CN1597547A - 一种用于水处理的絮凝投药分形在线检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于水处理的絮凝投药分形在线检测装置及检测方法，它属于一种水处理投药检测技术。本发明灯箱(1)设置在透明的絮凝沉降槽(2)的一侧，CCD摄像机(3)设置在透明的絮凝沉降槽(2)的另一侧，CCD摄像机(3)与灯箱(1)隔透明的絮凝沉降槽(2)相对设置。CCD摄像机(3)将透明的絮凝沉降槽(2)中的被测工艺水样中絮体的光信号转化为模拟电信号，此电信号再经A/D采集卡转换为数字信号输入到计算机(5)的处理系统形成数字图像信息，然后应用视觉模式识别技术结合分形理论对图像中的相关信息进行分析。本发明的装置具有结构简单、使用方便的优点。本发明可解决现有水处理投药系统影响因子众多，不能迅速准确检测絮凝程度、滞后时间长、可使用的絮凝剂种类有限等问题。

Description

一种用于水处理的絮凝投药分形在线检测装置及检测方法

技术领域：

本发明属于一种水处理投药检测技术。

背景技术：

絮凝是水处理系统中最重要的工艺，也是最难管理的环节。絮凝投药在线检测技术决定了絮凝剂能否准确投加控制，进而影响水处理工艺的运行状态和效率，并直接影响饮用水的水质。絮凝过程表现出高维的复杂性、系统信息的模糊性、偶然性和不完全性，目前还缺乏强有力的手段进行在线检测分析并予以定量描述。在过去的研究中，大都是把絮凝体系当作一个“黑箱”，只管絮凝剂的投入和所产生絮凝效果的输出，即使考虑微观过程，也只是将所有的胶粒描述为球形，用已有的胶体化学理论及化学动力学理论去加以解释，这与实际所观察到的胶体和絮凝体的现象有较大的差别。尽管有的研究者在理论推导和形成最终的数学表达式时引入了颗粒系数加以修正，但理论与实际结果仍难以一致。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于水处理的絮凝投药分形在线检测装置及检测方法。本发明的装置具有结构简单、使用方便的特点；本发明的方法具有可有效解决现有水处理投药系统影响因子众多，不能迅速准确检测絮凝程度、滞后时间长、可使用的絮凝剂种类有限等问题的特点。本发明的装置由灯箱1、透明的絮凝沉降槽2、CCD摄像机3、A/D采集卡4、计算机5、打印机6、计算机显示器7组成，CCD摄像机3的输出端与A/D采集卡4的输入端相连接，A/D采集卡4的输出端与计算机5的输入端相连接，计算机5的打印数据输出端与打印机6的打印数据输入端相连接，计算机5的视频输出端与计算机显示器7的视频输入端相连接，灯箱1设置在透明的絮凝沉降槽2的一侧，CCD摄像机3设置在透明的絮凝沉降槽2的另一侧，CCD摄像机3与灯箱1隔透明的絮凝沉降槽2相对设置。本发明的方法是这样实现的：使用上述的装置，将加入絮凝剂并经过搅拌后的工艺水样流入透明的絮凝沉降槽2中，工艺水样在透明的絮凝沉降槽2中进行絮凝沉降，接通灯箱1的电源，灯箱1产生的光照射到透光性良好的透明的絮凝沉降槽2上，并从透明的絮凝沉降槽2穿过照到CCD摄像机3的镜头内，CCD摄像机3将透明的絮凝沉降槽2中的被测工艺水样中絮体的光信号转化为模拟电信号，此电信号再经A/D采集卡4转换为数字信号输入到计算机5的处理系统形成数字图像信息，然后应用视觉模式识别技术结合分形理论对图像中的相关信息进行分析，结果用打印机6打印出或用计算机显示器7显示。该方法能模拟人类视觉的分析过程，对整个测定面积内絮状物大小、絮体强度、分形维数等进行分析和描述。所用计算机5程序设计中，定义絮凝图像中一定灰度区域作为絮体，即确定图像中单个像素点所代表的实际面积S_i后，系统对絮体的面积进行计算：S＝nS_i。其中S为絮体投影面积，n为絮体图像中所含的像素点数，S_i为每个像素点所代表的实际面积。本发明根据絮体在一定范围内具有自相似性和标度不变性这两个重要特征，以分形理论为基础，通过在线检测投药后水中絮体的分形因子α值来反应投药效果。本发明的装置具有结构简单、使用方便的优点。本发明的方法不但归纳出投药絮凝过程所具有的普遍规律性，而且为了解絮凝过程中絮凝作用机理和絮凝体的成长形态特性提供了很好的研究手段。且可解决现有水处理投药系统影响因子众多，不能迅速准确检测絮凝程度、滞后时间长、可使用的絮凝剂种类有限等问题。

