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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(pán)標定及其繪圖軟件

  • 文章出處：http://www.marketakalvachova.com/
  • 責任編輯：祥盛
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  • 發(fā)表時(shí)間：2022-4-24 15:52:47
雙金屬溫度計具有能現場(chǎng)顯示溫度、直觀(guān)方便、安全可靠、成本低及使用壽命長(cháng)等優(yōu)勢，被廣泛應用于石油、化工、冶金及紡織等領(lǐng)域。雙金屬溫度計一般采用指針來(lái)指示現場(chǎng)溫度值，測量過(guò)程是人工直接讀數，因此刻度盤(pán)的準確性直接決定了溫度測量精度。過(guò)去，雙金屬溫度計刻度盤(pán)一般是批量生產(chǎn)，在標好廠(chǎng)統一加工的；對于低端產(chǎn)品，其刻度線(xiàn)、文字及商標圖形等內容一次性全部印刷完成，刻度線(xiàn)通常是均勻分布的；對于精度要求較高的產(chǎn)品，其刻度線(xiàn)后期由手工繪制，但精度有限。
隨著(zhù)信息科技的不斷進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)及打印等技術(shù)為傳統產(chǎn)業(yè)的改造提供了有利條件。噴墨式平板打印機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，且印刷位置準確、分辨率高，同時(shí)還可以實(shí)現彩色打印。噴墨式平板打印機印刷步驟簡(jiǎn)單，只需一臺普通PC機通過(guò)USB接口與打印機連接，配上繪圖軟件即可繪制個(gè)性化高精度的刻度盤(pán)。
在此，筆者利用拉格朗日插值法，根據校準溫度值的偏轉角度，對其他溫度對應的偏轉角度進(jìn)行擬合，計算出需要繪制的雙金屬溫度計刻度線(xiàn)對應的角度；然后利用Matlab程序設計語(yǔ)言編寫(xiě)刻度盤(pán)繪圖軟件，實(shí)現刻度線(xiàn)等所有表盤(pán)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場(chǎng)檢測儀表，可直接測量生產(chǎn)過(guò)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(gè)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。當金屬片溫度改變時(shí)，各層金屬膨脹或收縮，使得螺旋卷卷起或松開(kāi)。由于螺旋卷的一端固定而另一端與一個(gè)可自由轉動(dòng)的指針相連，因此當溫度升高時(shí)，膨脹系數較大的金屬片伸長(cháng)量大，致使整個(gè)雙金屬片向膨脹系數小的金屬片一側彎曲。溫度越高，螺旋卷彎曲程度越大，進(jìn)而帶動(dòng)指針在圓形分度標尺上指示溫度值。常見(jiàn)的工業(yè)用雙金屬溫度計的刻度盤(pán)公稱(chēng)直徑主要有60、100、150mm等。


圖1 雙金屬溫度計結構示意圖
雙金屬溫度計制造完成后，一般采用直接比較法進(jìn)行標定。參照《雙金屬溫度計檢定規程》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(gè)穩定的溫度。標準鉑電阻溫度計作為溫度標準器測量并顯示溫度。將鉑電阻溫度計和被測雙金屬溫度計同時(shí)置于恒溫槽內，校準時(shí)，設定好需要校準的溫度點(diǎn)，當溫度達到平衡并且穩定后，分別記錄恒溫槽溫度值和雙金屬溫度計的指針偏轉角度；然后在對應的刻度盤(pán)上人工繪制該刻度線(xiàn)，其余刻度線(xiàn)則均勻分隔?？梢钥闯?，上述過(guò)程中存在若干個(gè)環(huán)節可能會(huì )導致雙金屬溫度計刻度盤(pán)標定產(chǎn)生誤差。
2 基于拉格朗日插值的刻度盤(pán)標定
