CN104931394A - 一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性的方法及系统，沉淀柱的底部为排泥口，顶部为进水口，进样管与沉淀柱靠近进水口的侧面连接；进样管上设置有旋拧阀；机器视觉LED背光源设置在沉淀柱的一侧，远心镜头与CCD相机连接，CCD相机固定在卧式测试台上，所述卧式测试台、远心镜头、CCD相机组成的采集系统设置在沉淀柱另一侧的观侧面；CCD相机通过数据线与工控机连接，显示器与工控机连接；所述进样管的一端与沉淀柱连接，进样管的另一端为进样口。

Description

一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性的方法及系统

技术领域

本发明属于水处理技术领域，涉及一种在线同步检测不同空间维度下水中絮体分形特性的方法及系统。

背景技术

时至今日，混凝仍是水处理过程中不可取代的处理单元，其效果的好坏直接影响着后续固液分离的效果及最终的出水水质。近年来，随着分子生物学在水处理技术领域中应用的发展，所用药剂不仅限于化学絮凝剂，生物絮凝剂也得到了广泛的使用并在特殊水质的处理中取得了较佳的效果。然而，无论使用何种性质的药剂，良好的絮凝效果始终是相关工程技术及研究人员共同追求的目标。

目前，用于指示絮凝效果的技术主要分为如下两类：

(1)终端检测：浊度法和颗粒计数法；

(2)过程检测：流动电流(SCD)法和絮体检测法，其中后者又包括透光率脉动絮凝检测法、光散射颗粒分析(PDA)法和絮体图像检测法。

上述两类方法中，终端检测具有直接准确的特点，但其检测信息反馈的滞后性会导致药剂消耗量增加，从而降低了该方法在实际工程应用中的经济型。

为此，过程检测技术的得到了研究人员的广泛关注。对絮体进行检测并分析是该技术采用的主要手段。其中，絮体图像检测法是三种方法中最直接有效的方法。该方法通过拍摄絮体图像计算其特性参数，且其计算结果能与沉后水浊度保持良好的相关性，具备深入研究的价值。

申请号为03138048.4、公开号为CN 1538177A、名称为“基于图像处理技术的混凝过程絮体检测及优化控制系统”的中国发明专利提出了一种基于混凝反应絮体二维图片的絮体特性参数提取方法，实现药剂的优化投加并对混凝过程进行优化控制。但该专利仅涉及了二维絮体图像的提取及其二维形态特征的分析，无法完成对絮体三维/质量分形维数及其沉降性能的评价。

申请号为200810222184.0、公开号为CN 101672861A、名称为“确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的方法及其系统”的中国发明专利提出了采用装配有显微镜头的CCD相机对沉降过程中的絮体或污泥颗粒物进行动态拍摄，通过其在一定时间内的沉降距离计算沉降速度。但该发明专利并未能反应水中絮体或污泥颗粒的三维/质量分形维数等特性参数的计算方法，并且该专利涉及到的操作方法至少需要对同一个分析样品取样转移两次，这对操作精度要求极高，否则絮体破碎将严重降低测量精度和准确度。

为此，提供一种能够在尽量减少样品转移次数的前提下，同时测定不同空间维度下水中絮体分形特性参数并评价其沉降性能的方法及系统是十分必要的。这将对过程检测技术中絮体图像分析方法所涉及的特性参数做以补充，是研究混凝过程控制所需要的价值方法及系统。

发明内容

本发明的目的：(1)提供一种在对样品进行一次转移的前提下，能够准确测定不同空间维度下水中絮体分形特性参数的方法；(2)提供能够满足上述操作的配套系统。

从而能够对不同水质及工况条件下形成的絮体的几何参数、二维及三维/质量分形特征和沉降性能等进行全面评价，对混凝过程进行调控，有效控制药剂的最佳投量及最优沉淀出水浊度范围，从本质上抑制药剂的盲目投加及水质恶化等问题的出现，具备很高的研究、社会及经济价值。

为实现上述目的，发明了一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性的方法及系统，其中该系统包括机器视觉LED背光源(1)、沉淀柱(2)、排泥口(3)、卧式测试台(4)、旋拧阀(5)、进样管(6)、远心镜头(7)、CCD相机(8)、数据线(9)、显示器(10)、工控机(11)。

具体而言，所述沉淀柱(2)的底部为排泥口(3)，顶部为进水口，进样管(6)与沉淀柱(2)靠近进水口的侧面连接；进样管(6)上设置有旋拧阀(5)；机器视觉LED背光源(1)设置在沉淀柱(2)的一侧，远心镜头(7)与CCD相机(8)连接，CCD相机(8)固定在卧式测试台(4)上，所述卧式测试台(4)、远心镜头(7)、CCD相机(8)组成的采集系统设置在沉淀柱(2)另一侧的观侧面；CCD相机(8)通过数据线(9)与工控机(11)连接，显示器(10)与工控机(11)连接；所述进样管(6)的一端与沉淀柱(2)连接，进样管(6)的另一端为进样口。

