CN102253164A - 基于溶液图像技术的水质碱度在线测量装置及其测量方法 - Google Patents

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本发明涉及一种水质碱度在线检测装置，基于溶液图像技术的水质碱度在线测量装置及其测量方法，其特征在于，本发明通过对HCl溶液滴定待测水质过程中溶液图像RGB值的检测，绘制图像RGB值-滴定液体积测量曲线，根据图像RGB值测量曲线出现拐点对应的滴定液体积来计算待测溶液水质碱度。本发明应用计算机图像处理技术，建立滴定过程中溶液RGB值随滴定液体积而变化的数学模型，自动判断滴定终点，基于神经网络算法，建立了颜色恒常性算法模型，进而提高碱度测量的精度和可靠性。利用本发明装置，可选择进行酚酞碱度和全碱度在线测量，操作方便。该装置可用于电力、石油、化工、冶金等行业。

Description

基于溶液图像技术的水质碱度在线测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种应用于工业水处理和环境监测领域水质碱度在线检测装置。
背景技术
碱度是指水中能与强酸发生中和作用的物质的总量，这类物质包括强碱、弱碱、强碱弱酸盐等。在工业水处理领域，碱度是衡量循环冷却水和锅炉用水质量的指标之一，水在循环冷却过程中，由于水分的蒸发，溶解盐类浓缩，二氧化碳的逸出，外界污染物的进入等原因，会产生结垢、腐蚀及菌藻繁殖等现象，严重影响循环水系统的正常运行，甚至引起生产工艺上的失调，其中水质碱度是循环冷却水重要控制指标之一，直接关系到整个循环冷却水系统的正常运行。在环境监测方面，碱度是判断水质和废水处理控制的重要指标，也常用于评价水体的缓冲能力及金属在其中的溶解性和毒性等。
目前水质碱度常用的测量方法：
1、酸碱指示剂滴定法，又称目视比色法或碱度容量法，该方法可采用多种指示剂、标准溶液、缓冲溶液，对滴定终点(或颜色突变点)进行目视比色判断，但当水质碱度突变点色差较小或水体有颜色时，对滴定终点判断和滴定液用量计算易产生人为误差，手工操作复杂，分析结果处理繁琐，无法实现水质碱度在线测量。
2、电位滴定法，利用自动电位测量曲线突变点检测水质碱度，水体颜色不会影响终点判断，准确度较高，但是对于不同的碱度采用不同的滴定方式和计算公式，操作繁琐。
3、pH值法，具有简单、快速等特点，但CO2会影响pH值的测定，导致测定结果产生较大的误差。
4、碱度检测试纸法，能够快速检测水质碱度，但检测灵敏度低、相对误差较大，不适于精密测量。
图像处理作为一项新兴检测技术，已广泛应用于医学、交通、航空、军事等领域，而用于化学定量分析方面的研究还为数不多。中国专利申请号03136142.0公布了“基于图像技术的比色成分分析方法及其装置”，它主要包括不透光的测量室和其内部的流通池、光源、图像传感器以及图像处理设备等，光源设置于白色背景板的前方，根据物质浓度与颜色值成线性关系原理测定待测浓度。文献[E.da Nobrega Gaiao，V.Lacerda Martins，W.da Silva Lyre，et al.Digital image-based titrations.ANALYTICA CHIMICAACTA，2006(570)：283-290]提出了基于数字图像的碱度滴定分析方法，它利用常规滴定管手工滴加盐酸和显色剂，利用蠕动泵把被测溶液注入图像检测器，根据图像RGB值判断滴定终点，人工计算盐酸滴加量和水质碱度，该方法存在设备分散、操作步骤繁琐、影响因素多、自动化程度低等缺点。