CN113916139B - 一种用于测量泡沫尺寸分布的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量泡沫尺寸分布的装置及方法，属于泡沫测试装置技术领域，在集泡单元侧部设置光路转换单元对光线进行折射，通过光线折射获取清晰的气泡分布图像，便于测试气泡直径的分布，解决了显微镜拍摄时易出现大量背景气泡的问题；技术方案为：包括：发泡单元；集泡单元，发泡单元生成泡沫向集泡单元提供；光路转换单元，其设置于集泡单元侧部；光学成像单元，其与光路转换单元相对设置，由光路转换单元将光线折射后在光学成像单元得到泡沫分布图像。

Description

一种用于测量泡沫尺寸分布的装置及方法

技术领域

本发明涉及泡沫测试装置技术领域，特别是涉及一种用于测量泡沫尺寸分布的装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

泡沫作为化工领域一个重要的物质，已经在众多领域得到了广泛的应用，如石油的二次开采、泡沫灭火、矿石浮选、泡沫洗消以及废水处理等方面，其中，泡沫的稳定性是在实际应用中一个重要的性质，泡沫的稳定性指生成泡沫的持久性。在不同的应用领域，对泡沫的性能要求也不同，稳定性差的泡沫会增加气泡的破裂率。在宏观角度上一种主要方法是通过测试泡沫的半衰期来表征稳定性，另一种方法主要测试泡沫的排液率；而在微观角度上，主要通过显微镜等技术手段来测试泡沫尺寸和形态随时间的衰变过程。

目前，实验室制备泡沫的主要方法有倾泻法(Ross-Miles法)、振荡法、鼓泡法和高速搅拌法，通过上述方法生成一定高度和体积的泡沫，储存在不同容器中进行后续的性能测试。泡沫性能的检测手段主要包括：声速法(检测泡沫含液量的变化)、电导法(检测泡沫电导率的变化)和光学法(检测泡沫尺寸或plateau边界变化)。

发明人发现，在实验室中应用广泛的光学法常常采用显微镜技术观察泡沫的形态衰变过程，而在实际应用中，利用上述方法生成一定体积和高度的泡沫后，通过显微镜直接观察时常常因为镜头焦距的限制，在拍摄时出现大量的背景气泡，导致泡沫图像虚化；泡沫尺寸相对较小且泡沫结构重复堆叠，在图像后处理过程中，往往很难提取出清晰的泡沫图像，从而影响后续泡沫直径分布的测试。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于测量泡沫尺寸分布的装置及方法，在集泡单元侧部设置光路转换单元对光线进行折射，通过光线折射获取清晰的气泡分布图像，便于测试气泡直径的分布，解决了显微镜拍摄时易出现大量背景气泡的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种用于测量泡沫尺寸分布的装置，包括：