所述沉淀柱(2)为二通道的矩形结构，其一个对面或两个对面均为石英玻璃材质。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、操作简单：可通过清晰的操作说明指导并开展工作；

2、精度及准确度高：仅一次取样的非原位测量、远心镜头及高分辨率的CCD相机保障了絮体样品的完整性和图像的清晰度；

3、絮体的几何参数、不同空间维度下分形特性及沉降性能等信息全面：目前，尚没有任何一种方法及系统能够完成上述测定；

4、便携性：可将其组件自行拼装，特别适合农村等试验条件有限的水厂进行作业；

5、研究价值、社会及经济效益：基于全面的絮体信息反馈，可以对混凝过程进行调控，有效控制投药量及沉淀出水浊度范围，从而节约药剂并产生良好的社会效益。

附图说明

图1为本发明的水中絮体不同空间维度下的分形特性参数的测定系统示意图。

图中：1、机器视觉LED背光源，2、沉淀柱，3、排泥口，4、卧式测试台，5、旋拧阀，6、进样管，7、远心镜头，8、CCD相机，9、数据线，10、显示器，11、工控机。

具体实施方式

本发明通过在自制特殊构造的沉降系统中使用高像素CCD相机对水处理过程中絮体的等速沉降过程进行动态拍摄，以此全面反应絮体的几何参数、不同空间维度下分形特性参数和沉降性能，为混凝过程控制的相关研究提供依据。

本发明所述的絮体既包括给水处理过程中的絮体也包括污水处理过程中的絮体及二者的沉淀池压缩污泥颗粒。

图1显示了本发明的用于开展水中絮体不同空间维度下的分形特性参数测定的系统。下面参照图1说明该系统所涉及的测定方法。本发明的方法包括以下操作步骤：

1)在打开旋拧阀(5)的情况下，将系统内注入纯水至预设高度，此时沉淀柱(2)和进样管(6)的液面与旋拧阀(5)的垂直高差至少为6cm，后立即关闭旋拧阀(5)；

2)将装配有远心镜头(7)的CCD相机(8)对准置于沉降柱石英玻璃材质一侧的观测面；

3)放置并调节机器视觉LED背光源(1)至适宜亮度；

4)将数据线(9)连接至工控机(11)；

5)将单个絮体缓慢置于进样管(6)中；

6)打开排泥口(3)使沉淀柱中液面下降至与阀门垂直高差为2cm左右；

7)缓慢打开旋拧阀(5)，使待测的单个絮体依靠水流的牵制力和惯性作用进入沉淀柱(2)内进行沉降运动；

8)操控CCD相机控制软件以5帧/秒的速度进行拍照；

9)将光信号转换为电信号通过数据线传递至工控机(11)并记录；

10)利用图像处理软件并结合相应的公式对絮体的几何参数、不同空间维度下的分形特性及沉降性能进行计算。

所述的依据CCD相机动态拍摄的絮体沉降图像表征其几何参数、不同空间维度下分形特性及沉降性能，特别涉及一种计算三维/质量分形维数的方法：

1)当沉降柱中絮体进行等速沉降时，作用在絮体上的合力为零。由受力分析知，有关系式：

D+B＝G    (1)

其中D为絮体所受的绕流阻力；B为絮体所受的浮力；G为絮体所受重力。

2)D为絮体所受的绕流阻力，

$D=C_d\frac{{\mathrm{\ρu}}_f}{2}A---\left(2\right)$

其中C_d为绕流阻力系数；A为絮体的投影面积；ρ为沉降柱中液体密度；u_f为絮体的自由沉降速度。

3)C_d为绕流阻力系数，当雷诺数Re＝1～10³时，有：

$C_d=\frac{10}{\sqrt{\mathrm{Re}}}---\left(3\right)$

4)Re为雷诺数，

$\mathrm{Re}=\frac{u_f{D}_d}{v}---\left(4\right)$

其中D_d为沉降柱当量直径，v为流体运动阻力系数。由于絮体在做等速沉降运动时，Re＝1～10³,将式(3)和式(4)带入式(2)，可得：

$D=5A\mathrm{\ρ}\sqrt{\frac{{\mathrm{vu}}_f}{D_d}}---\left(5\right)$

5)B为絮体所受的浮力，

$B=\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}^3\mathrm{\ρ}g---\left(6\right)$

其中d为絮体直径。

6)G为絮体所受重力，

G＝mg    (7)

其中m为絮体质量，g为重力加速度。

7)三维/质量分形维数定义式为：

m∝L^Df    (8)

