CN104880457B - 一种非接触式污染物浓度扩散检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种非接触式污染物浓度扩散检测系统及方法，装置部分包括水槽静水模拟装置、射流模拟装置和相机；其中水槽静水模拟装置包括储水箱、实验水槽、第一恒流泵、第一导流通道、第二导流通道、第三导流通道、溢流通道、阀门、流堰板、支架、废液收集箱、水桶、LGY‑II旋浆式流速仪；所述射流模拟装置包括储液箱、第四导流通道、转子流量计、流量控制阀、T型多孔扩散器、射流管；本发明结构简单、合理，通用性强，便于维护，能模拟外界条件下水体污染的浓度扩散，本发明利用低成本无污染的化学发光试剂替代现有的荧光溶液对污染物排放的浓度场进行测定，降低装置要求、节约能量。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护领域，特别涉及一种基于化学发光原理的非接触污染物浓度扩散检测系统及其方法。
背景技术
近年来由于我国社会经济的快速发展，环境污染问题变得日益严峻。由于河流具有很强的流动特性，因此河流生态系统很容易受到外来污染的影响。而且，一旦发生地表水污染事件，很容易波及整个流域。同时，地表水受到污染以后，进一步影响周围陆地的生态，影响流域湖泊水库的生态，也会影响其下游河口、海湾、海洋的生态系统。因此河流水体环境的污染，其危害远比湖泊水库等静态水体大。研究环境污染问题，人们最关心的是污染物在空间的分布。水体中污染物浓度场是衡量水体被污染程度的重要指标，因此成为当前环境工作者研究的热点之一。
射流浓度场的研究至今已有不少学者做了相关的工作。在考察污染物扩散时，离子的浓度分布是分析离子扩散系数等物性参数的重要基础条件。因此，寻求离子扩散中浓度场的快速、准确的检测方法是至关重要的。而离子浓度的传统检测方法多是接触式单点浓度测量法，难以迅速、直观地获得离子在空间上的浓度分布。近几年国内外发展的先进流动显示和测量方法，如PIV技术、激光诱导荧光和全息干涉技术等，因为测量区域小(一般只有几个平方厘米)、价格高、对使用环境要求苛刻等原因大大限制了其在浓度场测量中应用。
发明内容
本发明一种非接触式污染物浓度扩散检测系统，包括水槽静水模拟装置、射流模拟装置和相机；
所述水槽静水模拟装置包括储水箱、实验水槽、第一恒流泵、第一导流通道、第二导流通道、第三导流通道、溢流通道、阀门、流堰板、支架、废液收集箱、水桶、LGY-II旋浆式流速仪；
所述储水箱、实验水槽均放置在支架上；所述流堰板设置在实验水槽内的插口位置，所述的插口位置到距离实验水槽出水侧的距离为六分之一实验水槽长度；所述废液收集箱放置在支架的底部；所述第一恒流泵设置在水桶中，第一恒流泵通过第二导流通道与储水箱的进水口连接，储水箱的溢流口通过溢流通道与水桶连接；储水箱的出水口设有阀门，阀门通过第一导流通道与实验水槽的进水口连接，储水箱的出水口与实验水槽的进水口位于同一水平高度；所述的LGY-II旋浆式流速仪设置在实验水槽内，所述的LGY-II旋浆式流速仪到距离实验水槽进水侧的距离为7/24～1/3实验水槽长度；实验水槽上设置有多个射流孔，射流孔的直径为4cm，每个射流孔的圆心与实验水槽底部的距离均为5cm，且相邻两个射流孔的圆心距为6cm，离实验水槽出水口最近的一个射流孔的圆心与实验水槽的出水侧距离32～40cm；相机通过固定支架固定在实验水槽侧壁上，相机的水平位置和高度可调；
所述射流模拟装置包括储液箱、第四导流通道、转子流量计、流量控制阀、T型多孔扩散器、射流管；
储液箱通过第四导流通道与T型多孔扩散器连接，所述的第二恒流泵、转子流量计、流量控制阀按照水流方向依次设置在第四导流通道上；T型多孔扩散器上的每根分流管上都设有一个射流管，每个射流管通过橡皮塞固定在实验水槽对应的射流孔内。
所述实验水槽的出水口与废液收集箱的进水口经第三导流通道相连，防止液体溅出，提高安全性。
所述的储水箱上设有多个不同高度的溢流口；所述储水箱的进水口截面为梯形。
所述实验水槽的进水口截面为梯形。
