兩測壓截面之間的垂直距離，m；

u ，u 為泵進出管內流速，m/s。

3.離心泵的軸功率是泵軸所需要的功率，是用三相功率表測量的電動機的輸入功率進行校正后（校正系數k為已知）得到的值。P =P ·k

4.由于離心泵各種能量損失的存在，軸功率僅有一部分提供給流體，即有效功率Pe。有效功率與軸功率的比值即為效率η。η=P /P =Hq ρg/P

二、實驗數據作圖方法

經初步處理后得到的流量、揚程、軸功率和效率的參數，繪制揚程、軸功率與流量的關聯圖（效率-流量關聯圖方法一致）。

1.Excel作圖法。不同版本的Excel操作方式略有不同，但大同小異，下面以Excel2010為例。（1）打開Excel數據表，在該表中輸入流量、揚程、軸功率三組數據。（2）選取數據表，菜單欄插入“散點圖”。對系列1和系列2進行名稱修改后得到H-qV和P-qV的關系圖。（3）對軸功率坐標軸進行調整，選擇“軸功率”的散點圖，鼠標右鍵選擇“設置數據系列格式”，將數據設置為“次坐標軸”（默認的是主坐標軸）（關鍵步驟）。（4）刪掉次要水平軸，選中需要修改的坐標軸，右鍵選擇“設置坐標軸格式”，對主要坐標軸的屬性進行修改。在填充與線條下選擇顏色（如黑色），在坐標軸中修改邊界、單位、刻度線標記的類型等，在文本選項中修改刻度的字體和顏色等。（5）根據散點的規律添加趨勢線，比如軸功率與流量符合線性關系，用直線進行擬合，揚程與流量符合拋物線方程，所以用多項式進行擬合。然后在填充與線條工具欄下可對圖形的顏色或標記進行進一步的美化。（6）選中圖形上的任意位置，直接點擊圖形，選中軸標題下需要標記的主要縱、橫坐標軸和次要縱坐標軸，進行命名即可得到完整的雙縱坐標圖。

2.SigmaPlot作圖法。SigmaPlot都是英文版，版本在不斷更新，但操作方式也大同小異，下面以SigmaPlot 10.0為例。（1）打開SigmaPlot 10.0界面，在數據表Data1中有多個空白列，作雙縱坐標圖時，先輸入對應的X和兩列Y軸數據，選中1-3例的所有數據，選擇X Multi Y，匯出兩條曲線的散點圖。（2）利用Graph-Add Axis-Plot 2-Y Axis-Right方位，即可添加第2條曲線的縱坐標Y（這是關鍵步驟），若需要作雙橫坐標圖，則選擇添加X Axis。（3）分別選中需要擬合的數據，對軸功率曲線進行直線擬合，對揚程曲線進行多項式擬合。（4）選中需要修改的數據，右鍵選Object Properties，對數據點的顏色和形狀等屬性進行修改，最后修改縱橫坐標的標注，即可得到完美的雙縱坐標圖。

三、結論

對比兩種作圖工具作雙縱坐標圖的步驟可知，Excel作為Office的自帶工具，大眾化，獲取方便，操作簡單，已受到各行各業工作人員的青睞。SigmaPlot軟件在繪圖過程中使用簡便，每一環節的引導性強，對復雜曲線的多項式擬合有更多的選擇，擬合曲線的相關系數更好。其他幾種界面操作型的數據處理軟件在科研領域也越來越占據更多市場。學生只有通過對繪圖工具進行多方面、多層次的深入學習，才能進一步加深對實驗數據的分析能力，提高數據處理技能。

參考文獻：

[1]郭翠梨.化工原理實驗（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]高楓，王國勝，寧志高.MATLAB在化工原理實驗數據處理中的應用[J].遼寧化工，2005，34（2）：75-77.

[3]朱濤，徐文艷.MATLAB在化學工程與工藝實驗數據處理中的應用[J].化工高等教育，2008，（1）：60-62.

[4]潘莉莎，張德拉，等.Microsoft Excel在化工原理恒壓過濾實驗教學中的應用[J].化工高等教育，2008，（2）：87-90.

[5]王宇，胡赟，曹仲義，等.Origin軟件在化工原理實驗數據擬合中的應用[J].實驗技術與管理，2010，27（1）：86-89.

[6]李瑜，宋玉蘇，饒秋華.SigmaPlot軟件在物理化學實驗中的應用[J].廣東微量元素科學，2014，21（11）：12-18.

[7]楊宇軒.Aspen Plus在化工原理實驗教學中的應用[J].高教學刊，2017，（14）：112-114.