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摘要:數(shù)據(jù)處理是化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié),數(shù)據(jù)處理方法是否得當(dāng)、準(zhǔn)確,往往給實(shí)際的生產(chǎn)工作產(chǎn)生較大影響。MATLAB軟件憑借其強(qiáng)大的功能,被廣泛應(yīng)用在化學(xué)工程及工藝實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理中,極大的提高了數(shù)據(jù)處理質(zhì)量與效果。本文探討化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)中MATLAB軟件數(shù)據(jù)處理相關(guān)知識,以供參考。
關(guān)鍵詞:化學(xué)工程;工藝實(shí)驗(yàn);數(shù)據(jù)處理;分析
MATLAB軟件由美國公司開發(fā)研制,實(shí)現(xiàn)了科學(xué)數(shù)據(jù)、矩陣計(jì)算以及數(shù)值分析的可視化,為需要進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的諸多領(lǐng)域提供高效、全面的解決方法?;瘜W(xué)工程及工藝實(shí)驗(yàn)往往產(chǎn)生較多數(shù)據(jù),使用MATLAB軟件能方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,幫助人們掌握實(shí)驗(yàn)規(guī)律,為實(shí)際的正常提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。
1化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)與一般的化學(xué)實(shí)驗(yàn)只重視驗(yàn)證某一原理不同,其主要作用在于解決工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際存在的問題,以給工業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo),無論實(shí)驗(yàn)時間還是實(shí)驗(yàn)規(guī)模,以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程均較為復(fù)雜,由此可見化學(xué)工程及工藝實(shí)驗(yàn)在人們的生產(chǎn)生活發(fā)揮極其重要的作用?;瘜W(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)涉及較多環(huán)節(jié),尤其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理尤為關(guān)鍵。之前對化學(xué)工程及工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理主要采用人工方法進(jìn)行,耗費(fèi)大量的時間及人力,無法滿足當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)的需要。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理效率的提高成為可能,尤其以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),人們開發(fā)出了各種數(shù)據(jù)處理軟件,使得化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理更為簡單、方便。其中MATLAB軟件是諸多數(shù)據(jù)處理軟件最為優(yōu)秀的一款軟件,通過在化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用,能化繁為簡,極大提高數(shù)據(jù)處理效率,使得數(shù)據(jù)處理精度很好的滿足實(shí)驗(yàn)需要,將數(shù)據(jù)處理誤差控制在合理范圍內(nèi)。
2MATLAB在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用
為給化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理提供參考,接下來對MATLAB軟件在數(shù)據(jù)處理中的具體應(yīng)用進(jìn)行探討。
2.1MATLAB的數(shù)據(jù)處理步驟
(1)數(shù)據(jù)處理整體框架眾所周知,每個化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)的目的存在較大區(qū)別,所以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的步驟以及應(yīng)用的公式存在較大差別,很難使用一個程序完成所有數(shù)據(jù)處理工作。不過通過對多數(shù)化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理要求進(jìn)行分析,可得出其相似之處,即,先進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入,借助基本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,最終完成處理數(shù)據(jù)的輸出。針對這些相似之處進(jìn)行程序設(shè)計(jì),可簡化數(shù)據(jù)處理過程,促進(jìn)數(shù)據(jù)處理效率的提高。(2)編制數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)處理程序是高效處理化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ),因此,使用MATLAB軟件處理化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時,確保編制程序運(yùn)行的高效性十分重要。數(shù)據(jù)程序編制包括數(shù)據(jù)輸入、處理與作圖、構(gòu)建數(shù)據(jù)庫等環(huán)節(jié)。其中數(shù)據(jù)輸入的實(shí)現(xiàn)主要借助input函數(shù)加以實(shí)現(xiàn)。例如,需要輸入實(shí)驗(yàn)環(huán)境中不同濕度參數(shù)時,可這樣設(shè)置t=input(‘請輸入實(shí)驗(yàn)中環(huán)境濕度數(shù)據(jù)’),輸入函數(shù)多以矩陣方式形式呈現(xiàn)。處理與作圖是化學(xué)工程和工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中重要的一環(huán),原因在于實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)一般為離散數(shù)據(jù),需使用多種擬合方法對其進(jìn)行擬合處理,其中最小二乘法是應(yīng)用率較高的擬合方式,接下來的探討主要基于最小二乘法擬合進(jìn)行探討。以化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的(x1,y2)離散數(shù)據(jù)為例,利用最小二乘法對其進(jìn)行擬合處理,得到自變量、因變量x、y,并以y=f(x)為輸入函數(shù)關(guān)系,其依據(jù)的思路為使得∑(f(x1)-y1)2以及離散數(shù)據(jù)中x1的殘差平方取得最小值。原因在于實(shí)驗(yàn)期間難免受外界因素影響,導(dǎo)致一些實(shí)驗(yàn)誤差的出現(xiàn),而使用最小二乘法并不需要對輸入函數(shù)y=f(x)進(jìn)行全部的離散數(shù)據(jù)(x1,y1),不過需要∑(f(x1)-y1)2以及離散數(shù)據(jù)中x1的殘差平方取得最小值。由最小二乘法擬合方法可知,化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)中采用最小二乘法可滿足數(shù)據(jù)處理要求。另外,化學(xué)工程和工藝實(shí)驗(yàn)中有時會對流體流動阻力狀況的研究,即,對流體的流動阻力進(jìn)行測試,而后進(jìn)行針對性處理,獲得雷諾準(zhǔn)數(shù)(Re)以及摩擦系數(shù)λ的離散數(shù)據(jù),同樣適用最小二乘法擬合得到連續(xù)的曲線,以此為基礎(chǔ)將對應(yīng)的圖形畫出,考慮到雷諾準(zhǔn)數(shù)(Re)與摩擦系數(shù)為成雙對函數(shù),所以可得λ=c+aReb,尤其當(dāng)a、b、c均為常數(shù)時,此時令c=0,可得λ=aReb,又因Re和λ是成雙對函數(shù),因此,logλ=loga+blogRe,在此基礎(chǔ)上可使用MATLAB中polyfit()函數(shù)進(jìn)行線性擬合處理,實(shí)現(xiàn)對化工數(shù)據(jù)處理程序的基礎(chǔ)。