計(jì)算機(jī)繪制E-pH 圖的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

□劉韶華

M．Pourbaix 教授是比利時(shí)著名的腐蝕學(xué)家，1938年他根據(jù)物質(zhì)在水溶液的性質(zhì)以及Nernst方程首先提出了E-pH 圖，又稱Pourbaix 圖［1］。E-pH 圖是以水溶液的pH 值為橫坐標(biāo)，給定元素(M)的電極電位為縱坐標(biāo)，將M -H2O 體系所有的熱力學(xué)平衡條件集中地表示在一個(gè)平面圖上，能反映質(zhì)子和電子對(duì)平衡反應(yīng)體系的影響關(guān)系，可利用它闡述和選擇最佳生產(chǎn)工藝條件［2］。E-pH 圖的應(yīng)用十分廣泛，為化學(xué)研究、濕法冶金研究、硫化礦浮選研究和金屬腐蝕研究等，作出了巨大貢獻(xiàn)［3］。

在E-pH 圖的繪制過(guò)程中，涉及到許多熱力學(xué)數(shù)據(jù)的查詢和計(jì)算，計(jì)算量大、繪圖復(fù)雜，手工繪制常會(huì)遇到很多困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用，人們?cè)絹?lái)越重視E -pH 圖的研究，通過(guò)不斷的研究，也開(kāi)發(fā)出了許多的計(jì)算繪圖軟件。與此同時(shí)，熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步的普及，E-pH 圖的繪制程序也被嵌入了越來(lái)越多的大型熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，并且成為其功能模塊，這不僅提高了效率，還大大方便了用戶［4］。本文將討論計(jì)算機(jī)繪制E-pH 圖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的工作方式。

一、E-pH 圖繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

E-pH 圖繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主控模塊和子模塊構(gòu)成。用戶通過(guò)主控模塊調(diào)用各級(jí)子模塊，完成指定功能。各子模塊相互獨(dú)立，可通過(guò)主控模塊相互調(diào)用。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法被本系統(tǒng)的程序所應(yīng)用，且本系統(tǒng)的程序采用“自頂向下”一步步擴(kuò)大的編程方法，通過(guò)控制結(jié)構(gòu)完成程序執(zhí)行走向。對(duì)于程序維護(hù)員來(lái)說(shuō)，這種方法編出的程序結(jié)構(gòu)好，易讀、易改、易維護(hù)。

(一)主控模塊設(shè)計(jì)。主控模塊是E-pH 圖繪制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，它連接并控制著系統(tǒng)中所有的子模塊。系統(tǒng)通過(guò)主控模塊接收用戶的指令，對(duì)用戶指令進(jìn)行初始化，并調(diào)用相應(yīng)的子模塊進(jìn)行計(jì)算和繪圖。通過(guò)主控模塊還可以訪問(wèn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。

(二)平衡模塊設(shè)計(jì)。經(jīng)主控模塊初始化后的用戶指令被平衡模塊處理后，可確定溶液體系中可能存在的各種物種及反應(yīng)。主模塊調(diào)用平衡模塊中的“方程式自動(dòng)配平”模塊，將所確定的反應(yīng)配平，因?yàn)橛脩艚o定了一些條件，為了判斷這些反應(yīng)方程式在這些條件下能否發(fā)生，可以再調(diào)用其中的“計(jì)算分析”模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后去掉這些未能發(fā)生的反應(yīng)，可以建立一套系統(tǒng)的化學(xué)模型，并且在“工作庫(kù)”中將其以臨時(shí)文件的方式保存下來(lái)。

(三)計(jì)算模塊設(shè)計(jì)。經(jīng)主模塊或平衡模塊處理過(guò)的數(shù)據(jù)，利用計(jì)算模塊來(lái)計(jì)算繪圖過(guò)程中所需要的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。然后對(duì)所得出的熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，從而得出E -pH 的關(guān)系式。最后將處理結(jié)果以臨時(shí)文件保存到“工作庫(kù)”中。

(四)優(yōu)勢(shì)區(qū)模塊設(shè)計(jì)。該模塊通過(guò)訪問(wèn)“工作庫(kù)”中保存的單變線方程，判定構(gòu)成完整E -pH 圖的三相點(diǎn)和邊界點(diǎn)，刪除不可能存在的點(diǎn)和超出邊界的點(diǎn)，合并重合的及偏差范圍內(nèi)的點(diǎn)［4］。該模塊由循環(huán)判斷語(yǔ)句構(gòu)成，經(jīng)過(guò)多次迭代檢測(cè)完成其功能。

(五)繪圖模塊設(shè)計(jì)。這個(gè)模塊主要是根據(jù)用戶所提的要求，通過(guò)把“工作庫(kù)”中保存的各子模塊的數(shù)據(jù)調(diào)用出來(lái)，繪制E-pH 圖，并以臨時(shí)文件保存到“工作庫(kù)”中，為圖形的復(fù)制、存儲(chǔ)、打印提供條件。