发泡单元；

集泡单元，发泡单元生成泡沫向集泡单元提供；

光路转换单元，其设置于集泡单元侧部；

光学成像单元，其与光路转换单元相对设置，由光路转换单元将光线折射后在光学成像单元得到泡沫分布图像。

作为进一步的技术方案，所述光路转换单元为三棱镜，三棱镜第一侧面固定于集泡单元侧部，三棱镜第二侧面与光学成像单元相对。

作为进一步的技术方案，所述光学成像单元的光路与三棱镜第二侧面垂直设置。

作为进一步的技术方案，所述三棱镜第三侧面与补光灯相对，补光灯的光路与三棱镜第三侧面垂直设置。

作为进一步的技术方案，所述补光灯的光路和光学成像单元的光路位于同一水平面。

作为进一步的技术方案，所述补光灯底部设置第一调节支撑架，光学成像单元底部设置第二调节支撑架。

作为进一步的技术方案，所述光学成像单元为显微镜，光学成像单元与计算机连接。

作为进一步的技术方案，所述发泡单元包括气体泵，气体泵通过导气管与气石盘连接，气石盘设置于集泡单元内；所述导气管设置气相阀门和气体流量计。

作为进一步的技术方案，所述集泡单元包括箱体，箱体顶部设有开口以供泡沫液进入，箱体底部与发泡单元连接；所述箱体为透明材质制成。

第二方面，本发明还提供了一种如上所述的用于测量泡沫尺寸分布的装置的测量方法，包括以下步骤：

将泡沫液倒入集泡单元，启动发泡单元，在集泡单元内生成泡沫；

由光路转换单元将光线折射后在光学成像单元得到泡沫分布图像；

分析图像，获取泡沫体系的图像变化特征。

上述本发明的有益效果如下：

(1)本发明设置了发泡单元和集泡单元，并在集泡单元处设置了光路转换单元和光学成像单元，能够实时对泡沫进行拍摄并获取清晰的图像，从而实现对气泡尺寸衰变过程进行实时的图像采集，实验可重复性高。

(2)本发明在集泡单元设置三棱镜，在三棱镜的作用下光线折射进入光学成像单元并最终成像，使得光学成像单元无需正对于泡沫便能实现拍摄，克服了显微镜拍照景深的问题，从而使得拍摄的图像中不会出现背景气泡，能够获得清晰的气泡分布图像，便于气泡直径的统计和分析，保证了统计结果的准确性。

(3)本发明利用三棱镜作为外接滤镜，通过改变显微镜与三棱镜的距离，可以控制折射图像的位置、画面比例和数量，从而适应性的扩大气泡的图像尺寸，更加便于气泡的观察及尺寸判定。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种用于测量泡沫尺寸分布的装置的整体结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的直角三棱镜与补光灯、显微镜的配合示意图；

图3(a)是显微镜直接拍摄泡沫图像效果图；

图3(b)是利用三棱镜辅助拍摄泡沫图像效果图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1、气体泵；2、气相阀门；3、气体流量计；4、导气管；5、气石盘；6、透明玻璃箱；7、直角三棱镜；8、补光灯；9、三角支架；10、显微镜；11、托架；12、数据传输线；13、计算机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所介绍的，现有实验室直接利用显微镜技术观察泡沫的形态衰变过程中，易出现大量背景气泡，从而导致泡沫图像虚化，泡沫尺寸相对较小且泡沫结构重复堆叠的问题，为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于测量泡沫尺寸分布的装置及方法。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图2所示，提出一种用于测量泡沫尺寸分布的装置，包括，用于生成泡沫的发泡单元、用于收集泡沫的集泡单元、用于光线转换的光路转换单元、用于光学成像的光学成像单元以及图像采集单元。

其中，集泡单元下端与发泡单元连接，光路转换单元设置在集泡单元的侧部，光学成像单元设置在光路转换单元的一侧，图像采集单元与光学成像单元连接。

具体的，本实施例采用鼓泡法，发泡单元由气体泵1、气相阀门2、气体流量计3、导气管4以及气石盘5组成，气体泵1通过导气管4与气体流量计3和气石盘5依次连接，气相阀门2设置在气体泵1和气体流量计3之间，以控制气体的流量，其中，气石盘5的尺寸根据实验需要进行调整。

气体流量计3的作用是监测进入气石盘5内的气体流量，根据实际实验需求通过气相阀门2控制气体的流量，气石盘5位于集泡单元内，从而气体从气石盘5的若干出气孔中出气并进入集泡单元内，用于泡沫的产生。

可以理解的是，在其他实施例中发泡单元也可以采用倾泻法、振荡法、搅拌法等常用方法，只要能够在集泡单元内生成泡沫即可，这里不做过多限制。

集泡单元为透明玻璃箱6，该透明玻璃箱6通过高透光玻璃制成，防止对光线产生阻碍，以影响后续光线的折射以及光学成像，保证了图像的清晰度。

透明玻璃箱6的顶部设有开口，用于将泡沫液倒入透明玻璃箱内，泡沫液为不同类型用于生成泡沫的溶液。开口处可设置可关闭的门，在倒入泡沫液后，将门关闭，进行测量试验。

透明玻璃箱6的下端与发泡单元连通，具体的，气石盘5固定设置在透明玻璃箱6内部并位于透明玻璃箱6的箱底，气体流量计3、气相阀门2以及气体泵1位于透明玻璃箱6箱底的外侧，气石盘5通过导气管4与透明玻璃箱6外部的气体流量计3、气相阀门2以及气体泵1依次连接。

