CN107505240B - 低气压环境下水体中气核自然分布的观测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低气压环境下水体中气核自然分布的观测装置及方法，包括设有真空阀、进水阀和排水阀的真空模型箱，与真空模型箱连接的片光源，与片光源连接的激光发射器，与激光发射器连接的同步控制器以及与同步控制器分别连接的计算机和CCD相机；所述计算机中设有图像采集卡，图像采集卡与CCD相机相连。采用合理的图像采集方法和气核识别方法，实现对低气压环境水体中气核自然分布的观测。本发明创新了实验室条件下低气压水体基本性质的测量方法，能够准确观测低气压环境下水体中自然存在的气核分布，可在高海拔地区水质检测、水污染处理、空化空蚀、教研等领域广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种低气压环境下水体中气核的观测装置及方法，属于水利水电工程和环保工程技术领域。
背景技术
西部高原地区的水电开发及水环境保护问题日益受到热点关注，高海拔地区具有气压低、氧气稀薄的特点，影响水体中组分的分布。气核是空化发生的基本前提，空化泡溃灭对水工建筑物产生的空蚀破坏时有发生；同时气核与水体含气量、溶解氧等指标密切相关，因此，高海拔地区不具备现场试验条件时，研究在常压地区实验室条件下低气压环境水体中气核的观测方法及装置，对于揭示高海拔地区高速水流空化空蚀特性，以及水质检测、水污染处理等具有重要的理论意义与实用价值。
目前水体中气泡分布观测主要采用激光干涉成像的光学观测方法，主要有以下不足：（1）观测的气泡是通过空气压缩泵或播核系统向水体中掺入的，无法反映水体中自然存在的气泡分布，与实际工程应用不符；（2）观测装置仅适用于常压环境，无法观测低气压环境下水体中气泡分布；（3）实验室条件下真空箱抽取低压后，水体组分会经历扰动后再平衡的过程，甚至出现过饱和现象，气核的采集及识别等技术存在一定困难，目前尚无低压环境下气核的观测方法。
发明内容
针对以上不足，本发明提供了一种低气压环境下水体中气核自然分布的观测装置及方法。
本发明通过下列技术方案实现：一种低气压环境下水体中气核自然分布的观测装置，包括设有真空阀、进水阀和排水阀的真空模型箱，与真空模型箱连接的片光源，与片光源连接的激光发射器，与激光发射器连接的同步控制器以及与同步控制器分别连接的计算机和CCD相机；所述计算机中设有图像采集卡，图像采集卡与CCD相机相连。计算机用于存储图像采集卡采集的图像数据，通过采集分析软件实时显示、记录、分析观测到的气核图像。
所述真空模型箱上还设有真空压力表。
所述真空阀通过PVC钢丝管与真空泵相连。真空压力表用于测量真空模型箱内的真空度，真空阀通过PVC钢丝管连接真空泵用于抽气。
所述进水阀通过管道与上水箱相连，上水箱的位置高于真空模型箱。上水箱用于存储水样，真空模型箱注水时上水箱内始终有一定深度的水，防止多余空气通过进水管进入真空模型箱。
所述真空模型箱由顶盖与箱体组成；箱体外壳为有机玻璃，厚度15mm以上；内壁贴附一层透明玻璃，以降低低压下水体气泡在壁面的吸附程度；箱体与顶盖之间采用橡胶圈密封；真空模型箱的背景面为均质黑色，能增强气核与背景的对比程度。
所述箱体的侧壁设有排水阀，用于排水；顶盖上设有进水阀，用于进水。
所述CCD相机成像的照度大于等于0.00002Lux；镜头为微距镜头，能够对5μm以上的气核成像。
安装操作为：在真空模型箱上安装真空阀、真空压力表、进水阀及排水阀，连接真空泵、上水箱和排水管，检查密封性；将片光源置于箱体一侧，调整片光源的发射位置及激光的厚度，增强水体中气核的亮度；CCD相机的镜头垂直于片光源面放置，调整拍摄距离和焦距，使气核图像清晰；激光发射器和CCD相机的信号控制线分别连接同步控制器，同步控制器连接计算机用于控制激光发射器和CCD相机的信号同步；CCD相机信号输出连接至图像采集卡，图像采集卡安装于计算机的主板中，使计算机存储拍摄的图像。