其中L为絮体投影图像的特征长度，D_f为絮体的三维/质量分形维数。将式(8)做对数运算，得：

$D_f=\frac{\log m}{\log L}---\left(9\right)$

因此，由上式(9)可知，如若能测定絮体的质量m和特征长度L，便可求得絮体的三维/质量分形维数D_f。

8)将式(5)、(6)和式(7)代入式(1)，得：

$5A\mathrm{\ρ}\sqrt{\frac{{\mathrm{vu}}_f}{D_d}}+\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}^3\mathrm{\ρ}g=mg---\left(10\right)$

将上式(10)变形，可得絮体质量，

$m=5A\mathrm{\ρ}\frac{1}{g}\sqrt{\frac{{\mathrm{vu}}_f}{D_d}}+\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}^3\mathrm{\ρ}---\left(11\right)$

其中A、u_f、d和式(8)中涉及的L均可由CCD相机对絮体在一定时间内等速沉降过程动态拍摄的图像求得，从而准确计算出絮体的三维/质量分形维数。

实施例

实施例1：地表水处理过程中铝盐絮体

用于测定絮体的几何参数、不同空间维度下的分形特性及沉降性能的系统包括：自制特殊构造的沉降系统、CCD相机(MV-VD200SM/SC，维视数字图像技术有限公司)及配套软件、小型工业远心镜头(TML40X65S/C，艾菲特光电技术有限公司)LED背光源(AFT-BL100，艾菲特光电技术有限公司)、卧式测试台(BT-MHT，远心光学系统有限公司)、工控机及显示器。

絮体制备使用六联搅拌机(深圳中润，ZR4-6)，混凝程序为：300r/min混匀水样0.5min；250r/min快速搅拌1min；30r/min慢速搅拌30min；于慢速搅拌开始后约20min取样。混凝剂投量及投加点为：40mg/L硫酸铝(Al₂(SO₄)₃·18H₂O)于快速搅拌开始前。地表水水质为：pH7.82、浊度9.29NTU、COD_Mn 4.38O₂mg/L。实测絮体个数58个，平均粒径为159μm，二维边界分形维数D_pf为1.59±0.09(相关系数R²为0.91)，质量分形维数为2.13±0.12(相关系数R²为0.85)，沉降速度为1.19mm/s。

实施例2：地表水处理过程中铁盐絮体

用于测定絮体的几何参数、不同空间维度下的分形特性及沉降性能的系统包括：自制特殊构造的沉降系统、CCD相机(MV-VD200SM/SC，维视数字图像技术有限公司)及配套软件、小型工业远心镜头(TML40X65S/C，艾菲特光电技术有限公司)LED背光源(AFT-BL100，艾菲特光电技术有限公司)、卧式测试台(BT-MHT，远心光学系统有限公司)、工控机及显示器。

絮体制备使用六联搅拌机(深圳中润，ZR4-6)，混凝程序为：300r/min混匀水样0.5min；250r/min快速搅拌1min；30r/min慢速搅拌30min；于慢速搅拌开始后约20min取样。混凝剂投量及投加点为：40mg/L氯化铁(FeCl₃·6H₂O)于快速搅拌开始前。地表水水质为：pH7.82、浊度9.29NTU、COD_Mn 4.38O2mg/L。实测絮体个数52个，平均粒径为235μm，二维边界分形维数D_pf为1.77±0.14(相关系数R²为0.82)，质量分形维数为2.48±0.09(相关系数R²为0.79)，沉降速度为1.96mm/s。

Claims (10)

1.一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性系统，其特征在于：该系统包括机器视觉LED背光源(1)、沉淀柱(2)、排泥口(3)、卧式测试台(4)、旋拧阀(5)、进样管(6)、远心镜头(7)、CCD相机(8)、数据线(9)、显示器(10)、工控机(11)；

具体而言，所述沉淀柱(2)的底部为排泥口(3)，顶部为进水口，进样管(6)与沉淀柱(2)靠近进水口的侧面连接；进样管(6)上设置有旋拧阀(5)；机器视觉LED背光源(1)设置在沉淀柱(2)的一侧，远心镜头(7)与CCD相机(8)连接，CCD相机(8)固定在卧式测试台(4)上，所述卧式测试台(4)、远心镜头(7)、CCD相机(8)组成的采集系统设置在沉淀柱(2)另一侧的观侧面；CCD相机(8)通过数据线(9)与工控机(11)连接，显示器(10)与工控机(11)连接；所述进样管(6)的一端与沉淀柱(2)连接，进样管(6)的另一端为进样口。