所述流堰板顶部采用锯齿波结构，根据实验所需水位的高度更换不同尺寸的堰板，使得水槽内水位保持在既定高度，保证实验所需环境的稳定性。
所述的相机包括处理器模块、CMOS图像传感器模块、光学系统模块、以太网模块、电源模块、驱动模块；光学系统模块包括双滤镜切换器、三可变镜头、LED补光灯，双滤镜切换器安装在CMOS图像传感器前，内嵌850～1050nm的近红外滤镜和400～1050nm全光谱滤镜；LED补光灯的开闭由光敏电阻和处理器模块控制的继电器共同完成，以满足弱光下的拍摄要求。
一种非接触式污染物浓度扩散检测系统的检测方法，该方法具体包括以下步骤：
1)、实验开始时，打开第一恒流泵将水桶中的水经第二导流通道抽至储水箱中，根据实验要求换接溢流通道使得储水箱内的水位保持在设定高度；整个装置保持在一个循环取用水的条件下；
2)、打开储水箱出水口的阀门，手动调节储水箱水体经第一导流通道至实验水槽的进水速度；选择流堰板使得实验水槽内水位保持在设定高度，以维持实验所需水槽环境，不断调节阀门和储水箱水位，通过LGY-II旋浆式流速仪测出实验水槽内水体稳定处的实际水流速度并记录；
3)、配置好实验试液放入储液箱并不断搅拌，第二恒流泵接通稳压电源后，首先进行排气，将第四导流通道内的空气排出；然后将储液箱内的液体经由第四导流通道抽至实验水槽中；根据实验要求的射流速度，用转子流量计、流量控制阀来控制实际流量大小，并保持稳定；
4)、在实验要求检测的感兴趣区域即对应的水槽底部铺设一块白板；
5)、打开相机，设定好图像大小、位置、曝光时间及亮度增益的参数；在完成一个完整的射流形态后，关闭相机，将相机中获得的图像通过相应的图像算法，获取静态条件下水平动量射流浓度场和横向流动条件下水平动量射流浓度场及其扩散特性的特征，从而实现污染物浓度扩散非接触式检测。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
(1)本发明结构简单、合理，通用性强，便于维护，能模拟外界条件下水体污染的浓度扩散。
(2)本发明利用低成本无污染的化学发光试剂替代现有的荧光溶液对污染物排放的浓度场进行测定，降低装置要求、节约能量。
(3)采用单色图像传感器并获取Raw图像数据，不仅可以避免图像转换过程带来的细节损失和冗余计算，而且可以获得比彩色图像传感器更好的近红外响应能力。在前端直接获取数字图像不仅在参数设置上具有更高的灵活性，而且可减少模拟视频信号的重采样次数并消除传输过程中噪声引起的降质。
(4)智能相机通过符合IEEE802.3协议的以太网和上位机通信，用来传输实时采集处理的全部图像数据、流场数据、状态信息及控制指令。用户可通过IP地址访问实时的图像处理图像，支持下载和分析，实现非接触式检测。
附图说明
图1是本发明中一种非接触式污染物浓度扩散检测系统整体示意图；
图2是一种非接触式污染物浓度扩散检测系统射流模拟装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种非接触式污染物浓度扩散检测系统，包括水槽静水模拟装置、射流模拟装置2和相机3；
所述水槽静水模拟装置包括储水箱1.1、实验水槽1.2、第一恒流泵1.3、第一导流通道1.4.1、第二导流通道1.4.2、第三导流通道1.4.3、溢流通道1.5、阀门1.6、流堰板1.7、支架1.8、废液收集箱1.9、水桶1.10、LGY-II旋浆式流速仪1.11；
所述储水箱1.1、实验水槽1.2均放置在支架1.8上；所述流堰板1.7设置在实验水槽1.2内的插口位置，所述的插口位置到距离实验水槽出水侧的距离为六分之一实验水槽长度；所述废液收集箱1.9放置在支架1.8的底部；所述第一恒流泵1.3设置在水桶1.10中，第一恒流泵1.3通过第二导流通道1.4.2与储水箱1.1的进水口连接，储水箱的溢流口通过溢流通道1.5与水桶连接；储水箱1.1的出水口设有阀门1.6，阀门1.6通过第一导流通道1.4.1与实验水槽1.2的进水口连接，储水箱1.1的出水口与实验水槽1.2的进水口位于同一水平高度；所述的流速仪1.11设置在实验水槽1.2内，所述的流速仪1.11到距离实验水槽进水侧的距离为7/24～1/3实验水槽长度；实验水槽上设置有多个射流孔，射流孔的直径为4cm，每个射流孔的圆心与实验水槽底部的距离均为5cm，且相邻两个射流孔的圆心距为6cm，离实验水槽出水口最近的一个射流孔的圆心与实验水槽1.2的出水侧距离32～40cm；相机通过固定支架固定在实验水槽侧壁上，相机的水平位置和高度可调；
