CN104596898A - 微气泡尺寸在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微气泡尺寸在线测量装置及方法，可应用于多相流中微气泡尺寸在线测量。测量装置由摄像头、显微镜头、微气泡采样装置、光源系统、微型计算机和分析软件组成。本发明所述的微气泡测量装置采用倾斜观测面以及使用表面活性剂溶液，提高了微气泡图像的成像质量，结合域值分割和形状因子识别气泡，保证了微气泡图像快速处理，具有精确高和实时性的优点。

Description

微气泡尺寸在线测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微气泡尺寸在线测量装置及方法，具体涉及在线测量气液(固)多相流中微气泡尺寸分布的装置和实现方法，可应用于溶气气浮池内微气泡尺寸的测量。

背景技术

气泡尺寸(有效直径)及其分布的表征对化工过程的传质具有重要意义。如：对于气浮过程，气泡尺寸不仅影响气泡与颗粒的碰撞或接触概率，还影响气泡的上升速度。目前，文献报道气泡测量方法主要有：电导法、光纤法、光散射法、毛细管法和图像法等。

电导法和光纤法测量原理分别基于气相与液相的电导率和折光率的差异来测量气泡尺寸。这两种方法用于微气泡测量主要存在两个问题：其一是通过测量只能直接得到气泡弦长分布，然后需要进行假设和变换后才能得到气泡有效直径；其二是由于探头或探针自身尺寸的限制和要求测量过程中待测气泡直线运动的局限，只适合测量直径大于1mm的气泡。光散射法是基于粒子在液体中光散射角度与粒径呈反比的原理来测量气泡的体积尺寸分布，一般可以测量0.1-3000μm直径的气泡。它具有测量时间短，无干扰性的特点。然而这种方法所采用的设备昂贵，并且将气泡导入到检测池过程中因路径弯曲会导致气泡聚并。毛细管法是使用毛细管对气泡进行采样，能精确地确定气泡的体积，从而确定气泡尺寸。但该方法也存在一定的缺陷，如：采样速度慢；加快采样速度(抽吸速度)可能会导致气泡的破裂；气泡尺寸受毛细管直径影响等。

图像法是基于二维气泡图像来确定气泡尺寸及其分布的方法。它可分成直接法和间接采样法。直接图像法的测量环境要求测量装置和测量体系透明性好，这种方法的优点在于不会干扰待测流体，缺点在于受限于装置和待测流体的透明性。此外，在高气泡浓度条件下，气泡重叠现象将严重干扰直接图像法的分析与统计。间接采样图像法是通过采样装置把气泡导出来，然后用摄像头进行拍照得到气泡图像。这种方法的关键在于采样过程必须保持气泡尺寸分布不变。目前，采样图像法测量微气泡尺寸，还普遍存在对焦和气泡粘附等的图像质量问题。对焦问题即如何使微气泡在观测视场内更多地处于摄像头的焦平面上，从而保证气泡轮廓清晰性和降低总测量时间或频数；气泡粘附是指微气泡很容易粘附在观测面上，影响图像分析。有效地减少微气泡在观测表面的粘附将大大提高测量的连续性，保证测量的实时性。

综上，目前对微气泡的测量方法都存在一定的局限性，难以实现在线精确测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微气泡尺寸在线测量装置及方法，即提供一种通过表面活性剂减少微气泡在采样管内的聚并和微气泡在观测面的粘附，从而提高采样的准确性和提高观测面洁净度，通过倾斜观测面促使微气泡紧贴在观测面内表面滑动上升，有利于摄像头进行准确对焦，提高气泡图像的质量。该方法可以克服目前微气泡测量普遍存在的缺点，具有实时性和高精确性的特点。