本发明的另一目的还在于提供一种低气压环境下水体中气核自然分布的观测方法，使用上述装置，其步骤如下：
（1）关闭真空模型箱的排水阀，打开真空模型箱顶盖上的真空阀，开启真空泵，待真空压力表的示值稳定在目标气压后，关闭真空阀及真空泵；
（2）打开进水阀，缓慢注入待测水体，使水样与箱内真空气体充分掺混，注水完成后关闭进水阀；
（3）由于在低气压下注水过程中微气泡逸出会导致真空度小幅度下降，需实时观察待真空度稳定后，微调气压至目标气压；
（4）预拍摄水体气核图像，分析水体气核移动速度，当气核移动速度小于20μm/s时，再正式采集图像；
（5）采集图像完成后，关闭片光源、激光发射器及CCD相机，打开真空模型箱的排水阀，放空真空模型箱；
（6）采用气核识别方法计算气核分布及尺寸，其步骤如下：
a、识别所采集图像的灰度值，得到背景灰度峰值G0及颗粒灰度峰值G1；
b、将图像灰度值小于（G0+G1）/2的点调整为0，去除背景干扰，避免箱体壁面气泡及外环境光源的影响；
c、将图像灰度值大于1.5G1的点调整为0，剔除过曝颗粒及激光片光源外的颗粒；
d、识别颗粒外轮廓，按下式计算颗粒形状因子f：f=c 2/4πA，其中：c为颗粒周长，A为颗粒像素面积；
e、将f大于1.2的颗粒灰度值调整为0，剔除非近似圆形的颗粒；
f、计算颗粒尺寸，在5μm~100μm范围内的即为气核，计算气核分布及尺寸。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）使用特殊设计的真空模型箱实现实验室条件低气压环境的模拟。真空箱包括顶盖和箱体，密闭性完好；外层使用有机玻璃，内层贴透明玻璃，减小低压下气泡附壁程度；背景面为均质黑色，增强气核与背景的对比程度；安装有真空阀、进水阀、排水阀，实现抽真空、进水和排水的功能。
（2）可观测水体中自然存在的气核分布。本发明不需空压泵和播核系统向水体中掺入气泡，而是通过合理的图像采集步骤直接观测水体中自然存在的近似静态的气核分布，更贴近实际工程应用。
（3）可准确识别低气压环境下水体中的气核。通过合理的气核识别方法，考虑箱体壁面气泡、外环境光源、过曝颗粒及激光片光源外影响以及颗粒尺寸形状影响等多方面因素，可准确识别出低气压环境下水体中的气核。
（4）使用高分辨率的微距镜头，可实现微小粒径气核的成像，采集到对工程起到重要作用的5μm~100μm范围内的气核分布。
综上所述，本发明提供的低气压环境下水体中气核自然分布的观测方法具有简便可行，观测精度高，还原度高，识别准确，贴近高海拔地区水力学及水环境工程实际的优点，能在高海拔地区水质检测、水污染处理、空化空蚀、教研等领域广泛应用。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是真空模型箱与上水箱连接的结构示意图；
图3是图像采集的操作流程示意图；
图4是气核识别过程的流程示意图；
图5是实施例所采集图像的灰度值；
图6为不同环境气压下的气核分布函数图。
图中，1-真空模型箱；2-进水阀；3-排水阀；4-真空泵；5-PVC钢丝管；6-真空压力表；7-真空阀；8-片光源；9-激光发射器；10-CCD相机；11-同步控制器；12-计算机；13-图像采集卡；14-上水箱。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
如图所示，低气压环境下水体中气核自然分布的观测装置包括设有真空阀7、进水阀2和排水阀3的真空模型箱1，与真空模型箱1连接的片光源8，与片光源8连接的激光发射器9，与激光发射器9连接的同步控制器11以及与同步控制器11分别连接的计算机12和CCD相机10；所述计算机12中设有图像采集卡13，图像采集卡13与CCD相机10相连。