文献[吴曰俭，张庭，孙墨杰，曹生现.基于图像技术的循环冷却水碱度测量装置研究.中国电机工程学会第十届青年学术会议，2008年9月.吉林提出了利用目视观察图像RGB值突变点作为滴定终点，人工目视测量计算滴定液用量和碱度，同样存在操作步骤繁琐、影响因素多、自动化程度低等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于溶液图像技术的水质碱度在线测量装置及其测量方法。
水质碱度测量原理：通常水质碱度可分为酚酞碱度和甲基橙碱度(全碱度)两种，分别使用酚酞和甲基橙作为指示剂，利用滴定管把盐酸滴入一定体积的待测水样中，以目视比色测量溶液颜色突变点作为计量终点，根据滴定管中滴加盐酸的用量和浓度，手工计算待测溶液的水质碱度。基于手工分析法滴定终点指示剂颜色突变反应原理，本发明利用图像传感器作为滴定终点指示器，采集整个滴定过程溶液颜色，根据图像颜色值突变点对应的滴定体积，判断滴定终点，计算溶液碱度，该方法可允许滴定溶液过量，并应用神经网络和人工智能方法处理图像颜色值，以建立颜色恒常性算法消除颜色和光源波动干扰，提高检测灵敏度，利用计算机、恒流加药泵、电磁阀等部件实现自动滴定和水质碱度在线自动计算。
本发明采用了神经网络训练估计图像色彩，实现颜色恒常性的计算，以达到消除颜色和光源波动干扰、校正颜色、提高检测灵敏度和准确度的目的。该算法采用多层(隐含层)感知机结构，输入层中的各个神经元对应测试试样色谱范围内的各种色彩，如果测试图像中某色彩出现则对应的输入神经元为1，否则为0，隐含层包括两层，即第一隐含层、第二隐含层，而输出层由两个或三个神经元组成，分别对应测量图像的色彩估计值。
由于实际训练和测试所碰到的图像色彩是整个理论色彩空间的一部分，因此神经网络的第一隐含层通常只包括在训练中至少被激活过一次的节点，而任何时候都不是活动的结点，连同它们到第一隐含层的链接一起被清除掉，对系统结构的修改只发生在第一次训练周期中。修改后的神经网络结构，可缩短训练时间10倍以上。第二隐含层的输入神经元值为前一层的加权累计，再经过本层神经元的一个激励函数得到下一个隐含层的输入。训练神经网络的过程是根据当前场景光源的色彩估计和实际光源色彩间的误差，通过后播算法实现对各层的权值的反复调整。后播算法采用一种可以使网络的输出误差最小化的梯度递减算法，误差函数则多采用欧几里德距离法。本专利采用的颜色恒常性算法的训练样本为实验中真实图像，并且已知真实图像样本的实际光源颜色，考虑了人工噪声、镜面反射性、图像传感器非线性、光源波动等干扰因素。
本发明利用酚酞(初始为粉红色，终点为无色)和甲基橙(初始为橙黄色，终点为橙色)作为指示剂，分别指示测量酚酞碱度和全碱度。滴定开始前，水样为无色，把一定体积酚酞通过电磁阀计时加入被测水样中，利用磁力搅拌器和磁力转子搅拌均匀，水样变为粉红色，启动恒流加药泵，开始滴定加药，记录滴定时间(滴定速度恒定，根据滴定时间可实时计算滴定液体积)，同时采集测定池图像颜色，利用神经网络颜色恒常性算法计算颜色RGB值，实时显示测定池图像颜色值与滴定液体积测量曲线。当达到酚酞碱度滴定终点时，测定池图像颜色变为无色，滴定曲线出现拐点，将该点计为酚酞碱度滴定终点，为精确计算曲线拐点对应的滴定液体积，计算程序对测量颜色值求导，根据颜色曲线导数拐点值对应的滴定液体积计算溶液酚酞碱度，具体原理参考附图1，本发明建立了自动判断拐点算法。在计算机检测到酚酞碱度曲线拐点(即酚酞碱度滴定终点)时，恒流加药泵自动停止滴定(即使滴定过量，也不会影响酚酞碱度和全碱度的计算)，同时停止采集图像，开启滴加甲基橙溶液电磁阀，滴入定量甲基橙溶液，关闭滴加甲基橙溶液电磁阀。搅拌均匀后，启动恒流加药泵，并同时采集图像，重复酚酞碱度测量过程，计算甲基橙碱度。