本发明的微气泡尺寸在线测量装置包括：

一个微气泡采样装置，包括采样管，观测室，表面活性剂料槽、泵和阀门，用于微气泡采样和观测；

一个CCD或CMOS摄像头，用于摄像，一端与显微镜头连接，另一端与微型计算机连接；

一个变焦显微镜头，与摄像头连接，用于图像放大；

一个光源系统，包括LED光源和匀光板，用于摄像背光照明；

一台微型计算机，应含有与摄像头相匹配的接口或图像采集卡，用于图像采样以及分析处理；

一个图像分析软件，用于自动处理与分析气泡采样图像。

所述的采样管为内径为2mm-20mm的直管，一端用于采样，另一端与一个三通连接，三通另外两端分别连接观测室和表面活性剂料槽；

所述的的观测室为密封结构，观测面和透光面采用透光性材料，观测面与水平面呈30-80度倾角，观测室的一端与三通连接，另一端与泵连接；；

所述的表面活性剂料槽与泵管路连接，用于向采样装置中输送含表面活性剂的液体；

一种微气泡尺寸在线测量方法的实施步骤如下：

1)把微气泡尺寸在线测量放在待测液体上方，使采样管竖直浸入待测液体中；

2)往表面活性剂料槽注满的含表面活性剂液体(质量浓度为0.5-1000mg／L)；

3)开泵抽吸，使得观测室和采样管都充满液体；

4)调节摄像头位置，使之处于采样管与观测面交点偏上位置，同时调节显微镜头使得焦距处于观测面内表面标尺上，调节光源强度和位置，使之正对摄像头，并处于透光面的一侧；

5)调节泵速，使流速稳定在6-600ml／min下，采用摄像头进行图像采集；

6)基于域值分割对气泡图像进行二值化处理，根据形状因子的判断标准来识别图像中气泡，统计气泡得到微气泡尺寸分布图和平均气泡尺寸。

所述的判断标准是待识别图形的形状因子

本发明通过加入表面活性剂和使用倾斜观测面，解决了采样图像法用于微气泡尺寸测量过程中气泡聚并和微气泡对焦难的问题以及实际采样过程中气泡粘附观测面的问题，提高了微气泡图像的成像质量，从而提高了测量精确性。采用域值分割进行气泡图像二值化处理和基于形状因子进行气泡识别的图像处理分析方法，一方面可提高图像处理分析速度，保证实时性，另一方面有利于保证微气泡统计的精度。

附图说明

图1微气泡尺寸在线测量装置示意图1

图2微气泡尺寸在线测量装置示意图2

图3典型的微气泡采样图像

具体实施方式

实施例1：

如图1，本发明的微气泡尺寸在线测量装置包括CCD摄像头(4)，显微镜头(5)，微气泡采样装置(13)，LED光源(6)，均光板(12)，微型计算机(10)和图像处理软件。

所述微气泡采样装置(13)包括采样管(1)，三通(2)，观测室(3)，表面活性剂料槽(7)，蠕动泵(8)，蠕动泵(11)，球阀(9)和硅胶管。

所述采样管(1)，CCD摄像头(4)，LED光源(6)，表面活性剂料槽(7)、蠕动泵(8)、蠕动泵(11)都安装在支架平台上；

所述采样管(1)，为有机玻璃材质，内径为10mm，一端用于采样，另一端与一个三通连接，三通另外两端分别连接观测室(3)和表面活性剂料槽(7)；

所述观测室(3)为密封长方体结构，观测面为玻璃材质，其它面为有机玻璃材质，观测室与采样管连接采用螺纹或密封胶(如硅橡胶)连接，观测面与透光面的间距为20mm，观测面与水平呈60度夹角；

所述观测室(3)的透光面粘接均光板(12)用于均匀分布光源亮度；

所述观测室(3)的观测面内表面上安装一根不锈钢细丝，作为标尺，其直径为100μm；

所述观测室(4)的一端与三通(2)连接，另一端与蠕动泵(11)连接；

所述表面活性剂料槽(7)通过硅胶管与蠕动泵(8)连接；

所述蠕动泵(8)的一端与面活性剂料槽(7)，另一端与三通(2)通过管道连接，在管道中有一个球阀(9)。

如图1，本发明的微气泡在线测量装置的具体实施方法如下：

1)把微气泡尺寸在线测量装置通过水平支架放在待测液体上方，使采样管(1)竖直浸入待测液体中；

2)往表面活性剂料槽(7)注满浓度为10mg／L非离子表面活性剂TX-100溶液；

3)关闭球阀(9)，开动蠕动泵(11)，调节流量为100ml／min，开始抽吸，使得观测室和采样管都充满液体；

4)调节摄像头(4)位置，使之处于采样管(1)与观测面交点偏上位置，同时调节显微镜头(5)使得焦距处于不锈钢细丝上，调节LED光源(6)强度和位置，使之正对摄像头(4)，并处于透光面的一侧；

5)打开球阀(9)，调节蠕动泵(8)流速为80ml／min，待观测室内流速稳定和管道无内大气泡后，采用摄像头(4)进行图像采集；

6)采用计算机(10)和软件对微气泡图像进行自动分析和统计，首先对于把待测量气泡图像减去背景图像得到差影图像；然后采用Ostu方法对差影图像进行域值分割，得到二值化图像；采用Matlab中bwboundaries命令可得到二值图像中各种形状的轮廓P和面积A；由于微气泡尺寸小，其形状在二维图像中与圆形接近，根据待识别图形的形状因子的判断标准进行气泡识别；根据已识别的气泡，计算气泡的有效直径最后统计得到微气泡尺寸分布图和平均气泡尺寸。

实施例2：

如图1，本发明的微气泡尺寸在线测量装置包括CMOS摄像头(4)，显微镜头(5)，微气泡采样装置(13)，LED光源(6)，均光板(12)，微型计算机(10)和图像处理软件。

