化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析

艾科熱木·克熱木（哈密地區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 哈密 839000）

化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析

艾科熱木·克熱木（哈密地區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 哈密 839000）

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(shí)，以供參考。

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(guó)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(duì)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(shí)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。化學(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(duì)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(shí)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(jiǎn)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(jiǎn)，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)。

2 MATLAB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(duì)MATLAB軟件在數(shù)據(jù)處理中的具體應(yīng)用進(jìn)行探討。

2.1 MATLAB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(gè)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(gè)程序完成所有數(shù)據(jù)處理工作。不過通過對(duì)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(kù)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(duì)這些相似之處進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可簡(jiǎn)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(shí)，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(kù)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(shí)，可這樣設(shè)置t=input（‘請(qǐng)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)會(huì)對(duì)流體流動(dòng)阻力狀況的研究，即，對(duì)流體的流動(dòng)阻力進(jìn)行測(cè)試，而后進(jìn)行針對(duì)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(duì)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(duì)函數(shù)，所以可得λ=c+aReb，尤其當(dāng)a、b、c均為常數(shù)時(shí)，此時(shí)令c=0，可得λ=aReb,又因Re和λ是成雙對(duì)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(duì)化工數(shù)據(jù)處理程序的基礎(chǔ)。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

采用以上思路對(duì)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(kù)，因此，對(duì)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(dòng)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建完成后，需要輸入相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)程序的運(yùn)行狀況進(jìn)行驗(yàn)證，以及時(shí)分析出程序設(shè)計(jì)的不合理之處，并及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。通過對(duì)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。

2.2 MATLAB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(duì)數(shù)據(jù)的處理建立在對(duì)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(cè)量?jī)x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?；?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(shí)，嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行取樣操作，保證每個(gè)取樣環(huán)節(jié)操作的正確性。其次，注重對(duì)樣品進(jìn)行正確處理。取樣操作完成后，對(duì)樣品操作是否合理、規(guī)范，會(huì)給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成影響，因此，化工實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品進(jìn)行破碎、混勻、縮小等操作時(shí)，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(cè)量?jī)x器?；瘜W(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)過程中使用的各種測(cè)量?jī)x器，這些儀器測(cè)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(duì)使用的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行認(rèn)真的檢查，部分對(duì)測(cè)量精度要求較高的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)對(duì)所用儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)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(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理流程的同時(shí)，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(shí)，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(duì)化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，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(cè)量?jī)x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(duì)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)。

[1]化學(xué)工程技術(shù)的熱點(diǎn)分析與發(fā)展趨勢(shì)[J].丁權(quán).化工管理.2016(30).

[2]MATLAB在化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].朱濤,徐文艷.化工高等教育.2008(01).

[3]化學(xué)工程與工藝實(shí)驗(yàn)[M].南京大學(xué)出版社,張雅明,谷和平,丁健編著,2006.

[4]化學(xué)反應(yīng)工程[M].化學(xué)工業(yè)出版社,郭鍇等編,2000.