所述真空模型箱1上还设有真空压力表6。所述真空阀7通过PVC钢丝管5与真空泵4相连。真空压力表6用于测量真空模型箱1内的真空度，真空阀7通过PVC钢丝管5连接真空泵4用于抽气。所述进水阀2通过管道与上水箱14相连，上水箱14的位置高于真空模型箱1。上水箱14用于存储水样，真空模型箱1注水时上水箱14内始终有一定深度的水，防止多余空气通过进水管进入真空模型箱1。所述真空模型箱1由顶盖与箱体组成；箱体外壳为有机玻璃，厚度15mm以上；内壁贴附一层透明玻璃，以降低低压下水体气泡在壁面的吸附程度；箱体与顶盖之间采用橡胶圈密封；真空模型箱1的背景面为均质黑色，能增强气核与背景的对比程度。所述排水阀3设于箱体的侧壁，用于排水；进水阀2设于顶盖上，用于进水。所述CCD相机10成像的照度大于等于0.00002Lux；镜头为微距镜头，能够对5μm以上的气核成像。
安装操作为：在真空模型箱1上安装真空阀7、真空压力表6、进水阀2及排水阀3，连接真空泵4、上水箱14和排水管，检查密封性；将片光源8置于箱体一侧，调整片光源8的发射位置及激光的厚度，增强水体中气核的亮度；CCD相机10的镜头垂直于片光源面放置，调整拍摄距离和焦距，使气核图像清晰；激光发射器9和CCD相机10的信号控制线分别连接同步控制器11，同步控制器11连接计算机12用于控制激光发射器9和CCD相机10的信号同步；CCD相机10信号输出连接至图像采集卡13，图像采集卡13安装于计算机12的主板中，使计算机12存储拍摄的图像。
一种低气压环境下水体中气核自然分布的观测方法，使用上述装置，其步骤如下：
（1）关闭真空模型箱1的排水阀3，打开真空模型箱1顶盖上的真空阀7，开启真空泵4，待真空压力表6的示值稳定在目标气压后，关闭真空阀7及真空泵4；
（2）打开进水阀2，缓慢注入待测水体，使水样与箱内真空气体充分掺混，注水完成后关闭进水阀2；
（3）由于在低气压下注水过程中微气泡逸出会导致真空度小幅度下降，需实时观察待真空度稳定后，微调气压至目标气压；
（4）预拍摄水体气核图像，分析水体气核移动速度，当气核移动速度小于20μm/s时，再正式采集图像；
（5）采集图像完成后，关闭片光源8、激光发射器9及CCD相机10，打开真空模型箱1的排水阀3，放空真空模型箱1；
（6）采用气核识别方法计算气核分布及尺寸，其步骤如下：
a、识别所采集图像的灰度值，如图5所示，得到背景灰度峰值G0=35及颗粒灰度峰值G1=165；
b、将图像灰度值小于（G0+G1）/2=100的点调整为0，以去除背景干扰，避免箱体壁面气泡及外环境光源的影响；
c、将图像灰度值大于1.5G1=247.5的点调整为0，以剔除过曝颗粒及激光片光源外的颗粒；
d、识别颗粒外轮廓，按下式计算颗粒形状因子f：f=c 2/4πA，其中c为颗粒周长，A为颗粒像素面积；由所采集图像中的标尺计算颗粒周长c及颗粒像素面积A，此处计算图像中任意两个颗粒的形状因子f，f=c 2/4πA=（735μm）2/（4π×26347μm2）=1.63；f=c 2/4πA=（243.59μm）2/（4π×4719μm2）=1.00；
e、将f大于1.2的颗粒灰度值调整为0，以剔除非近似圆形的颗粒；
f、由所采集图像中的标尺计算图像中剔除背景干扰、过曝颗粒、激光片光源外颗粒及非近似圆形颗粒以后的剩余颗粒尺寸，在5μm~100μm范围内的即为气核，即可计算气核分布及数量。
本实施例以纯净水为研究对象，得到其在不同环境气压下的气核数量及分布函数，如表1和图6。
表1 纯净水在不同环境气压下的气核数量