(六)數(shù)據(jù)表格模塊設(shè)計(jì)。這個(gè)模塊將“工作庫(kù)”中保存的數(shù)據(jù)(重要參數(shù)和計(jì)算結(jié)果)用動(dòng)態(tài)圖表表現(xiàn)出來(lái)，并以臨時(shí)文件保存到“工作庫(kù)”中，為圖表的復(fù)制、存儲(chǔ)、打印提供條件。

(七)工作庫(kù)設(shè)計(jì)。由于大量的臨時(shí)文件會(huì)在E-pH 圖計(jì)算繪制過(guò)程中產(chǎn)生，如果在生成臨時(shí)文件的模塊下將其保存下來(lái)，那么在調(diào)用臨時(shí)文件的時(shí)候就一定要先訪問(wèn)相應(yīng)子模塊，或者需要訪問(wèn)更多的相關(guān)模塊，這樣就一定會(huì)拉低數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的工作效率，加大工作量，這也是對(duì)數(shù)據(jù)資源的一種浪費(fèi)。所以就設(shè)計(jì)了“工作庫(kù)”用來(lái)保存各模塊產(chǎn)生的臨時(shí)文件，這樣就可以直接訪問(wèn)“工作庫(kù)”，大大提高了速度。另外，在操作過(guò)程中為了避免意外對(duì)源數(shù)據(jù)庫(kù)造成損壞，一切需要在源數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行的操作必須要先在“工作庫(kù)”中進(jìn)行，確認(rèn)無(wú)誤后才能正式轉(zhuǎn)入主數(shù)據(jù)庫(kù)文件中。這樣就充分保護(hù)了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性［3，5］。

二、E-pH 圖繪制系統(tǒng)工作過(guò)程

E-pH 圖繪制系統(tǒng)工作時(shí)，用戶通過(guò)主模塊調(diào)用子模塊，在子模塊過(guò)程文件中調(diào)用各子模塊命令文件。具體過(guò)程為:

(一)用戶從系統(tǒng)主界面進(jìn)入E -pH 圖繪制系統(tǒng)。輸入指令，如體系名稱、溫度、活度值、坐標(biāo)軸范圍、坐標(biāo)單位長(zhǎng)度等。

(二)主模塊在“工作庫(kù)”中檢索。假如已有相應(yīng)的圖表存在于“工作庫(kù)”中，那么會(huì)給用戶提示，征求用戶是直接調(diào)用還是通過(guò)程序繪制。若需要重新繪圖，則根據(jù)輸入信息確定體系中存在的組分和化學(xué)反應(yīng)，配平化學(xué)方程式，建立起化學(xué)模型。

(三)檢索相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)并調(diào)用計(jì)算模塊。計(jì)算繪圖過(guò)程所需熱力學(xué)數(shù)據(jù)，并建立單變線模型(E-pH 關(guān)系式)。

(四)繪制結(jié)果輸出。繪制結(jié)果可以以E -pH 圖形形式輸出，也可以將重要數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表格形式輸出。

三、結(jié)語(yǔ)

E-pH 圖繪制系統(tǒng)可根據(jù)用戶指令計(jì)算并繪制E-pH 圖。并且計(jì)算出結(jié)果后，用戶可以選擇以何種形式輸出(數(shù)據(jù)表格形式或者圖形形式)。該系統(tǒng)在相同坐標(biāo)范圍及單位長(zhǎng)度下可實(shí)現(xiàn)圖形間的疊加。可使復(fù)雜體系的處理變得簡(jiǎn)單，同時(shí)使圖形間的比較變得直觀［4］。系統(tǒng)工作時(shí)，主模塊通過(guò)調(diào)用子模塊過(guò)程文件中的命令文件實(shí)現(xiàn)其功能。所有操作均先在工作庫(kù)中進(jìn)行，處理結(jié)果均以臨時(shí)文件保存到工作庫(kù)中，調(diào)用時(shí)直接從工作庫(kù)中調(diào)用。訪問(wèn)流程短，且不會(huì)因誤操作影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。但該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是模擬人工思維方式，沒(méi)有從根本上說(shuō)明這類(lèi)圖形應(yīng)該遵循的數(shù)學(xué)規(guī)律和化學(xué)規(guī)律，所以該程序在通用性和移植性方面還有較大欠缺，需要今后進(jìn)一步的研究。

［1］馬運(yùn)柱． 硫化礦Eh - pH 圖形數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［D］．中南工業(yè)大學(xué)，2000

［2］李自強(qiáng)，何良惠．水溶液化學(xué)位圖及其應(yīng)用［M］．成都:成都科技大學(xué)出版社，1991，1

［3］尹愛(ài)君，張帆，李晶． Windos 下通用電位-pH 圖繪制系統(tǒng)［J］．計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，1996，8(13):213～218

［4］劉韶華．稀土化合物物性數(shù)據(jù)庫(kù)E-pH 圖計(jì)算研究［D］．昆明理工大學(xué)，2009

［5］尹愛(ài)君． 冶金數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及其應(yīng)用研究［D］． 中南工業(yè)大學(xué)，2000