實(shí)際上，溫度的變化與指針轉動(dòng)的角度并非呈線(xiàn)性關(guān)系，這是由于金屬材料的線(xiàn)膨脹系數與溫度之間的非線(xiàn)性關(guān)系所致。金屬的熱膨脹是指金屬晶體的線(xiàn)度和體積隨溫度升高而增大的現象，金屬的線(xiàn)或體膨脹系數是表征膨脹特性的一個(gè)物理量[7]。金屬材料的伸長(cháng)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(xiàn)膨脹系數，表示溫度每升高1℃伸長(cháng)量ΔL與它在t0時(shí)的長(cháng)度L0之比。在一定溫度范圍內，溫度t時(shí)的伸長(cháng)量ΔL與溫度的增加量Δt(Δt=t-t0)近似成正比，與原長(cháng)L0成正比，此時(shí)金屬總長(cháng)為：Lt=L0+ΔL
(2)當Δt→0時(shí)，金屬材料線(xiàn)膨脹系數的真值α定義為：
(3)金屬材料的線(xiàn)膨脹系數α并不是一個(gè)常數，而是隨溫度稍有變化(通常隨溫度的升高而增大)。根據原子物理學(xué)推導的結果[8]，α可用t的多項式來(lái)表示：
α=A+Bt+Ct2+…
(4)其中，A、B、C為常數。據此可以推斷，雙金屬溫度計指針偏轉角度θ與溫度t并不是線(xiàn)性關(guān)系，而是服從多項式的非線(xiàn)性關(guān)系。因此，考慮采用拉格朗日插值多項式來(lái)擬合θ與t的關(guān)系。已知N+1個(gè)校準的溫度-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為節點(diǎn)的N次插值基函數，計算式為：

(6)在這N+1個(gè)溫度校準點(diǎn)均滿(mǎn)足θj=LN (tj)，其他溫度值對應的偏轉角度通過(guò)式(5)可計算得到。
3 刻度盤(pán)繪圖軟件
即使是同一規格和型號的雙金屬溫度計，其表盤(pán)刻度線(xiàn)也不是一致和均勻的。另外，序列號等各表盤(pán)非統一內容，無(wú)法事先印制，需要后期人工添加，使得表盤(pán)測量精度和美觀(guān)受到影響。為此，需要設計專(zhuān)門(mén)的軟件，根據校驗后的數據等信息來(lái)繪制精確的具有個(gè)性的表盤(pán)。該軟件先要能有效控制工業(yè)平板打印機，精確高效地繪制表盤(pán)圖形、文字和刻度線(xiàn)，也需要具有良好的人機交互界面，方便輸入信息。具體的軟件流程如圖2所示。
圖2 刻度盤(pán)繪圖軟件流程
工業(yè)平板打印機可以打印較大的版面，現場(chǎng)可根據打印機實(shí)際情況選擇A3版面，如此，打印機可以同時(shí)打印6～8個(gè)表盤(pán)。每次繪圖只能是同一類(lèi)型的表盤(pán)，雖然同一類(lèi)型的表盤(pán)直徑是一樣的，但可以選擇不同的規格。不同類(lèi)型的表盤(pán)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(gè)表盤(pán)的布局包括線(xiàn)條的長(cháng)短粗細、顯示的溫度數字與線(xiàn)條的對準、字體字號的選擇、整體布局及商標繪制等。根據《雙金屬溫度計檢定規程》的規定，雙金屬溫度計表盤(pán)上應標有制造廠(chǎng)名(或廠(chǎng)標)、型號、出廠(chǎng)編號、好實(shí)用溫標攝氏度的符號“℃”、準確度等級和制造日期。這些在程序設計時(shí)都需要精心調整。
為了使用戶(hù)操作直觀(guān)方便，筆者借助Matlab在數據處理、圖形處理及打印等方面的優(yōu)勢[9]，利用Matlab的GUI Builder設計用戶(hù)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(gè)盤(pán)劃分一個(gè)專(zhuān)門(mén)的區域用來(lái)輸入獨立的信息。程序運行前需要輸入刻度盤(pán)的信息較多，對于固定不變的(如繪圖版面及每個(gè)盤(pán)的**位置等)內容，在程序中可直接給定；對于需要改變的信息，可根據情況分別用列表框、編輯框及選擇框等進(jìn)行輸入。
圖3 自定義盤(pán)繪圖軟件界面