可以理解的是，本实施例采用的是鼓泡法，为了方便气体从透明玻璃箱底部进入以产生大量泡沫，将发泡单元设置在透明玻璃箱的底部，在其他实施例中，发泡单元的具体设置位置可以根据所采用的产生泡沫的方法确定。

透明玻璃箱6的侧部外表面上设有光路转换单元，具体的，光路转换单元为直角三棱镜7，直角三棱镜7中三角形长边对应的一面与透明玻璃箱6的一个侧部外表面接触连接，直角三棱镜的大小和尺寸根据实验需求进行调整。

本实施例中直角三棱镜与透明玻璃箱通过粘接的方式进行连接固定，在其他实施例中也可以让直角三棱镜与透明玻璃箱活动连接，以方便直角三棱镜的转动，这里不做过多限制。

为了保证连接强度且不会妨碍光线穿过透明玻璃箱的侧壁，在进行粘接时只将直角三棱镜7粘接面的上端和下端粘接到透明玻璃箱6的侧部表面上。

直角三棱镜7的侧部设有光学成像单元，具体的，光学成像单元由补光灯8和显微镜10构成，补光灯8和显微镜10相对设置在直角三棱镜7的两侧并分别与直角三棱镜7两侧直角边的表面呈直角，使得补光灯光路、显微镜光路均与透明玻璃箱设置三棱镜的侧面呈45°夹角，且补光灯8与显微镜10处于同一水平面，也即将二者设置在同一高度，保证二者光路处于相同水平面。

补光灯8与显微镜10相同水平面的设置，使得补光灯8射出的光线能够在直角三棱镜7的折射下全部进入显微镜10内，且使得进入显微镜内的光线不存在入射角度，显微镜10无需正对于透明玻璃箱内的泡沫便能实现拍摄，克服了显微镜10拍照景深的问题，从而使得拍摄的图像中不会出现背景气泡，能够获得清晰的气泡分布图像，便于气泡直径的统计和分析，保证了统计结果的准确性。

为了保证补光灯8与显微镜10能够时刻处于相同水平面，利用三角架9(即第一调节支撑架)对补光灯8进行支撑，利用托架11(即第二调节支撑架)对显微镜10进行支撑，从而可以分别通过三角架9和托架11来调节补光灯8和显微镜10镜头的高度，可适应于凹凸不平的地形。

可以理解的是，在其他实施例中也可以采用其他支撑装置对补光灯8和显微镜10进行支撑，只要能够进行高度调整即可，这里不做过多的限制。

显微镜10与图像采集单元连接，具体的，图像采集单元为计算机13，显微镜10通过数据传输线12与计算机13进行连接，从而利用计算机13对显微镜10采集到的泡沫图像进行记录和储存。

可以理解的是，补光灯8和计算机10与直角三棱镜7的位置距离，可以根据计算机显示的气泡图像的清晰度进行调整，直到采集到的图像符合要求即可。

通过上述设置能够实时对泡沫进行拍摄并获取清晰的图像(实际效果对比见图3(a)和图3(b))，图3(a)是显微镜直接拍摄后泡沫效果图，由于泡沫尺寸较小且泡沫结构重复堆叠，因此直接使用显微镜拍摄的泡沫图像会出现大量重叠，导致在后处理中往往很难提取泡沫的图像；该装置利用三棱镜通过光学折射原理得到了清晰的气泡分布图像，克服了显微镜拍照景深问题，有利于后续对于气泡直径统计和分析。