如图2所示，所述射流模拟装置2包括储液箱2.2、、第四导流通道2.4、转子流量计2.5、流量控制阀2.6、T型多孔扩散器2.7、射流管2.8；
储液箱2.2通过第四导流通道2.4与T型多孔扩散器2.7连接，所述的第二恒流泵2.3、转子流量计2.5、流量控制阀2.6按照水流方向依次设置在第四导流通道2.4上；T型多孔扩散器2.7上的每根分流管上都设有一个射流管，每个射流管通过橡皮塞固定在实验水槽对应的射流孔内；
所述实验水槽1.2的出水口与废液收集箱1.8的进水口经第三导流通道1.4.3相连，防止液体溅出，提高安全性。
所述的储水箱上设有多个不同高度的溢流口；所述储水箱的进水口截面为梯形。
所述实验水槽1.2的进水口截面为梯形。
所述流堰板1.7顶部采用锯齿波结构，根据实验所需水位的高度更换不同尺寸的堰板，使得水槽内水位保持在既定高度，保证实验所需环境的稳定性。
所述的相机3包括处理器模块、CMOS图像传感器模块、光学系统模块、以太网模块、电源模块、驱动模块；光学系统模块包括双滤镜切换器、三可变镜头、LED补光灯，双滤镜切换器安装在CMOS图像传感器前，内嵌850～1050nm的近红外滤镜和400～1050nm全光谱滤镜；LED补光灯的开闭由光敏电阻和处理器模块控制的继电器共同完成，以满足弱光下的拍摄要求。
一种非接触式污染物浓度扩散检测系统的检测方法，该方法具体包括以下步骤：
1)、实验开始时，打开第一恒流泵1.3将水桶1.10中的水经第二导流通道1.4.2抽至储水箱1.1中，根据实验要求换接溢流通道1.5使得储水箱1.1内的水位保持在设定高度。整个装置保持在一个循环取用水的条件下。
2)、打开储水箱1.1出水口的阀门，手动调节储水箱1.1水体经第一导流通道1.4.1至实验水槽1.2的进水速度。选择流堰板1.7使得实验水槽1.2内水位保持在设定高度，以维持实验所需水槽环境，不断调节阀门和储水箱水位，通过LGY-II旋浆式流速仪1.11测出实验水槽1.2内水体稳定处的实际水流速度并记录；
3)、配置好实验试液放入储液箱并不断搅拌，第二恒流泵2.3接通稳压电源后，首先进行排气，将第四导流通道内的空气排出。然后将储液箱2.2内的液体经由第四导流通道2.4抽至实验水槽1.2中。根据实验要求的射流速度，用转子流量计2.5、流量控制阀2.6来控制实际流量大小，并保持稳定。
4)、在实验要求检测的感兴趣区域即对应的水槽底部铺设一块白板；
5)、打开相机3，设定好图像大小、位置、曝光时间及亮度增益的参数；在完成一个完整的射流形态后，关闭相机3，将相机中获得的图像通过相应的图像算法，获取静态条件下水平动量射流浓度场和横向流动条件下水平动量射流浓度场及其扩散特性的特征，从而实现污染物浓度扩散非接触式检测。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何改动、等同替换改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种非接触式污染物浓度扩散检测系统，其特征在于：包括水槽静水模拟装置、射流模拟装置和相机；
所述水槽静水模拟装置包括储水箱、实验水槽、第一恒流泵、第一导流通道、第二导流通道、第三导流通道、溢流通道、阀门、流堰板、支架、废液收集箱、水桶、LGY-II旋浆式流速仪；
