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玻璃溫度計|酒精計|密度計|比重計|干濕計 - 衡水創(chuàng)隆科技有限公司

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雙金屬溫度計刻度盤標(biāo)定及其繪圖軟件

  • 文章出處：http://ynzxlwh.com/
  • 責(zé)任編輯：祥盛
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  • 發(fā)表時間：2022-4-24 15:52:47
雙金屬溫度計具有能現(xiàn)場顯示溫度、直觀方便、安全可靠、成本低及使用壽命長等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金及紡織等領(lǐng)域。雙金屬溫度計一般采用指針來指示現(xiàn)場溫度值，測量過程是人工直接讀數(shù)，因此刻度盤的準(zhǔn)確性直接決定了溫度測量精度。過去，雙金屬溫度計刻度盤一般是批量生產(chǎn)，在標(biāo)好廠統(tǒng)一加工的；對于低端產(chǎn)品，其刻度線、文字及商標(biāo)圖形等內(nèi)容一次性全部印刷完成，刻度線通常是均勻分布的；對于精度要求較高的產(chǎn)品，其刻度線后期由手工繪制，但精度有限。
隨著信息科技的不斷進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)及打印等技術(shù)為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造提供了有利條件。噴墨式平板打印機(jī)使在金屬等各種固體材料表面的打印變得更加容易[3]，它不僅可以在質(zhì)地堅韌的水晶、石材、金屬及玻璃等材料上印刷，還可以在質(zhì)地松軟的皮革、布料及棉質(zhì)等物料上印刷，且印刷位置準(zhǔn)確、分辨率高，同時還可以實現(xiàn)彩色打印。噴墨式平板打印機(jī)印刷步驟簡單，只需一臺普通PC機(jī)通過USB接口與打印機(jī)連接，配上繪圖軟件即可繪制個性化高精度的刻度盤。
在此，筆者利用拉格朗日插值法，根據(jù)校準(zhǔn)溫度值的偏轉(zhuǎn)角度，對其他溫度對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行擬合，計算出需要繪制的雙金屬溫度計刻度線對應(yīng)的角度；然后利用Matlab程序設(shè)計語言編寫刻度盤繪圖軟件，實現(xiàn)刻度線等所有表盤信息的輸入和繪制，并控制打印。

1 雙金屬溫度計工作原理
雙金屬溫度計是一種適合測量中低溫的現(xiàn)場檢測儀表，可直接測量生產(chǎn)過程中-80～500℃的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)溫度。雙金屬溫度計(圖1)的主要感溫元件是一個用兩種或多種金屬片疊壓在一起的多層金屬片，為提高測溫靈敏度，通常將金屬片制成螺旋卷形狀。當(dāng)金屬片溫度改變時，各層金屬膨脹或收縮，使得螺旋卷卷起或松開。由于螺旋卷的一端固定而另一端與一個可自由轉(zhuǎn)動的指針相連，因此當(dāng)溫度升高時，膨脹系數(shù)較大的金屬片伸長量大，致使整個雙金屬片向膨脹系數(shù)小的金屬片一側(cè)彎曲。溫度越高，螺旋卷彎曲程度越大，進(jìn)而帶動指針在圓形分度標(biāo)尺上指示溫度值。常見的工業(yè)用雙金屬溫度計的刻度盤公稱直徑主要有60、100、150mm等。