一种基于溶液图像技术的水质碱度在线测量装置，包括滴定液容器、待测水样进样阀、排废阀，其特征在于，滴定液通过恒流加药泵经过滴定软管加入光学玻璃测定池；酚酞显色剂容器、甲基橙显色剂容器、定容进样池，溶液经过滴定软管加入光学玻璃测定池；计算机系统，包括有工控机、显示器、操作键盘鼠标及配套软件，通过计算机与恒流加药泵、摄像头电信号连接；通过计算机与磁力搅拌器、酚酞进样阀、甲基橙进样阀、待测水样进料阀、待测水样进样阀连接。
基于溶液图像技术的水质碱度在线测量装置的测量方法，其特征在于，通过对HCl溶液滴定待测水样过程中溶液RGB值的检测，绘制RGB值一滴定液体积测量曲线，根据RGB值曲线出现拐点对应的滴定液体积来测量溶液水质碱度；
A、滴定液容器内的一定浓度稀盐酸经恒流加药泵和滴定软管送入盛有待测水样的光学玻璃测定池；
B、酚酞显色剂容器盛有酚酞显色剂，在计算机控制下，通过酚酞进样阀滴入测定池；
C、甲基橙显色剂容器盛有甲基橙显色剂，在计算机控制下，通过甲基橙进样阀滴入测定池；
D、在计算机控制下，待测水样通过待测水样进样阀进入定容测量池，溢流水样进入溢流杯，直接排废，溢流杯溢流后，定容测量池水样经过待测水样进料阀进入测定池；
E、测定池内设有磁力搅拌器的搅拌器转子，上部进样口连接滴定软管、酚酞进样阀、甲基橙进样阀和待测水样进样阀，底部排液口连接排废阀；
F、测定池内盛有待测水样，在无影稳压光源背光照射下，待测水样图像颜色，经摄像头和计算机系统进行图像采集、处理、显示和保存，整个测量过程在常温、常压下操作；
G、水质碱度测量开始时，待测水样进样阀打开，待测水样进入溢流杯，固定时间间隔后，待测水样进样阀闭合，待测水样进样阀打开，溢流杯定量水样进入测量池，待测水样进样阀闭合，开始搅拌，同时酚酞进样阀打开，滴入定量体积的酚酞指示剂后闭合，延迟固定时间间隔后，启动恒流加药泵开始滴定稀盐酸，同时计算机系统开始采集测定池中溶液图像，并自动判断酚酞碱度滴定终点，达到酚酞碱度滴定终点后，继续进行图像采集和稀盐酸滴定的同时，打开甲基橙进样阀，滴入定量甲基橙碱度指示剂后闭合，达到甲基橙碱度滴定终点后，停止图像采集、稀盐酸滴定和搅拌，排废阀打开，延迟固定时间间隔
后关闭，待测水样进样阀打开，待测水样进入溢流杯，延迟固定时间间隔后，待测水样进样阀闭合，待测水样进样阀打开，溢流杯定量水样进入测量池，待测水样进样阀闭合，开始搅拌，延迟固定时间间隔后，排废阀打开，延迟固定时间间隔后关闭，进入下一测量周期；
计算机系统采用软、硬件结合的办法，令采样图像采样间隔与恒流加药泵转速相匹配，设定、控制、记录恒流加药泵流出的滴定剂量；由摄像头、计算机系统、和无影稳压光源组成了碱度自动检测系统，连续检测溶液颜色随滴定时间增加而变化的RGB值，再由计算机内神经网络颜色恒常性算法及配套软件处理后，实时显示在计算机显示屏幕上，纵轴为测定池溶液颜色的RGB值，横轴为滴定时间或滴定液体积。随着滴定测量的进行，在RGB值-时间，或滴定液体积，平面上形成一连续曲线。
应用计算机图像处理技术，建立了滴定过程中溶液RGB值随滴定液体积而变化的数学模型，自动判断滴定终点，基于神经网络算法，建立了颜色恒常性算法模型，由计算机系统(3)、磁力搅拌器(7)、和恒流加药泵(2)部件构成的控制系统及软件，自动计算水质碱度，周期循环检测。
