環(huán)境試驗設備溫度場的數據可視化

/ 上海市計量測試技術研究院

0 引言

在新冠疫情的影響下，培養(yǎng)箱、烘箱和冰箱等環(huán)境試驗設備校準需求大幅增加。為獲得更準確的實驗結果，醫(yī)生護士在使用以上設備時，需要根據校準證書提供的數據進行修正。校準證書也由當初的面向設備管理人員，轉向醫(yī)生護士等使用人員。以新冠病毒滅活培養(yǎng)箱為例，需58 ℃滅活30 min以上。參照JJF 1101-2019《環(huán)境試驗設備溫度、濕度參數校準規(guī)范》，證書中需標注該培養(yǎng)箱的設定值、上偏差、下偏差、均勻度、波動度和不確定度的結果。這些數據原本是面向設備管理人員的，對醫(yī)生護士等使用人員來說，艱澀難懂。故在此引入數據可視化這一概念，利用計算機圖形學和圖像處理技術,將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來,并進行有效的交互處理的理論、方法和技術。

本論文使用MATLAB，通過調用可視化函數，借助顏色的變化來顯示環(huán)境場內溫度的不同，實現環(huán)境試驗設備溫度可視化，提高客戶體驗與數據分析效率。

1 系統總體結構

系統由三個模塊構成，如圖1所示。

2 系統設計

2.1 溫度采集模塊

使用多通道溫度顯示儀表，對放置于設備內的9個點（或更多）每2 min進行一次采樣共計30 min的數據記錄。通過串口將數據傳輸到計算機，使用MATLAB讀取數據。

圖1 系統方案模塊

2.2 數據處理模塊

三維域溫度場是連續(xù)分布的，而通過溫度采集器獲得的數據是離散的，用離散的數據來表示連續(xù)場的分布及變化趨勢這一標量，要根據其實際背景及數據分布的特點，采用不同的可視化方案。

在此選擇雙立方插值法，對三維空間進行切片分析：

溫度采集點的長寬間距大小為m·n，培養(yǎng)箱實際大小為M·N。那么根據比例可以得到B（X，Y）在A上的對應坐標為A（x，y） =A[X（m/M），Y（n/N）]。在雙立方插值法中，選取的是16個點的溫度作為計算目標培養(yǎng)箱B（X，Y）處溫度的參數，如圖2所示。

如圖2所示，P點就是培養(yǎng)箱B在（X，Y）處對應于已知溫度點中的位置，P的坐標位置會出現小數部分，所以假設P的坐標為P（x+u，y+v），其中：x，y分別表示整數部分，u，v分別表示小數部分。那么就可以得到如圖2所示的最近16個點的溫度，在這里用a（i，j）（i，j= 0，1，2，3）來表示。

圖2 三維空間切片模型

雙立方插值的目的就是通過找到一種關系，或者說系數，可以把這16個溫度對于P處溫度值的影響因子找出來，從而根據這個影響因子來獲得目標圖像對應點的像素值，達到溫度連續(xù)分布的目的。

本文是基于BiCubic基函數的雙立方插值法，BiCubic基函數形式為

其中，a取-0.5

BiCubic函數具有如圖3所示形狀。

圖3 BiCubic函數

對待插值的像素點（x，y） （x和y可以為浮點數），取其附近的 4×4 鄰域點（xi，yj），i，j= 0，1，2，3。按公式進行插值計算求得個點溫度：

2.3 溫度場圖形輸出模塊

用彩色圖形來模擬計算區(qū)域的數據場，關鍵在于使用合適的溫-色標；以新冠滅活培養(yǎng)箱為例，約定最低滅活溫度為58 ℃，溫度場的溫度在58 ℃＜T＜68 ℃范圍內變化，間隔 0.1 ℃設置一個調色板，對溫度場進行涂色，低于58 ℃涂黑色，高于68 ℃涂白色。若顯示設備的顏色分辨力足夠，也可0.01 ℃一個調色板，溫度場變化也更加細致。