结果：本实施例所识别的气核能反映天然水体中气核分布与水质、环境、观测方法等众多因素有关，常规方法观测到的“气核”大多是水体中的杂质或强迫掺入水体中的气泡，不能反映水体中自然存在的气核特征，本发明的观测方法及装置最大程度上减少了除气压条件外的其他干扰因素，能够得到更科学的结果。采用该观测方法及装置得到的气核数量及分布，能够反映低气压环境下水体中自然存在的气核分布及数量，解决了目前高海拔地区水电开发中不考虑气压条件或者对气压仅简单定性考虑的现状，实现了高海拔地区水体微细观气核特性的定量观测技术，可为高海拔地区空化空蚀、掺气减蚀及水环境保护等研究提供理论基础及研究方法。
Claims (7)
1.一种低气压环境下水体中气核自然分布的观测方法，使用观测装置进行观测，该观测装置包括：设有真空阀、进水阀和排水阀的真空模型箱，与真空模型箱连接的片光源，与片光源连接的激光发射器，与激光发射器连接的同步控制器以及与同步控制器分别连接的计算机和CCD相机；所述计算机中设有图像采集卡，图像采集卡与CCD相机相连，其特征在于观测步骤如下：
（1）关闭真空模型箱的排水阀，打开真空模型箱顶盖上的真空阀，开启真空泵，待真空压力表的示值稳定在目标气压后，关闭真空阀及真空泵；
（2）打开进水阀，缓慢注入待测水体，使水样与箱内真空气体充分掺混，注水完成后关闭进水阀；
（3）观察待真空度稳定后，微调气压至目标气压；
（4）预拍摄水体气核图像，分析水体气核移动速度，当气核移动速度小于20μm/s时，再正式采集图像；
（5）采集图像完成后，关闭片光源、激光发射器及CCD相机，打开真空模型箱的排水阀，放空真空模型箱；
（6）采用气核识别方法计算气核分布及尺寸，其步骤如下：
a、识别所采集图像的灰度值，得到背景灰度峰值G0及颗粒灰度峰值G1；
b、将图像灰度值小于（G0+G1）/2的点调整为0，去除背景干扰，避免箱体壁面气泡及外环境光源的影响；
c、将图像灰度值大于1.5G1的点调整为0，剔除过曝颗粒及激光片光源外的颗粒；
d、识别颗粒外轮廓，按下式计算颗粒形状因子f：f=c 2/4πA，其中：c为颗粒周长，A为颗粒像素面积；
e、将f大于1.2的颗粒灰度值调整为0，剔除非近似圆形的颗粒；
f、计算颗粒尺寸，在5μm~100μm范围内的即为气核，计算气核分布及尺寸。
2.根据权利要求1所述的低气压环境下水体中气核自然分布的观测方法，其特征在于：所述真空模型箱上还设有真空压力表。
3.根据权利要求1所述的低气压环境下水体中气核自然分布的观测方法，其特征在于：所述真空阀通过PVC钢丝管与真空泵相连。
4.根据权利要求1所述的低气压环境下水体中气核自然分布的观测方法，其特征在于：所述进水阀通过管道与上水箱相连，上水箱的位置高于真空模型箱。
5.根据权利要求1所述的低气压环境下水体中气核自然分布的观测方法，其特征在于：所述真空模型箱由顶盖与箱体组成；箱体外壳为有机玻璃，厚度15mm以上；内壁贴附一层透明玻璃；箱体与顶盖之间采用橡胶圈密封；真空模型箱的背景面为均质黑色。
6.根据权利要求5所述的低气压环境下水体中气核自然分布的观测方法，其特征在于：所述箱体的侧壁设有排水阀；顶盖上设有进水阀。
7.根据权利要求1所述的低气压环境下水体中气核自然分布的观测方法，其特征在于：所述CCD相机成像的照度大于等于0.00002Lux；镜头为微距镜头，能够对5μm以上的气核成像。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 《模拟不同海拔水下爆炸气泡动态特性研究》;黄麟 等.;《爆破》;20120331;第29卷(第1期);第88页左栏第3段到右栏第2段 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107505240A (zh) | 2017-12-22 |
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