本装置为环保型，在减少化学试剂对环境污染及能源消耗方面，都将会带来明显的经济、社会效益，设备具有功能完备、准确度高、重复性好、技术先进、操作简便、市场广阔等特点，是对传统碱度测量方法及检测技术的改进和创新。它可用于电力、石油、化工、冶金等众多行业的水质碱度快速自动检测。
附图说明
图1是本发明系统构成示意图。
图2是某一实施例中图像颜色RGB值-滴定液体积变化曲线图。
图3是本发明系统软件框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作出进一步的详细描述。
本发明通过对HCl溶液滴定待测水质溶液过程中溶液图像RGB值的检测，绘制图像RGB值-滴定液体积测量曲线，根据图像RGB值测量曲线出现拐点对应的滴定液体积来计算待测溶液水质碱度，这是本发明的基本原理。
本发明应用计算机图像处理技术，建立滴定过程中溶液RGB值随滴定液体积而变化的数学模型，自动判断滴定终点，基于神经网络算法，建立了颜色恒常性算法模型，进而提高碱度测量的精度和可靠性，这是本发明的创新点之一。
利用本发明装置，可选择进行酚酞碱度和全碱度测量。
如图1所示，水质碱度在线测量装置设有：滴定液容器1、恒流加药泵2、计算机系统3、暗室4、摄像头5、滴定软管6、排废阀19、磁力搅拌器7、光学玻璃测定池8、磁力转子9、酚酞进样阀10、酚酞显色剂容器11、甲基橙进样阀12、甲基橙显色剂容器13、溢流杯14、待测水样进样阀15、18、无影稳压光源16、定容进样池17；
A、滴定液容器1内的一定浓度稀盐酸(HCl)经恒流加药泵2和滴定软管6送入盛有待测水样的光学玻璃测定池8；
B、酚酞显色剂容器11盛有酚酞显色剂，在计算机3控制下，通过酚酞进样阀10滴入光学玻璃测定池8；
C、甲基橙显色剂容器13盛有甲基橙显色剂，在计算机3控制下，通过甲基橙进样阀12滴入光学玻璃测定池8；
D、在计算机3控制下，待测水样通过待测水样进样阀18进入定容测量池17，溢流水样进入溢流杯14，直接排废，定容测量池17溢流后，定容测量池17水样经过待测水样进样阀15进入测定池8；
E、光学玻璃测定池8内设有磁力搅拌器7的搅拌器转子9，上部进样口连接滴定软管6、酚酞进样阀10、甲基橙进样阀12和待测水样进样阀15，底部排液口连接排废阀19；
F、光学玻璃测定池8内盛有待测水样，在无影稳压光源16背光照射下，待测水样图像颜色，经摄像头5和计算机系统3进行图像采集、处理、显示和保存，整个测量过程在常温、常压下操作；
G、计算机系统3包括有工控机、显示器、操作键盘鼠标及配套软件；
H、水质碱度测量开始时，待测水样进样阀18打开，待测水样进入溢流杯17，固定时间间隔后，待测水样进样阀18闭合，待测水样进样阀15打开，溢流杯17定量水样进入测量池8，待测水样进样阀15闭合，开始搅拌，同时酚酞进样阀10打开，滴入定量体积的酚酞指示剂后闭合，延迟固定时间间隔后(搅拌均匀)，启动恒流加药泵2开始滴定稀盐酸，同时计算机系统3开始采集测定池8中溶液图像，并自动判断酚酞碱度滴定终点，达到酚酞碱度滴定终点后，继续进行图像采集和稀盐酸滴定的同时，打开甲基橙进样阀12，滴入定量甲基橙碱度指示剂后闭合，达到甲基橙碱度滴定终点后，停止图像采集、稀盐酸滴定和搅拌，排废阀19打开，延迟固定时间间隔后关闭，待测水样进样阀18打开，待测水样进入溢流杯17，延迟固定时间间隔后，待测水样进样阀18闭合，待测水样进样阀15打开，溢流杯17定量水样进入测量池8，待测水样进样阀15闭合，开始搅拌，延迟固定时间间隔后，排废阀19打开，延迟固定时间间隔后关闭，进入下一测量周期；
