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雙金屬溫度計刻度盤標定及其繪圖軟件

關鍵詞: 板式殺菌鍋專用溫度計 雙金屬溫度計 玻璃水銀溫度計 金屬不鏽鋼溫度計 V型溫度計 玻璃溫度計 玻璃轉子流量計 │ 發表時間:2020-11-28

雙金屬溫度計具有能現場顯示溫度、直觀方便、安全可靠、成本低及使用壽命長等優勢,被廣泛應用於石油、化工、冶金及紡織等領域。雙金屬溫度計一般采用指針來指示現場溫度值,測量過程是人工直接讀數,因此刻度盤的準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,在標牌廠統一加工的;對於低端產品,其刻度線、文字及商標圖形等內容一次性全部印刷完成,刻度線通常是均勻分布的;對於精度要求較高的產品,其刻度線後期由手工繪製,但精度有限。
隨著信息科技的不斷進步,互聯網及打印等技術為傳統產業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麵的打印變得更加容易[3],它不僅可以在質地堅韌的水晶、石材、金屬及玻璃等材料上印刷,還可以在質地鬆軟的皮革、布料及棉質等物料上印刷,且印刷位置準確、分辨率高,同時還可以實現彩色打印。噴墨式平板打印機印刷步驟簡單,隻需一台普通PC機通過USB接口與打印機連接,配上繪圖軟件即可繪製個性化高精度的刻度盤。
在此,筆者利用拉格朗日插值法,根據校準溫度值的偏轉角度,對其他溫度對應的偏轉角度進行擬合,計算出需要繪製的雙金屬溫度計刻度線對應的角度;然後利用Matlab程序設計語言編寫刻度盤繪圖軟件,實現刻度線等所有表盤信息的輸入和繪製,並控製打印。

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檢測儀表,可直接測量生產過程中-80~500℃的液體、蒸汽和氣體介質溫度。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,通常將金屬片製成螺旋卷形狀。當金屬片溫度改變時,各層金屬膨脹或收縮,使得螺旋卷卷起或鬆開。由於螺旋卷的一端固定而另一端與一個可自由轉動的指針相連,因此當溫度升高時,膨脹係數較大的金屬片伸長量大,致使整個雙金屬片向膨脹係數小的金屬片一側彎曲。溫度越高,螺旋卷彎曲程度越大,進而帶動指針在圓形分度標尺上指示溫度值。常見的工業用雙金屬溫度計的刻度盤公稱直徑主要有60、100、150mm等。


圖1 雙金屬溫度計結構示意圖
雙金屬溫度計製造完成後,一般采用直接比較法進行標定。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,提供若幹個穩定的溫度。標準鉑電阻溫度計作為溫度標準器測量並顯示溫度。將鉑電阻溫度計和被測雙金屬溫度計同時置於恒溫槽內,校準時,設定好需要校準的溫度點,當溫度達到平衡並且穩定後,分別記錄恒溫槽溫度值和雙金屬溫度計的指針偏轉角度;然後在對應的刻度盤上人工繪製該刻度線,其餘刻度線則均勻分隔。可以看出,上述過程中存在若幹個環節可能會導致雙金屬溫度計刻度盤標定產生誤差。
2 基於拉格朗日插值的刻度盤標定
實際上,溫度的變化與指針轉動的角度並非呈線性關係,這是由於金屬材料的線膨脹係數與溫度之間的非線性關係所致。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象,金屬的線或體膨脹係數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的關係如下:
(1)其中為金屬的平均線膨脹係數,表示溫度每升高1℃伸長量ΔL與它在t0時的長度L0之比。在一定溫度範圍內,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Δt→0時,金屬材料線膨脹係數的真值α定義為:
(3)金屬材料的線膨脹係數α並不是一個常數,而是隨溫度稍有變化(通常隨溫度的升高而增大)。根據原子物理學推導的結果[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。據此可以推斷,雙金屬溫度計指針偏轉角度θ與溫度t並不是線性關係,而是服從多項式的非線性關係。因此,考慮采用拉格朗日插值多項式來擬合θ與t的關係。已知N+1個校準的溫度-角度關係{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為節點的N次插值基函數,計算式為:

(6)在這N+1個溫度校準點均滿足θj=LN (tj),其他溫度值對應的偏轉角度通過式(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一內容,無法事先印製,需要後期人工添加,使得表盤測量精度和美觀受到影響。為此,需要設計專門的軟件,根據校驗後的數據等信息來繪製精確的具有個性的表盤。該軟件首先要能有效控製工業平板打印機,精確高效地繪製表盤圖形、文字和刻度線,也需要具有良好的人機交互界麵,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
工業平板打印機可以打印較大的版麵,現場可根據打印機實際情況選擇A3版麵,如此,打印機可以同時打印6~8個表盤。每次繪圖隻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格。不同類型的表盤在繪圖麵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、顯示的溫度數字與線條的對準、字體字號的選擇、整體布局及商標繪製等。根據《雙金屬溫度計檢定規程》的規定,雙金屬溫度計表盤上應標有製造廠名(或廠標)、型號、出廠編號、國際實用溫標攝氏度的符號“℃”、準確度等級和製造日期。這些在程序設計時都需要精心調整。
為了使用戶操作直觀方便,筆者借助Matlab在數據處理、圖形處理及打印等方麵的優勢[9],利用Matlab的GUI Builder設計用戶操作界麵(圖3)。界麵顯示的布局中,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,對於固定不變的(如繪圖版麵及每個盤的中心位置等)內容,在程序中可直接給定;對於需要改變的信息,可根據情況分別用列表框、編輯框及選擇框等進行輸入。
圖3 自定義盤繪圖軟件界麵
刻度線的處理程序相對獨立,主要是利用上述公式進行插值,求出需要標識的刻度線所對應的角度。由於溫度與指針偏轉角度的關係與表盤直徑無關,因此其相關子程序對於不同規格的刻度盤是一樣的。為了避免因輸入數據錯誤而畫出廢盤,對輸入的每個表盤刻度參數,包括最小角度溫差、長線溫差、粗長線溫差及待顯示的溫度等都做了限製,隻要有一個不滿足條件,則該盤不允許繪圖。


繪圖版麵和坐標的準確設置是非常重要的,也是表盤精確定位和畫圖的關鍵。首先利用figure()函數創建圖形窗口,設置窗口的PaperType屬性為A3,即采用A3版麵進行打印(其對應寬29.7cm、高42cm)。然後利用axis()函數定義繪圖坐標係,設置相應的屬性使得坐標範圍占據整個A3版麵。如此便可以在坐標係中精確繪製各種圖形和文字。
對表盤上的文字、圖形和商標的處理相對比較繁瑣,Matlab中對文字的繪製與圖形的定位方式不同。文字內容可以修改,但是文字位置對於不同的表盤都是有差別的,因此需要根據顯示效果精心調整,並且作為固定值在程序中給定。有商標的表盤則需要設計專門的子程序來繪製。將需要繪製的各種信息和參數都確定後,在綜合打印信息模塊中進行整合,即將每個刻度盤上要打印的所有信息換算到繪圖坐標中。最後,打印機根據這些信息打印儀表盤。
4 應用
刻度盤繪圖軟件需要在Matlab 7.0以上的環境運行。程序運行後首先進入主界麵,可選擇不同的按鈕分別啟動各種繪圖方式,如規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容的操作都在繪圖界麵(圖3)上進行。根據表盤的大小,每次可以同時繪製4、6、8個表盤不等。主要操作有4個方麵。
型號和規格的選項。通過下拉列表可直接選擇WSS類型,同一張圖紙上隻能畫一種WSS類型的盤。每個表盤的具體WSS號可通過下拉列表框選擇,也可在編輯框裏直接輸入。
公共顯示內容的選擇和編輯。表盤上的所有內容都可以通過單獨選擇,決定是否繪製,包括刻度線、顯示溫度值、公司商標、WSS規格號、表盤編號及公司名稱等。
溫度與角度數據的輸入。溫度與角度數據的輸入關係到儀表盤能否正確畫出。顯示溫度和標定溫度對於規格盤來說,在選擇規格後會自動確定,而自定義盤則需要人工輸入;標定角度對於兩種表盤都需要人工輸入。對於自定義盤,還需要輸入刻度線的信息,包括粗(長)線溫差、細(長)線溫差和最小溫差,3個數據應成整數比例關係,否則不能正確畫圖。
表盤的定位與打印版麵。表盤打印時並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中心小圓孔和水平垂直引線來實現的,如圖4所示。打印前先按打印預覽選項,觀察到如圖5所示的與圖紙上排列相同的表盤圖形。此打印預覽隻能粗略顯示表盤的打印情況,大致觀察繪製的表盤是否正確。由於顯示器與打印機分辨率的差別,預覽圖形隻能表示表盤的內容與打印結果一樣,刻度和文字會有偏移或變形,可不必廢盤。各項信息最終確認後,打印即可。