采用该装置可实现对气泡尺寸衰变过程进行实时的图像采集，改变显微镜与直角三棱镜的距离或是转动直接三棱镜，可以控制折射图像的位置、画面比例和数量，从而适应性的扩大气泡的图像尺寸，更加便于气泡的观察及尺寸判定。

该装置通过光学反射原理，结合显微呈像技术，通过合理布置补光灯和显微镜头的角度，克服了泡沫结构重叠的拍摄问题，可以得到清晰的气泡尺寸分布图像。整个装置搭建简便，实验过程操作简便，图片清晰，可以实现对气泡尺寸衰变过程进行实时图像采集，实验可重复性高的优点。

实施例2

本申请的另一典型实施例中，提供如实施例1所述的用于测量泡沫尺寸分布的装置的测量方法，具体过程如下：

步骤一：将气体泵1、气相阀门2、气体流量计3通过导气管4连接在气石盘5底部；

步骤二：将配置好的泡沫液从顶部倒入透明玻璃箱6内，打开气体泵1和气相阀门2，控制气体流量，在透明玻璃箱6内生成一定高度的泡沫后，关闭气体泵1和气相阀门2；

步骤三：将直角三棱镜7固定在透明玻璃箱6表面，将补光灯8沿水平45°对准直角三棱镜7的左面，将显微镜10镜头沿水平45°对准直角三棱镜7的右面，调节三角支架9和托架11的高度，使补光灯8和显微镜10的光路处于相同水平面；

步骤四：调节显微镜10镜头的焦距，使得在计算机13中出现清晰的泡沫图像，通过计算机记录泡沫体系的图像变化特征并进行储存。

本实施例通过显微镜和补光灯的相互配合，采用直角三棱镜的光学折射原理，克服了显微镜拍照景深问题，得到了清晰的气泡分布图像，采用计算机实时记录泡沫的尺寸分布特征，有利于后续对于气泡直径统计和分析，该方法适用于不同方法类型生成的泡沫，适用条件广泛。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于测量泡沫尺寸分布的装置，其特征是，包括：

发泡单元；

集泡单元，发泡单元生成泡沫向集泡单元提供；

光路转换单元，其设置于集泡单元侧部；

光学成像单元，其与光路转换单元相对设置，由光路转换单元将光线折射后在光学成像单元得到泡沫分布图像；

所述光路转换单元为三棱镜，三棱镜第一侧面固定于集泡单元侧部，三棱镜第二侧面与光学成像单元相对；

所述光学成像单元的光路与三棱镜第二侧面垂直设置；

所述三棱镜第三侧面与补光灯相对，补光灯的光路与三棱镜第三侧面垂直设置；

所述补光灯的光路和光学成像单元的光路位于同一水平面。

2.如权利要求1所述的用于测量泡沫尺寸分布的装置，其特征是，所述补光灯底部设置第一调节支撑架，光学成像单元底部设置第二调节支撑架。

3.如权利要求1所述的用于测量泡沫尺寸分布的装置，其特征是，所述光学成像单元为显微镜，光学成像单元与计算机连接。

4.如权利要求1所述的用于测量泡沫尺寸分布的装置，其特征是，所述发泡单元包括气体泵，气体泵通过导气管与气石盘连接，气石盘设置于集泡单元内；所述导气管设置气相阀门和气体流量计。

5.如权利要求1所述的用于测量泡沫尺寸分布的装置，其特征是，所述集泡单元包括箱体，箱体顶部设有开口以供泡沫液进入，箱体底部与发泡单元连接；所述箱体为透明材质制成。

6.如权利要求1-5任一项所述的用于测量泡沫尺寸分布的装置的测量方法，其特征是，包括以下步骤：

将泡沫液倒入集泡单元，启动发泡单元，在集泡单元内生成泡沫；

由光路转换单元将光线折射后在光学成像单元得到泡沫分布图像；

分析图像，获取泡沫体系的图像变化特征。

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