(3)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建采用以上思路對MATLAB數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行設(shè)計(jì),在實(shí)驗(yàn)過程中只是獲得在特定濕度條件下的實(shí)驗(yàn)參數(shù),而在實(shí)際生產(chǎn)中所受的影響因素多而復(fù)雜,不可能穩(wěn)定在設(shè)計(jì)好的濕度條件下,這就考慮如何取得相近數(shù)據(jù)的問題。假設(shè)其符合線性關(guān)系,使用外推或內(nèi)插方式計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)物性數(shù)據(jù)參數(shù)。文中探討的化工實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)的程序已經(jīng)考慮到實(shí)驗(yàn)濕度、粘度、密度等參數(shù)進(jìn)行擬合,構(gòu)建較為完整的數(shù)據(jù)庫,因此,對化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理操作,只需按照提示將濕度參數(shù)輸入系統(tǒng)中,程序便自動運(yùn)行,計(jì)算得出該濕度條件下相關(guān)數(shù)據(jù),大大的提高數(shù)據(jù)處理效率。為確保設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理程序的合理性,數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)完成且對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建完成后,需要輸入相關(guān)數(shù)據(jù)對程序的運(yùn)行狀況進(jìn)行驗(yàn)證,以及時分析出程序設(shè)計(jì)的不合理之處,并及時進(jìn)行改進(jìn)。通過對設(shè)計(jì)程序進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化,便可應(yīng)用在化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理中。
2.2MATLAB的數(shù)據(jù)處理誤差分析
經(jīng)上文分析將MATLAB軟件應(yīng)用在化學(xué)工程和工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中,可獲得預(yù)期的數(shù)據(jù)處理效果,但MATLAB軟件對數(shù)據(jù)的處理建立在對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正確采集的基礎(chǔ)上,因此,需要保證化工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性,將誤差控制在合理水平??紤]到化工實(shí)驗(yàn)經(jīng)過的步驟較多,使用較多的測量儀器,實(shí)驗(yàn)人員操作中難免出現(xiàn)誤差,這就要求實(shí)驗(yàn)人員結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,明確實(shí)驗(yàn)的具體步驟以及影響數(shù)據(jù)誤差的因素,在實(shí)驗(yàn)中加以準(zhǔn)確把握。首先,保證實(shí)驗(yàn)取樣的合理性。化工實(shí)驗(yàn)取樣的合理性包括很多內(nèi)容,如使用專門的工具進(jìn)行取樣,保證取樣位置的合理選取,即,取樣應(yīng)具有一定的代表性。同時,嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行取樣操作,保證每個取樣環(huán)節(jié)操作的正確性。其次,注重對樣品進(jìn)行正確處理。取樣操作完成后,對樣品操作是否合理、規(guī)范,會給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成影響,因此,化工實(shí)驗(yàn)對樣品進(jìn)行破碎、混勻、縮小等操作時,應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)豐富的實(shí)驗(yàn)人員嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作。最后,校準(zhǔn)所用的測量儀器。化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)過程中使用的各種測量儀器,這些儀器測量精度,以及性能往往給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響,因此,化工實(shí)驗(yàn)前要求實(shí)驗(yàn)人員對使用的測量儀器進(jìn)行認(rèn)真的檢查,部分對測量精度要求較高的實(shí)驗(yàn),應(yīng)對所用儀器進(jìn)行校準(zhǔn),確保測量誤差在允許的范圍內(nèi)。另外,為進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性可根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相關(guān)的對照實(shí)驗(yàn),對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正,消除系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。當(dāng)然為減少偶然誤差,化工實(shí)驗(yàn)中還進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),通過多次實(shí)驗(yàn)求取平均值,以達(dá)到降低實(shí)驗(yàn)誤差的目的。
3結(jié)語
數(shù)據(jù)處理是化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),采取正確的方法,使用專門的數(shù)據(jù)處理軟件,在保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果滿足要求的基礎(chǔ)上,可明顯提高數(shù)據(jù)處理效率。本文通過研究得出以下結(jié)論:(1)數(shù)據(jù)處理在化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)中的重要性不言而喻,當(dāng)前常使用MATLAB軟件對實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,簡化數(shù)據(jù)處理流程的同時,促進(jìn)數(shù)據(jù)處理效率的明顯提升。使用MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)時,關(guān)鍵在于編寫合理的數(shù)據(jù)處理程序,因此,應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,進(jìn)行全面的分析,確保編寫程序的合理性,處理數(shù)據(jù)效率的高效性。(2)使用MATLAB軟件對化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時,為保證處理結(jié)果的準(zhǔn)確性,應(yīng)嚴(yán)把數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié),即,在取樣以及樣品處理過程中應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)規(guī)范進(jìn)行,尤其應(yīng)注重校準(zhǔn)所用的測量儀器,確保所用儀器處于最佳狀態(tài)。另外,根據(jù)實(shí)際情況還可采取設(shè)置對照實(shí)驗(yàn),多次實(shí)驗(yàn)求平均值的方法降低實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差,為數(shù)據(jù)處理的正確性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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作者:艾科熱木.克熱木 單位:哈密地區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院