在用MLTLAB中的色彩圖形來模擬計算區(qū)域的數據場時，用到的函數為clormap、surf()、hot()，colorbar、view()、movie()等。以幾個函數舉例：

surf(x,y,z) % 繪制三維表面圖形；

surfc(x,y,z) %繪制帶有等高線的三維表面圖形；

surfl(x,y,z) %繪制帶有陰影的三維表面圖形；

coutour(x,y,z) % 等高線圖形。

最終可得到如圖4所示圖像。

圖4 溫度場模擬圖

按照規(guī)程，進行16次數據采集，可以獲得16張這樣的圖。制成動圖并存入二維碼，附在證書中，可以方便用戶看到設備內溫度分布，有更好的用戶交互，也幫助有需要的用戶進行詳細的分析。

3 實驗驗證

計量需要保證數據準確可靠。為驗證通過算法獲得數據與實際是否有出入，本文就兩個場景進行驗證。

3.1 平面空間

以磁振熱治療儀為例，熱墊溫度測試點分布如圖5所示，數字1～5為溫度傳感器放置點，白色圓形區(qū)域為隨機點可放置區(qū)域。

圖5 熱墊溫度測試點放置位置

在熱墊表面隨機取一點放置傳感器，待熱墊達到穩(wěn)定溫度后，記錄溫度數值，利用1～5溫度采集點計算隨機點溫度并與隨機點傳感器讀取進行對比。結果見表1，間隔2 min共計10次計算。

表1 熱墊隨機點溫度計算值與實際值

熱墊溫度分布較為均勻，熱量輸出也較為穩(wěn)定。在四款治療墊共計20次試驗中，計算值與實際值的偏差最大值不會超過±0.05 ℃。該方法能較好地通過驗證。

3.2 立體空間

在烘箱內放置如圖6所示測試架， 在每個角放置熱電偶進行溫度采集。固定測試熱電偶的測試架由非金屬材料制成，為了盡可能不改變空間內的溫度特性。并且為了保證測試準確性和空間位置的準確性，測試傳感器的測量端也盡可能地小。

圖6 測試架示意圖

數據采集器每隔2 min記錄所有測試傳感器的溫度，并記錄數據。使用黑線所連16個黑點數據進行計算，模擬其余4個黑點溫度，再與實際溫度進行比較。因數據量龐大且計算復雜，在此僅列出培養(yǎng)箱穩(wěn)定后第 0 min、15 min 和 30 min 的實際溫度與計算溫度的比較，如表2所示。

表2 數據對比

按JJF 1101-2019所規(guī)定的溫度穩(wěn)定可以進行數據采集時，培養(yǎng)箱內部靠近發(fā)熱單元的位置較熱，靠近門的溫度較低，空氣存在對流，溫度場也不是均勻分布，故計算和實際有一定的偏差。在6臺不同設備的總計30次試驗后，由空氣對流或設備仍在加熱引起的偏差不大于0.2 ℃，通過布置更多的測試點可以將偏差縮小到0.1 ℃以下。

當培養(yǎng)箱穩(wěn)定工作一段時間后，對流基本消失，計算溫度和實際溫度將相差無幾。計算數據可以準確地代表培養(yǎng)箱內部溫度。

也有特殊案例。在試驗過程中，遇到一臺藥品保存箱，正面為一扇玻璃門，內部有風扇，制冷時風扇會工作。具體試驗數據如圖7所示，橫軸為10次數據采集總計18 min，縱軸為4個溫度采集點，其中4號點離風扇最近，豎軸為計算溫度-實際溫度偏差值的數據，單位℃，數值越高說明結果越差。

圖7 溫度偏差值表

對這種硬件設計存在缺陷的實驗設備，雙立方插值法也無法真實地反應內部溫度場。這類保溫性能不好或內部有風扇的設備的波動度和均勻度都會較差，不適合保存對溫度敏感的生物或者藥物，故也沒有額外建模還原溫度場的價值。

除去上述這種特殊的情況，該方法目前在其他實驗場景中都能正常、準確、高效地使用。

4 結語

本實驗利用MATLAB強大的數據分析和可視化功能，實現環(huán)境試驗設備的溫度可視化顯示，將原本艱澀枯燥的數值信息轉換為輕松易懂的色彩視覺信息，提高了客戶的使用體驗與數值的分析效率。在實驗驗證中，該方法也能很好地還原設備的真實情形。隨著5G網絡與手機的發(fā)展，通過二維碼提供的環(huán)境溫度場可視化能力將大大提升。