Origin软件在多釜串联返混性能测定实验教学中的应用
邓人攀，李燕
（石河子大学化学化工学院 新疆兵团化工绿色过程重点实验室，新疆 石河子）
摘 要： “多釜串联返混性能测定实验”是《化工专业综合实验》中关于停留时间分布及流体流动特性的重要实验。本实验数据量大，传统的处理方法繁琐复杂，十分费时。本文介绍了利用origin软件处理该实验数据的具体方法和过程。实践表明，利用Origin软件不仅可高效处理本实验的数据，极大地缩短了数据处理的时间，还可方便绘制停留时间分布密度函数及停留时间分布函数图像，且其处理数据精确度也较高，计算值与理论值偏差较小。
关键词： Origin软件；数据处理；积分；化工专业实验；停留时间分布
《化工专业综合实验》是高等院校化学工程与工艺专业开设的一门专业必修课程。其主要任务是巩固学生的专业理论知识并进一步加深对这些知识的理解；通过较为系统的实验室锻炼来培养学生的动手能力、分析问题的能力、创新思维及参加科学研究的能力[1]。与其他类型的实验课程相比，《化工专业综合实验》的实践性、专业性、综合性更强[2]。其特点包括实验设计较复杂，实验流程较长，规模较大等。“多釜串联返混性能测定实验”的内容隶属于反应工程的范畴，所涉及到的专业知识包括反应器特性、流体流动特性以及停留时间分布等。本实验目的：一是加深对停留时间分布测定基本原理和方法的理解；二是学习和掌握停留时间分布的统计特征值的计算方法；三是通过实验学会用多釜串联模型来描述非理想流动现象。
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一 传统多釜串联返混性能测定实验数据处理方法
本实验的实验原理是：在反应器入口以脉冲方式加入示踪剂（氯化钾），然后通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接地描述反应器内流体的停留时间分布。本实验的特点之一是实验数据处理繁琐复杂。实验实测数据为氯化钾的在t时刻的电导率i(t)，亦即i(t)～t曲线。由电导率可通过式1计算停留时间分布密度函数E(t)。
E(t)知悉后，可通过式2计算停留时间分布函数F(t)。
欲求多釜串联模型的模型参数（即釜数N），需先求得平均停留时间t及方差σt2，其计算公式分别如下：
每组实验结束时，实测时间t（以秒计）因流量不同而不同，短则数百秒，长则数千秒。再考虑到多釜串联（一般为三釜串联）需计算每个单釜的模型参数N，而流量至少也选取3组，因而实际所需处理的数据量多达几千组，十分繁琐。传统的处理方法是利用Excel软件，调用其相关函数进行计算。但由于数据量过多，学生普遍反映数据处理工作量巨大，十分费时。且由于利用Excel软件进行积分运算较难实现，因而绘制F(t)～t曲线十分困难。
由以上实验数据处理过程可知，相关计算需用到大量的积分运算。传统的数据处理方法是先利用辛普森积分公式（如式6所示）计算i(t)～t曲线所围面积S。
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表1 本实验实测物理量及所需计算物理量表
根据所求平均停留时间t及方差σt2，通过式5计算多釜串联模型的模型参数N。
Oringin软件是由美国OringinLab公司开发的数据绘图和分析软件，其数据分析功能十分强大，包括函数拟合、数据运算、数字信号分析、各类谱线分析和统计分析应用等[3,4]，目前已成为一款教学和科研的常用软件。事实上，Origin软件在化工专业实验、大学物理实验、物理化学实验、电工实验、分析化学、数学建模等实验或理论课程的相关教学中都有成功应用的经验[5-10]。
式中，n为所测数据点的间隔数。接着由公式1～5分别计算停留时间分布密度函数、停留时间分布函数、平均停留时间、方差及模型参数。根据结算结果，学生在实验报告中需需绘制出E(t)～t曲线及F(t)～t曲线。本实验实测物理量及所需具体计算的物理量如表1所示。
二 Origin软件在多釜串联返混性能测定实验数据处理中的应用
多项研究证据和系统评价支持上肢机器人在改善脑卒中患者运动和功能方面的效果[5-8]。有研究证实[9-10]，机器人辅助的训练次数从2500～3600次不等，经过大量重复累积效应，可以有效地促进大脑的可塑性以及功能重组，从而提高偏瘫侧上肢的运动功能。
借助于Origin软件强大的积分运算功能，可高效的处理“多釜串联返混性能测定实验”的实验数据，其具体操作过程和步骤如图1所示。origin软件的使用方法，包括曲线绘制，积分运算工具的调用等在许多文献中都有详细介绍，笔者在此不再赘述。
图1 Origin软件处理多釜串联返混性能测定实验数据的过程和步骤
图2 Origin软件绘制的停留时间分布密度函数图像
图3 Origin软件绘制的停留时间分布函数图像
根据如上步骤，利用Origin软件可十分便捷的绘制出E(t)～t曲线及F(t)～t曲线。图2及3分别给出了某流量下第一个釜的停留时间分布密度函数及停留时间分布函数图像。表2则给出了该实验条件下所需计算物理量的具体计算结果。由表中数据可知，利用origin软件处理数据精确度较高，本实验所求模型参数N与理论值偏差十分小。
