化工原理实验中双纵坐标图的绘制方法

尹志芳　王锋　曾永林　胡拥军　龙立平

摘要：化工原理实验数据处理过程中经常会碰到双纵坐标图的绘制，文章以Excel和Sigmaplot工具为例，针对离心泵特性曲线的测定实验数据，分别介绍了双纵坐标图的绘制方法。学生通过对绘图工具进行多方面、多层次的深入学习，进一步加深对实验数据的分析能力，提高数据处理技能。

关键词：化工原理实验；双纵坐标；Excel；Sigma Plot

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）21-0185-02

化工原理理论及实验是化工类专业及化学、材料、环境等其他相关专业学生必修的一门专业基础课，是连接化工原理理论课与工程实践的桥梁。该课程旨在通过系列的单元操作实验，巩固和强化所学的理论知识及与工程问题的对接；培养发现问题、分析问题和解决工程实践问题的能力，进一步提高学生的工程素养。在实践过程中，逐渐开拓视野，掌握新的实验技术和方法，增强创新意识。但在化工原理实验过程中，涉及的实验数据较多，数据处理量大，绘制的图形需要关联的参数较多。比如莫迪图中需要将摩擦系数与相对粗糙度与雷诺数进行关联；离心泵特性曲线实验中需要绘制扬程（H）-流量qV，轴功率（P）-qV以及效率（η）-qV的关系图；干燥实验过程中，物料含水量-时间及物料表面温度-时间的关系。当两个纵坐标的数据分部区域接近时，可以采用单XY轴图。而当两个Y轴参数数据区域相差较大时，可以将部分参数放大一定的倍数使其数据区域接近。此外，绘制多纵坐标图往往更美观，更有对比性。很多同学只知道单XY轴图的绘制，需要绘制多纵坐标图时就束手无策。

化工原理理论及实验数据处理软件很多。其中Matlab，VB，Python等比较专业，需要编程，需要函数和矩阵知识，对使用者要求较高才能实现图表的绘制。Excel，Origin，SigmaPlot，GraphPad Prism，Aspen plus等無需编程，只要按照界面操作要求就能完成绘图。SigmaPlot和Origin的界面简单，操作也更容易入门和掌握，相比于Office自带的Excel，又提供了更多样的数据图表制作样式以及自定义编辑。要制作多条水平或垂直轴更为简便，对数据的拟合有更多的选择性。SigmaPlot的功能与Origin非常类似，但是在操作的易用性上会更好，某些样式的图导出后比Origin效果更好。

以下就Excel和SigmaPlot数据处理工具绘制双纵坐标图的方法进行介绍，以离心泵特性曲线测定实验数据为例，绘制H-qV、P-qV的双纵坐标图。

一、实验原理

离心泵是化工生产中输送液体常用的设备，主要性能参数有流量qV、扬程H、轴功率P和效率η等。在一定的转速下，qV、H、P和效率η都随q变化而变化。通过实验实验测出一定转速下的H-qV、P-qV和-q之间的关系，并以曲线表示，该曲线即为离心泵的特性曲线。

1.离心泵的流量用出口阀进行调节，用涡轮流量计进行测量。

2.扬程H的测定根据泵进口真空表和出口压力表两测压点截面间的伯努利方程得到。

H=h + +

式中h 为两测压截面之间的垂直距离，m；

u ，u 为泵进出管内流速，m/s。

3.离心泵的轴功率是泵轴所需要的功率，是用三相功率表测量的电动机的输入功率进行校正后（校正系数k为已知）得到的值。P =P ·k

4.由于离心泵各种能量损失的存在，轴功率仅有一部分提供给流体，即有效功率Pe。有效功率与轴功率的比值即为效率η。η=P /P =Hq ρg/P

二、实验数据作图方法

经初步处理后得到的流量、扬程、轴功率和效率的参数，绘制扬程、轴功率与流量的关联图（效率-流量关联图方法一致）。

1.Excel作图法。不同版本的Excel操作方式略有不同，但大同小异，下面以Excel2010为例。（1）打开Excel数据表，在该表中输入流量、扬程、轴功率三组数据。（2）选取数据表，菜单栏插入“散点图”。对系列1和系列2进行名称修改后得到H-qV和P-qV的关系图。（3）对轴功率坐标轴进行调整，选择“轴功率”的散点图，鼠标右键选择“设置数据系列格式”，将数据设置为“次坐标轴”（默认的是主坐标轴）（关键步骤）。（4）删掉次要水平轴，选中需要修改的坐标轴，右键选择“设置坐标轴格式”，对主要坐标轴的属性进行修改。在填充与线条下选择颜色（如黑色），在坐标轴中修改边界、单位、刻度线标记的类型等，在文本选项中修改刻度的字体和颜色等。（5）根据散点的规律添加趋势线，比如轴功率与流量符合线性关系，用直线进行拟合，扬程与流量符合抛物线方程，所以用多项式进行拟合。然后在填充与线条工具栏下可对图形的颜色或标记进行进一步的美化。（6）选中图形上的任意位置，直接点击图形，选中轴标题下需要标记的主要纵、横坐标轴和次要纵坐标轴，进行命名即可得到完整的双纵坐标图。

2.SigmaPlot作图法。SigmaPlot都是英文版，版本在不断更新，但操作方式也大同小异，下面以SigmaPlot 10.0为例。（1）打开SigmaPlot 10.0界面，在数据表Data1中有多个空白列，作双纵坐标图时，先输入对应的X和两列Y轴数据，选中1-3例的所有数据，选择X Multi Y，汇出两条曲线的散点图。（2）利用Graph-Add Axis-Plot 2-Y Axis-Right方位，即可添加第2条曲线的纵坐标Y（这是关键步骤），若需要作双横坐标图，则选择添加X Axis。（3）分别选中需要拟合的数据，对轴功率曲线进行直线拟合，对扬程曲线进行多项式拟合。（4）选中需要修改的数据，右键选Object Properties，对数据点的颜色和形状等属性进行修改，最后修改纵横坐标的标注，即可得到完美的双纵坐标图。

三、结论

对比两种作图工具作双纵坐标图的步骤可知，Excel作为Office的自带工具，大众化，获取方便，操作简单，已受到各行各业工作人员的青睐。SigmaPlot软件在绘图过程中使用简便，每一环节的引导性强，对复杂曲线的多项式拟合有更多的选择，拟合曲线的相关系数更好。其他几种界面操作型的数据处理软件在科研领域也越来越占据更多市场。学生只有通过对绘图工具进行多方面、多层次的深入学习，才能进一步加深对实验数据的分析能力，提高数据处理技能。

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