所述储水箱、实验水槽均放置在支架上；所述流堰板设置在实验水槽内的插口位置，所述的插口位置到距离实验水槽出水侧的距离为六分之一实验水槽长度；所述废液收集箱放置在支架的底部；所述第一恒流泵设置在水桶中，第一恒流泵通过第二导流通道与储水箱的进水口连接，储水箱的溢流口通过溢流通道与水桶连接；储水箱的出水口设有阀门，阀门通过第一导流通道与实验水槽的进水口连接，储水箱的出水口与实验水槽的进水口位于同一水平高度；所述的LGY-II旋浆式流速仪设置在实验水槽内，所述的LGY-II旋浆式流速仪到距离实验水槽进水侧的距离为7/24～1/3实验水槽长度；实验水槽上设置有多个射流孔，射流孔的直径为4cm，每个射流孔的圆心与实验水槽底部的距离均为5cm，且相邻两个射流孔的圆心距为6cm，离实验水槽出水口最近的一个射流孔的圆心与实验水槽的出水侧距离32～40cm；相机通过固定支架固定在实验水槽侧壁上，相机的水平位置和高度可调；
所述射流模拟装置包括储液箱、第四导流通道、转子流量计、流量控制阀、T型多孔扩散器、射流管；
储液箱通过第四导流通道与T型多孔扩散器连接，所述的第二恒流泵、转子流量计、流量控制阀按照水流方向依次设置在第四导流通道上；T型多孔扩散器上的每根分流管上都设有一个射流管，每个射流管通过橡皮塞固定在实验水槽对应的射流孔内。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式污染物浓度扩散检测系统，其特征在于：所述实验水槽的出水口与废液收集箱的进水口经第三导流通道相连。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式污染物浓度扩散检测系统，其特征在于：所述的储水箱上设有多个不同高度的溢流口；所述储水箱的进水口截面为梯形。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式污染物浓度扩散检测系统，其特征在于：所述实验水槽的进水口截面为梯形。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式污染物浓度扩散检测系统，其特征在于：所述流堰板顶部采用锯齿波结构。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式污染物浓度扩散检测系统，其特征在于：所述的相机包括处理器模块、CMOS图像传感器模块、光学系统模块、以太网模块、电源模块、驱动模块；光学系统模块包括双滤镜切换器、三可变镜头、LED补光灯，双滤镜切换器安装在CMOS图像传感器前，内嵌850～1050nm的近红外滤镜和400～1050nm全光谱滤镜；LED补光灯的开闭由光敏电阻和处理器模块控制的继电器共同完成，以满足弱光下的拍摄要求。
7.根据权利要求1所述的一种非接触式污染物浓度扩散检测系统的检测方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
1)、实验开始时，打开第一恒流泵将水桶中的水经第二导流通道抽至储水箱中，根据实验要求换接溢流通道使得储水箱内的水位保持在设定高度；整个装置保持在一个循环取用水的条件下；
2)、打开储水箱出水口的阀门，手动调节储水箱水体经第一导流通道至实验水槽的进水速度；选择流堰板使得实验水槽内水位保持在设定高度，以维持实验所需水槽环境，不断调节阀门和储水箱水位，通过LGY-II旋浆式流速仪测出实验水槽内水体稳定处的实际水流速度并记录；
3)、配置好实验试液放入储液箱并不断搅拌，第二恒流泵接通稳压电源后，首先进行排气，将第四导流通道内的空气排出；然后将储液箱内的液体经由第四导流通道抽至实验水槽中；根据实验要求的射流速度，用转子流量计、流量控制阀来控制实际流量大小，并保持稳定；
4)、在实验要求检测的感兴趣区域即对应的水槽底部铺设一块白板；
5)、打开相机，设定好图像大小、位置、曝光时间及亮度增益的参数；在完成一个完整的射流形态后，关闭相机，将相机中获得的图像通过相应的图像算法，获取静态条件下水平动量射流浓度场和横向流动条件下水平动量射流浓度场及其扩散特性的特征，从而实现污染物浓度扩散非接触式检测。
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