I、计算机系统3采用软、硬件结合的办法，令采样图像采样间隔与恒流加药泵转速相匹配，设定、控制、记录恒流加药泵流出的滴定剂量；
G、由CCD摄像头5、计算机系统3、和无影稳压光源16等组成了碱度自动检测系统，连续检测溶液颜色随滴定时间增加而变化的RGB值，再由计算机内神经网络颜色恒常性算法及配套软件处理后，实时显示在计算机显示屏幕上，纵轴为测定池溶液颜色的RGB值，横轴为滴定时间或滴定液体积。随着滴定测量的进行，在RGB值-时间(或滴定液体积)平面上形成一连续曲线，如图2
所示。滴定测量过程中，颜色测量曲线波动不大，当滴定液(HCl)滴加量达到某一碱度滴定终点时，RGB值产生突变(上升或下降)，曲线出现拐点，利用拐点判断算法自动判断滴定终点，计算加药量。由计算机系统3、磁力搅拌器7、和恒流加药泵2等部件构成的控制系统及软件，自动计算水质碱度，周期循环检测。
恒流加药泵2也可称自动滴定装置，可以是市售蠕动泵(流动注射仪)，也可以是自制的液位滴定设备，蠕动泵转速由计算机软件设定。在碱度测量过程中，计算机系统3按选定的蠕动泵转速来确定采样间隔，蠕动泵转速和采样间隔的对应定量关系，是根据大量实验数据确定的：如，蠕动泵转速为2.0转/秒时，图像采集速度则为2.0帧/秒。经验表明，这种采用硬件、软件相结合的方法来使采样间隔与蠕动泵转速相匹配可以提高滴定的精密度，以进一步提高拐点位置确定的精准度。
磁力搅拌装置是市售设备，它利用电动机的旋转磁场转动测定池溶液中的搅拌子，实现测定池溶液的参数均匀。搅拌速度的调节，可通过电位器调整搅拌子电机输入电压来实现。
本碱度测量装置具体操作过程如下：按碱度测量国标配制酚酞指示剂溶液、甲基橙指示剂溶液和HCl溶液，分别装入酚酞显色剂容器11、甲基橙显色剂容器13和滴定液容器1中，设定恒流加药泵2转速和搅拌速度，启动恒流加药泵2即开始碱度测量程序，连续采集测量池溶液图像RGB值，显示屏出现图像RGB值-时间(滴定液体积)关系曲线，待曲线出现突降点，根据出现RGB值突变点时的滴定液体积即可求得溶液的水质碱度值。
图2中给出了水质碱度测量曲线图，从图中可见，测量曲线中有两个突变点，在两个突变点前后，RGB值变化不大，达到临界点时，RGB值突然下降或上升，曲线出现拐点，图2曲线中第一个为酚酞碱度，第二个为全碱度。
图3是本发明的系统软件简要框图，其处理功能包括：进样阀开启、关闭、延时程序、图像采集和处理、滴定终点判断、滴定速度和搅拌速度控制等。

Claims (4)

1.一种基于溶液图像技术的水质碱度在线测量装置，包括滴定液容器(1)、待测水样进样阀(18)、排废阀(19)，其特征在于，滴定液通过恒流加药泵(2)经过滴定软管(6)加入光学玻璃测定池(8)；酚酞显色剂容器(11)、甲基橙显色剂容器(13)、定容进样池(17)，溶液经过滴定软管(6)加入光学玻璃测定池(8)；计算机系统(3)包括有工控机、显示器、操作键盘鼠标及配套软件，通过计算机与恒流加药泵(2)、摄像头(5)电信号连接；通过计算机与磁力搅拌器(7)、酚酞进样阀(10)、甲基橙进样阀(12)、待测水样进料阀(15)、待测水样进样阀(18)连接。