所述微气泡采样装置(13)包括采样管(1)，三通(2)，观测室(3)，表面活性剂料槽(7)，蠕动泵(8)，球阀(9)和硅胶管。

所述采样管(1)，CMOS摄像头(4)，LED光源(6)，表面活性剂料槽(7)和蠕动泵(8)都安装在支架平台上；

所述采样管(1)，为有机玻璃材质，内径为10mm，一端用于采样，另一端与一个三通连接，三通另外两端分别连接观测室(3)和表面活性剂料槽(7)；

所述观测室(3)为密封长方体结构，观测面为玻璃材质，其它面为有机玻璃材质，观测室与采样管连接采用螺纹或密封胶(如硅橡胶)连接，观测面与透光面的间距为20mm，观测面与水平呈60度夹角；

所述观测室(3)的透光面粘接均光板(12)用于均匀分布光源亮度；

所述观测室(3)的观测面内表面上安装一根不锈钢细丝，作为标尺，其直径为100μm；

所述观测室(4)的一端与三通(2)连接，另一端与蠕动泵(8)连接；

所述表面活性剂料槽(7)为密封槽，中间以法兰形式连接，一端通过硅胶管与蠕动泵(8)连接，另一端与三通连接，法兰中间夹一张500目滤网，用于消除气泡或固体经料槽回流至观测室；

所述蠕动泵(8)的一端与面活性剂料槽(7)，另一端与观测室(3)通过管道连接，在管道中有一个球阀(9)。

如图2，本发明的微气泡尺寸在线测量装置的具体实施方法如下：

1)把微气泡尺寸在线测量装置通过支架放在待测液体上方，使采样管(1)竖直浸入待测液体中；

2)把表面活性剂料槽(7)注满浓度为10mg／L非离子表面活性剂TX-100溶液，连接好管道；

3)打开球阀(9)，开动蠕动泵(8)，调节流量为80ml／min，开始抽吸，使得观测室和采样管都充满液体；

4)调节摄像头(4)位置，使之处于采样管(1)与观测面交点偏上位置，同时调节显微镜头(5)使得焦距处于不锈钢细丝上，调节LED光源(6)强度和位置，使之正对摄像头(4)，并处于透光面的一侧，待观测室内流体稳定后，采用摄像头(4)进行图像采集；

5)采用计算机(10)和软件对微气泡图像进行自动分析和统计，首先对于把待测量气泡图像减去背景图像得到差影图像；然后采用Ostu方法对差影图像进行域值分割，得到二值化图像；采用Matlab中bwboundaries命令可得到二值图像中待识别图形的轮廓P和面积A；由于微气泡尺寸小，其形状在二维图像中与圆形接近，根据形状因子的判断标准进行气泡识别；根据已识别的气泡，计算气泡的有效直径最后对统计得到微气泡尺寸分布图和平均气泡尺寸。

Claims (6)

1.微气泡尺寸在线测量装置，包括：

一个微气泡采样装置，包括采样管，观测室，表面活性剂料槽、泵和阀门，用于微气泡采样和观测；

一个CCD或CMOS摄像头，用于摄像，一端与显微镜头连接，另一端与微型计算机连接；

一个变焦显微镜头，与摄像头连接，用于图像放大；

一个光源系统，包括LED光源和匀光板，用于摄像背光照明；

一台微型计算机，应含有与摄像头相匹配的接口或图像采集卡，用于图像采样记录以及分析处理；

一个图像分析软件，用于自动处理与分析气泡采样图像。

2.根据权利要求1所述的微气泡尺寸在线测量装置，其特征在于所述的采样管是内径为2mm-20mm的直管，一端用于采样，另一端与一个三通连接，三通另外两端分别连接观测室和表面活性剂料槽。

3.根据权利要求1所述的微气泡尺寸在线测量装置，其特征在于所述的观测室为密封结构，观测面和透光面采用透光性材料，观测面与水平面呈30-80度倾角，观测室的一端与三通连接，另一端与泵连接。

4.根据权利要求1所述的微气泡尺寸在线测量装置，其特征在于表面活性剂料槽与泵通过管路连接，用于向采样装置中输送含表面活性剂的液体。

5.一种微气泡尺寸在线测量方法，其步骤如下：

1)把权利要求1-4之一所述的微气泡尺寸在线测量装置放在待测液体上方，使采样管竖直浸入待测液体中；

2)往表面活性剂料槽注满质量浓度为0.5-1000mg／L的含表面活性剂液体；

3)开泵抽吸，使得观测室和采样管都充满液体；

4)调节摄像头位置，使之处于采样管与观测面交点偏上位置，同时调节显微镜头使得焦距处于观测面内表面的标尺上，调节光源强度和位置，使之正对摄像头，并处于透光面的一侧；

5)调节泵速，使流速稳定在6-600ml／min条件下，采用摄像头进行气泡图像采集；

6)基于域值分割对气泡图像进行二值化处理，根据形状因子判断标准来识别图像中气泡，统计气泡得到微气泡尺寸分布图和平均气泡尺寸。

6.根据权利要求5所述的微气泡尺寸在线测量方法，其特征在于判断标准是待识别图形的形状因子