2.一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性系统的方法，其特征在于：该方法包括下述流程，

1)在打开旋拧阀(5)的情况下，将系统内注入纯水至预设高度，此时沉淀柱(2)和进样管(6)的液面与旋拧阀(5)的垂直高差至少为6cm，后立即关闭旋拧阀(5)；

2)将装配有远心镜头(7)的CCD相机(8)对准置于沉降柱石英玻璃材质一侧的观测面；

3)放置并调节机器视觉LED背光源(1)至适宜亮度；

4)将数据线(9)连接至工控机(11)；

5)将单个絮体缓慢置于进样管(6)中；

6)打开排泥口(3)使沉淀柱中液面下降至与阀门垂直高差为2cm；

7)缓慢打开旋拧阀(5)，使待测的单个絮体依靠水流的牵制力和惯性作用进入沉淀柱(2)内进行沉降运动；

8)操控CCD相机控制软件以5帧/秒的速度进行拍照；

9)将光信号转换为电信号通过数据线传递至工控机(11)并记录；

10)利用图像处理软件并结合相应的公式对絮体的几何参数、不同空间维度下的分形特性及沉降性能进行计算。

3.根据权利要求1所述的一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性系统，其特征在于：所述沉淀柱(2)为二通道的矩形结构，其一个对面或两个对面均为石英玻璃材质。

4.根据权利要求1所述的一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性系统，其特征在于：装配在CCD相机(8)上的远心镜头(7)为双远心镜头，该镜头为变焦镜头且具有“0”畸变、大景深且解析度高的特点。

5.根据权利要求1所述的一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性系统，其特征在于：所述装配有双远心镜头的CCD相机(8)放置在卧式测试台上，该测试台具有高精度的机械结构，多自由度任意调节。

6.根据权利要求1所述的一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性系统，其特征在于：所述机器视觉LED背光源(1)为机器视觉LED背光源。

7.根据权利要求1所述的一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性系统，其特征在于：所述数据线(9)的传输速度至少为10M/s。

8.根据权利要求1所述的一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性系统，其特征在于：所述排泥口(3)位于沉淀柱(2)的底部，在加工时需预先完成。

9.根据权利要求1所述的一种检测不同空间维度下水中絮体分形特性系统，其特征在于：所述工控机(11)为台式或便携式。

10.一种计算三维/质量分形维数的方法，依据CCD相机动态拍摄的絮体沉降图像表征其几何参数、不同空间维度下分形特性及沉降性能，其特征在于：该方法的实施流程如下，

1)当沉降柱中絮体进行等速沉降时，作用在絮体上的合力为零；由受力分析知，有关系式：

D+B＝G   (1)

其中D为絮体所受的绕流阻力；B为絮体所受的浮力；G为絮体所受重力；

2)D为絮体所受的绕流阻力，

$D=C_d\frac{{\mathrm{\ρu}}_f}{2}A---\left(2\right)$

其中C_d为绕流阻力系数；A为絮体的投影面积；ρ为沉降柱中液体密度；u_f为絮体的自由沉降速度；

3)C_d为绕流阻力系数，当雷诺数Re＝1～10³时，有：

$C_d=\frac{10}{\sqrt{\mathrm{Re}}}---\left(3\right)$

4)Re为雷诺数，

$\mathrm{Re}=\frac{u_f{D}_d}{v}---\left(4\right)$

其中D_d为沉降柱当量直径，v为流体运动阻力系数；由于絮体在做等速沉降运动时，Re＝1～10³,将式(3)和式(4)带入式(2)，可得：

$D=5A\mathrm{\ρ}\sqrt{\frac{{\mathrm{vu}}_f}{D_d}}---\left(5\right)$

5)B为絮体所受的浮力，

$B=\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}^3\mathrm{\ρ}g---\left(6\right)$

其中d为絮体直径；

6)G为絮体所受重力，

G＝mg   (7)

其中m为絮体质量，g为重力加速度；

7)三维/质量分形维数定义式为：

m∝L^Df   (8)

其中L为絮体投影图像的特征长度，D_f为絮体的三维/质量分形维数；将式(8)做对数运算，得：

$D_f=\frac{\log m}{\log L}---\left(9\right)$

因此，由上式(9)可知，如若能测定絮体的质量m和特征长度L，便可求得絮体的三维/质量分形维数D_f；

8)将式(5)、(6)和式(7)代入式(1)，得：

$5A\mathrm{\ρ}\sqrt{\frac{{\mathrm{vu}}_f}{D_d}}+\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}^3\mathrm{\ρ}g=mg---\left(10\right)$

将上式(10)变形，可得絮体质量，

$m=5A\mathrm{\ρ}\frac{1}{g}\sqrt{\frac{{\mathrm{vu}}_f}{D_d}}+\frac{1}{6}{\mathrm{\πd}}^3\mathrm{\ρ}---\left(11\right)$

其中A、u_f、d和式(8)中涉及的L均可由CCD相机对絮体在一定时间内等速沉降过程动态拍摄的图像求得，从而准确计算出絮体的三维/质量分形维数。