玉米出苗前，应及时检查发芽情况，及时复种腐烂种子和腐烂芽，出苗后，适时用多余的苗木或预备苗进行缺苗复种。当玉米叶片3-4片时，应移除弱苗和病苗，并设置1个等距苗。人工通常去除早期抽穗植物和弱植物、疾病和昆虫的耳朵。去雄植物的数量应控制在植物总数的35%～40%。地面上的几行不应去掉，以确保授粉的顺利进行。在雨季授粉的关键时期，需要人工辅助授粉。每亩7叶1心时，追施尿素15kg，田间除草，孕穗期追施尿素100：3，水100：3。乙草胺、禾本科、异丙基氯、百农茜均可用于苗期杂草的防治，玉农龙乐悬乳剂可用于苗期杂草的防治。
表2 本实验实测物理量及所需计算物理量表
三 结语
利用Oringin软件不仅可高效处理“多釜串联返混性能测定实验”的实验数据，极大地缩短了数据处理的时间，还可方便的绘制停留时间分布密度函数及停留时间分布函数图像。另一方面，其处理数据精确度也较高，计算值与理论值偏差较小。本文虽仅针对“多釜串联返混性能测定实验”，但事实上Origin软件对于处理涉及到积分、求导、拟合等相关问题时，都有很强的适用性。实践表明，Origin软件在处理数据庞杂的实验数据及分析中具有强大的优势。
参考文献
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Application of Origin Software in the Experiment Teaching of Multi-tank Series Back Mixing Performance Measurement
DENG Ren-pan，LI Yan
( School of Chemistry and Chemical Engineering/Key Laboratory for Green Processing of Chemical Engineering of Xinjiang Bingtuan, Shihezi University,Shihezi, Xinjiang, )
Abstract: The experiment of multi-tank series back mixing performance measurement is an important experiment on the residence time distribution and fluid flow characteristics in“Chemical Engineering Comprehensive Experiments”. The amount of data in this experiment is large, and the traditional processing method is cumbersome and complicated, which is very time consuming. In this paper, the specific methods and processes for the experimental data processing by using origin software is introduced. Practice shows that the Origin software can not only process the experiment data efficiently, but also greatly shorten the data processing time. It can also conveniently draw the curve of residence time distribution density function and the residence time distribution function. Also, the accuracy of the processed data is high, which the calculated value has a small deviation from the theoretical value.
Keywords: Origin software； Data processing； Integral； Chemical engineering experiment； Residence time distribution
本文引用格式： 邓人攀 等.Origin软件在多釜串联返混性能测定实验教学中的应用[J]. 教育现代化，2019，6（57）：76-78.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.57.026
作者简介： 邓人攀，男，四川广安人，工学博士学位，化工系副主任，硕士研究生。研究方向：工业催化和仿生化工。
标签：Origin软件论文; 数据处理论文; 积分论文; 化工专业实验论文; 停留时间分布论文; 石河子大学化学化工学院新疆兵团化工绿色过程重点实验室论文;