2.基于溶液图像技术的水质碱度在线测量装置的测量方法，其特征在于，通过对HCl溶液滴定待测水样过程中溶液RGB值的检测，绘制RGB值-滴定液体积测量曲线，根据RGB值曲线出现拐点对应的滴定液体积来测量溶液水质碱度；
A、滴定液容器(1)内的一定浓度稀盐酸经恒流加药泵(2)和滴定软管(6)送入盛有待测水样的光学玻璃测定池(8)；
B、酚酞显色剂容器(11)盛有酚酞显色剂，在计算机(3)控制下，通过酚酞进样阀(10)滴入测定池(8)；
C、甲基橙显色剂容器(13)盛有甲基橙显色剂，在计算机(3)控制下，通过甲基橙进样阀(12)滴入测定池(8)；
D、在计算机(3)控制下，待测水样通过待测水样进样阀(18)进入定容测量池(17)，溢流水样进入溢流杯(14)，直接排废，溢流杯(14)溢流后，定容测量池(17)水样经过待测水样进料阀(15)进入测定池(8)；
E、测定池(8)内设有磁力搅拌器(7)的搅拌器转子(9)，上部进样口连接滴定软管(6)、酚酞进样阀(10)、甲基橙进样阀(12)和待测水样进样阀(15)，底部排液口连接排废阀(19)；
F、测定池(8)内盛有待测水样，在无影稳压光源(16)背光照射下，待测水样图像颜色，经摄像头(5)和计算机系统(3)进行图像采集、处理、显示和保存，整个测量过程在常温、常压下操作；
G、水质碱度测量开始时，待测水样进样阀(18)打开，待测水样进入溢流杯(17)，固定时间间隔后，待测水样进样阀(18)闭合，待测水样进样阀(15)打开，溢流杯(17)定量水样进入测量池(8)，待测水样进样阀(15)闭合，开始搅拌，同时酚酞进样阀(10)打开，滴入定量体积的酚酞指示剂后闭合，延迟固定时间间隔后，启动恒流加药泵(2)开始滴定稀盐酸，同时计算机系统(3)开始采集测定池(8)中溶液图像，并自动判断酚酞碱度滴定终点，达到酚酞碱度滴定终点后，继续进行图像采集和稀盐酸滴定的同时，打开甲基橙进样阀(12)，滴入定量甲基橙碱度指示剂后闭合，达到甲基橙碱度滴定终点后，停止图像采集、稀盐酸滴定和搅拌，排废阀(19)打开，延迟固定时间间隔后关闭，待测水样进样阀(18)打开，待测水样进入溢流杯(17)，延迟固定时间间隔后，待测水样进样阀(18)闭合，待测水样进样阀(15)打开，溢流杯(17)定量水样进入测量池(8)，待测水样进样阀(15)闭合，开始搅拌，延迟固定时间间隔后，排废阀(19)打开，延迟固定时间间隔后关闭，进入下一测量周期；
3.按照权利要求2所述基于溶液图像技术的碱度在线测量装置的测量方法，其特征在于，计算机系统(3)采用软、硬件结合的办法，令采样图像采样间隔与恒流加药泵转速相匹配，设定、控制、记录恒流加药泵流出的滴定剂量；由摄像头(5)、计算机系统(3)和无影稳压光源(16)组成了碱度自动检测系统，连续检测溶液颜色随滴定时间增加而变化的RGB值，再由计算机内神经网络颜色恒常性算法及配套软件处理后，实时显示在计算机显示屏幕上，纵轴为测定池溶液颜色的RGB值，横轴为滴定时间或滴定液体积。随着滴定测量的进行，在RGB值-时间，或滴定液体积，平面上形成一连续曲线。
4.按照权利要求2所述基于溶液图像技术的碱度在线测量装置的测量方法，其特征在于，应用计算机图像处理技术，建立了滴定过程中溶液RGB值随滴定液体积而变化的数学模型，自动判断滴定终点，基于神经网络算法，建立了颜色恒常性算法模型，由计算机系统(3)、磁力搅拌器(7)、和恒流加药泵(2)部件构成的控制系统及软件，自动计算水质碱度，周期循环检测。
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