圖1 雙金屬溫度計結(jié)構(gòu)示意圖
雙金屬溫度計制造完成后，一般采用直接比較法進(jìn)行標(biāo)定。參照《雙金屬溫度計檢定規(guī)程》中溫度示值誤差的檢定方法[4]，采用恒溫槽作為溫度源，提供若干個穩(wěn)定的溫度。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計作為溫度標(biāo)準(zhǔn)器測量并顯示溫度。將鉑電阻溫度計和被測雙金屬溫度計同時置于恒溫槽內(nèi)，校準(zhǔn)時，設(shè)定好需要校準(zhǔn)的溫度點，當(dāng)溫度達(dá)到平衡并且穩(wěn)定后，分別記錄恒溫槽溫度值和雙金屬溫度計的指針偏轉(zhuǎn)角度；然后在對應(yīng)的刻度盤上人工繪制該刻度線，其余刻度線則均勻分隔?？梢钥闯觯鲜鲞^程中存在若干個環(huán)節(jié)可能會導(dǎo)致雙金屬溫度計刻度盤標(biāo)定產(chǎn)生誤差。
2 基于拉格朗日插值的刻度盤標(biāo)定
實際上，溫度的變化與指針轉(zhuǎn)動的角度并非呈線性關(guān)系，這是由于金屬材料的線膨脹系數(shù)與溫度之間的非線性關(guān)系所致。金屬的熱膨脹是指金屬晶體的線度和體積隨溫度升高而增大的現(xiàn)象，金屬的線或體膨脹系數(shù)是表征膨脹特性的一個物理量[7]。金屬材料的伸長量ΔL與溫度變化量Δt的關(guān)系如下：
(1)其中為金屬的平均線膨脹系數(shù)，表示溫度每升高1℃伸長量ΔL與它在t0時的長度L0之比。在一定溫度范圍內(nèi)，溫度t時的伸長量ΔL與溫度的增加量Δt(Δt=t-t0)近似成正比，與原長L0成正比，此時金屬總長為：Lt=L0+ΔL
(2)當(dāng)Δt→0時，金屬材料線膨脹系數(shù)的真值α定義為：
(3)金屬材料的線膨脹系數(shù)α并不是一個常數(shù)，而是隨溫度稍有變化(通常隨溫度的升高而增大)。根據(jù)原子物理學(xué)推導(dǎo)的結(jié)果[8]，α可用t的多項式來表示：
α=A+Bt+Ct2+…
(4)其中，A、B、C為常數(shù)。據(jù)此可以推斷，雙金屬溫度計指針偏轉(zhuǎn)角度θ與溫度t并不是線性關(guān)系，而是服從多項式的非線性關(guān)系。因此，考慮采用拉格朗日插值多項式來擬合θ與t的關(guān)系。已知N+1個校準(zhǔn)的溫度-角度關(guān)系{tj，θj}(j=0,1,2,…,N)，則拉格朗日插值多項式為：
(5)其中，li(t)是以t0,…，tN為節(jié)點的N次插值基函數(shù)，計算式為：