刻度線(xiàn)的處理程序相對獨立，主要是利用上述公式進(jìn)行插值，求出需要標識的刻度線(xiàn)所對應的角度。由于溫度與指針偏轉角度的關(guān)系與表盤(pán)直徑無(wú)關(guān)，因此其相關(guān)子程序對于不同規格的刻度盤(pán)是一樣的。為了避免因輸入數據錯誤而畫(huà)出廢盤(pán)，對輸入的每個(gè)表盤(pán)刻度參數，包括**小角度溫差、長(cháng)線(xiàn)溫差、粗長(cháng)線(xiàn)溫差及待顯示的溫度等都做了限制，只要有一個(gè)不滿(mǎn)足條件，則該盤(pán)不允許繪圖。
繪圖版面和坐標的準確設置是非常重要的，也是表盤(pán)精確定位和畫(huà)圖的關(guān)鍵。先利用figure()函數創(chuàng )建圖形窗口，設置窗口的PaperType屬性為A3，即采用A3版面進(jìn)行打印(其對應寬29.7cm、高42cm)。然后利用axis()函數定義繪圖坐標系，設置相應的屬性使得坐標范圍占據整個(gè)A3版面。如此便可以在坐標系中精確繪制各種圖形和文字。
對表盤(pán)上的文字、圖形和商標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。文字內容可以修改，但是文字位置對于不同的表盤(pán)都是有差別的，因此需要根據顯示效果精心調整，并且作為固定值在程序中給定。有商標的表盤(pán)則需要設計專(zhuān)門(mén)的子程序來(lái)繪制。將需要繪制的各種信息和參數都確定后，在綜合打印信息模塊中進(jìn)行整合，即將每個(gè)刻度盤(pán)上要打印的所有信息換算到繪圖坐標中。**后，打印機根據這些信息打印儀表盤(pán)。
4 應用
刻度盤(pán)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(dòng)各種繪圖方式，如規格刻度盤(pán)繪圖及自定義刻度盤(pán)繪圖等。對表盤(pán)上所有的顯示內容的操作都在繪圖界面(圖3)上進(jìn)行。根據表盤(pán)的大小，每次可以同時(shí)繪制4、6、8個(gè)表盤(pán)不等。主要操作有4個(gè)方面。
型號和規格的選項。通過(guò)下拉列表可直接選擇WSS類(lèi)型，同一張圖紙上只能畫(huà)一種WSS類(lèi)型的盤(pán)。每個(gè)表盤(pán)的具體WSS號可通過(guò)下拉列表框選擇，也可在編輯框里直接輸入。
公共顯示內容的選擇和編輯。表盤(pán)上的所有內容都可以通過(guò)單獨選擇，決定是否繪制，包括刻度線(xiàn)、顯示溫度值、公司商標、WSS規格號、表盤(pán)編號及公司名稱(chēng)等。
溫度與角度數據的輸入。溫度與角度數據的輸入關(guān)系到儀表盤(pán)能否正確畫(huà)出。顯示溫度和標定溫度對于規格盤(pán)來(lái)說(shuō)，在選擇規格后會(huì )自動(dòng)確定，而自定義盤(pán)則需要人工輸入；標定角度對于兩種表盤(pán)都需要人工輸入。對于自定義盤(pán)，還需要輸入刻度線(xiàn)的信息，包括粗(長(cháng))線(xiàn)溫差、細(長(cháng))線(xiàn)溫差和**小溫差，3個(gè)數據應成整數比例關(guān)系，否則不能正確畫(huà)圖。
表盤(pán)的定位與打印版面。表盤(pán)打印時(shí)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(pán)的定位是通過(guò)每個(gè)盤(pán)的**小圓孔和水平垂直引線(xiàn)來(lái)實(shí)現的，如圖4所示。打印前先按打印預覽選項，觀(guān)察到如圖5所示的與圖紙上排列相同的表盤(pán)圖形。此打印預覽只能粗略顯示表盤(pán)的打印情況，大致觀(guān)察繪制的表盤(pán)是否正確。由于顯示器與打印機分辨率的差別，預覽圖形只能表示表盤(pán)的內容與打印結果一樣，刻度和文字會(huì )有偏移或變形，可不必廢盤(pán)。各項信息**終確認后，打印即可。
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