(6)在這N+1個溫度校準(zhǔn)點均滿足θj=LN (tj)，其他溫度值對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度通過式(5)可計算得到。
3 刻度盤繪圖軟件
即使是同一規(guī)格和型號的雙金屬溫度計，其表盤刻度線也不是一致和均勻的。另外，序列號等各表盤非統(tǒng)一內(nèi)容，無法事先印制，需要后期人工添加，使得表盤測量精度和美觀受到影響。為此，需要設(shè)計專門的軟件，根據(jù)校驗后的數(shù)據(jù)等信息來繪制精確的具有個性的表盤。該軟件先要能有效控制工業(yè)平板打印機(jī)，精確高效地繪制表盤圖形、文字和刻度線，也需要具有良好的人機(jī)交互界面，方便輸入信息。具體的軟件流程如圖2所示。
圖2 刻度盤繪圖軟件流程
工業(yè)平板打印機(jī)可以打印較大的版面，現(xiàn)場可根據(jù)打印機(jī)實際情況選擇A3版面，如此，打印機(jī)可以同時打印6～8個表盤。每次繪圖只能是同一類型的表盤，雖然同一類型的表盤直徑是一樣的，但可以選擇不同的規(guī)格。不同類型的表盤在繪圖面板上的排列位置不同，小的采用2×4排列，大的采用3×2或2×2排列。
每個表盤的布局包括線條的長短粗細(xì)、顯示的溫度數(shù)字與線條的對準(zhǔn)、字體字號的選擇、整體布局及商標(biāo)繪制等。根據(jù)《雙金屬溫度計檢定規(guī)程》的規(guī)定，雙金屬溫度計表盤上應(yīng)標(biāo)有制造廠名(或廠標(biāo))、型號、出廠編號、好實用溫標(biāo)攝氏度的符號“℃”、準(zhǔn)確度等級和制造日期。這些在程序設(shè)計時都需要精心調(diào)整。
為了使用戶操作直觀方便，筆者借助Matlab在數(shù)據(jù)處理、圖形處理及打印等方面的優(yōu)勢[9]，利用Matlab的GUI Builder設(shè)計用戶操作界面(圖3)。界面顯示的布局中，公共信息部分安排在一起，每個盤劃分一個專門的區(qū)域用來輸入獨立的信息。程序運行前需要輸入刻度盤的信息較多，對于固定不變的(如繪圖版面及每個盤的**位置等)內(nèi)容，在程序中可直接給定；對于需要改變的信息，可根據(jù)情況分別用列表框、編輯框及選擇框等進(jìn)行輸入。
圖3 自定義盤繪圖軟件界面
刻度線的處理程序相對獨立，主要是利用上述公式進(jìn)行插值，求出需要標(biāo)識的刻度線所對應(yīng)的角度。由于溫度與指針偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系與表盤直徑無關(guān)，因此其相關(guān)子程序?qū)τ诓煌?guī)格的刻度盤是一樣的。為了避免因輸入數(shù)據(jù)錯誤而畫出廢盤，對輸入的每個表盤刻度參數(shù)，包括**小角度溫差、長線溫差、粗長線溫差及待顯示的溫度等都做了限制，只要有一個不滿足條件，則該盤不允許繪圖。
繪圖版面和坐標(biāo)的準(zhǔn)確設(shè)置是非常重要的，也是表盤精確定位和畫圖的關(guān)鍵。先利用figure()函數(shù)創(chuàng)建圖形窗口，設(shè)置窗口的PaperType屬性為A3，即采用A3版面進(jìn)行打印(其對應(yīng)寬29.7cm、高42cm)。然后利用axis()函數(shù)定義繪圖坐標(biāo)系，設(shè)置相應(yīng)的屬性使得坐標(biāo)范圍占據(jù)整個A3版面。如此便可以在坐標(biāo)系中精確繪制各種圖形和文字。
對表盤上的文字、圖形和商標(biāo)的處理相對比較繁瑣，Matlab中對文字的繪制與圖形的定位方式不同。文字內(nèi)容可以修改，但是文字位置對于不同的表盤都是有差別的，因此需要根據(jù)顯示效果精心調(diào)整，并且作為固定值在程序中給定。有商標(biāo)的表盤則需要設(shè)計專門的子程序來繪制。將需要繪制的各種信息和參數(shù)都確定后，在綜合打印信息模塊中進(jìn)行整合，即將每個刻度盤上要打印的所有信息換算到繪圖坐標(biāo)中。**后，打印機(jī)根據(jù)這些信息打印儀表盤。
4 應(yīng)用
刻度盤繪圖軟件需要在Matlab 7.0以上的環(huán)境運行。程序運行后好入主界面，可選擇不同的按鈕分別啟動各種繪圖方式，如規(guī)格刻度盤繪圖及自定義刻度盤繪圖等。對表盤上所有的顯示內(nèi)容的操作都在繪圖界面(圖3)上進(jìn)行。根據(jù)表盤的大小，每次可以同時繪制4、6、8個表盤不等。主要操作有4個方面。
型號和規(guī)格的選項。通過下拉列表可直接選擇WSS類型，同一張圖紙上只能畫一種WSS類型的盤。每個表盤的具體WSS號可通過下拉列表框選擇，也可在編輯框里直接輸入。
公共顯示內(nèi)容的選擇和編輯。表盤上的所有內(nèi)容都可以通過單獨選擇，決定是否繪制，包括刻度線、顯示溫度值、公司商標(biāo)、WSS規(guī)格號、表盤編號及公司名稱等。
溫度與角度數(shù)據(jù)的輸入。溫度與角度數(shù)據(jù)的輸入關(guān)系到儀表盤能否正確畫出。顯示溫度和標(biāo)定溫度對于規(guī)格盤來說，在選擇規(guī)格后會自動確定，而自定義盤則需要人工輸入；標(biāo)定角度對于兩種表盤都需要人工輸入。對于自定義盤，還需要輸入刻度線的信息，包括粗(長)線溫差、細(xì)(長)線溫差和**小溫差，3個數(shù)據(jù)應(yīng)成整數(shù)比例關(guān)系，否則不能正確畫圖。
表盤的定位與打印版面。表盤打印時并不需要特別的固定裝置，但必須放到精確的位置和角度。表盤的定位是通過每個盤的**小圓孔和水平垂直引線來實現(xiàn)的，如圖4所示。打印前先按打印預(yù)覽選項，觀察到如圖5所示的與圖紙上排列相同的表盤圖形。此打印預(yù)覽只能粗略顯示表盤的打印情況，大致觀察繪制的表盤是否正確。由于顯示器與打印機(jī)分辨率的差別，預(yù)覽圖形只能表示表盤的內(nèi)容與打印結(jié)果一樣，刻度和文字會有偏移或變形，可不必廢盤。各項信息**終確認(rèn)后，打印即可。
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