附图说明：

图1是本发明检测方法所用装置的结构示意图，图2是用发明方法检测的沉淀水浊度与分形因子α值的关系曲线图。

具体实施方式：

具体实施方式一：(参见图1、图2)本实施方式的装置由灯箱1、透明的絮凝沉降槽2、CCD摄像机3、A/D采集卡4、计算机5、打印机6、计算机显示器7组成，CCD摄像机3的输出端与A/D采集卡4的输入端相连接，A/D采集卡4的输出端与计算机5的输入端相连接，计算机5的打印数据输出端与打印机6的打印数据输入端相连接，计算机5的视频输出端与计算机显示器7的视频输入端相连接，灯箱1设置在透明的絮凝沉降槽2的一侧，CCD摄像机3设置在透明的絮凝沉降槽2的另一侧，CCD摄像机3与灯箱1隔透明的絮凝沉降槽2相对设置。本实施方式的方法是这样实现的：使用上述的装置，将加入絮凝剂并经过搅拌后的工艺水样流入透明的絮凝沉降槽2中，工艺水样在透明的絮凝沉降槽2中进行絮凝沉降，接通灯箱1的电源，灯箱1产生的光照射到透光性良好的透明的絮凝沉降槽2上，并从透明的絮凝沉降槽2穿过照到CCD摄像机3的镜头内，CCD摄像机3将透明的絮凝沉降槽2中的被测工艺水样中絮体的光信号转化为模拟电信号，此电信号再经A/D采集卡4转换为数字信号输入到计算机5的处理系统形成数字图像信息，然后应用视觉模式识别技术结合分形理论对图像中的相关信息进行分析，结果用打印机6打印出或用计算机显示器7显示。该方法能模拟人类视觉的分析过程，对整个测定面积内絮状物大小、絮体强度、分形维数等进行分析和描述。所用计算机5程序设计中，定义絮凝图像中一定灰度区域作为絮体，即确定图像中单个像素点所代表的实际面积S_i后，系统对絮体的面积进行计算：S＝nS_i。其中S为絮体投影面积，n为絮体图像中所含的像素点数，S_i为每个像素点所代表的实际面积。

用图像中絮体像素点的平均灰度来表示絮体强度，即 $\stackrel{\‾}{f}=\frac{1}{n}\underset{x=0}{\overset{\mathrm{\μ}-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=0}{\overset{\mathrm{\μ}-1}{\mathrm{\Σ}}}f(x,y).$ 式中：f—絮体平均灰度值；μ—絮凝图像灰度等级，分为256级；n—絮体图像区域中像素点个数；f(x，y)—像素点(x，y)处的灰度值。对平均灰度数值利用如下公式进行处理，使所得数据变化与絮体强度成相同变化趋势： $A=(1-\frac{\stackrel{\‾}{f}}{L})\×K.$ 式中：A为处理后所得的数据，代表絮体强度，A值越大，絮体强度越高； f同前，L为投影的最大长度；K为相应的放大倍数，对于特定的系统为确定值。

由CCD摄像机3得到的是在线检测投药后工艺水样中的絮体的二维图像，用网格法计算絮体的投影面积S和最大长度L，用絮体的投影面积与最大长度的函数关系即S＝kL^D来计算絮体的分形维数D；根据表示絮体大小的絮体投影面积S、与絮体形状有关的絮体周长l、与絮体松散程度有关的絮体强度A、絮体的长宽比m这四个与絮体形状有关的特征值得出特征粒径 $\mathrm{\Φ}=2\sqrt{\frac{s}{\mathrm{\π}}}[1-(1-2\sqrt{\frac{\mathrm{s\π}}{l}})]\×\[1-(1-\frac{1}{m})]\×\mathrm{\&Agr;}.$ 最终得出分形因子α＝-Dlgφ作为水处理絮凝投药效果的检测依据。

絮体的投影面积与最大长度的函数关系：S＝kL^D，式中，S同前；L为投影的最大长度；k为比例常数；D即为絮体在二维空间的分形维数。对该式求自然对数得lnA＝DlnL+lnk，根据lnA与lnL的直线关系，求出直线的斜率，就可求出分形维数D。国内常规水处理工艺在正常絮凝投药量的情况下生成絮体的分形维数多数为1.34～1.84。

根据检测的分形维数D值和絮凝体特征粒径就可计算出分形因子α值，即α＝-Dlgφ。水处理絮凝投药效果好坏在工艺上是由沉淀水的浊度大小来决定，分形维数D≤2时，絮体有许多内孔，由此产生的可渗透性可以降低沉淀阻力，提高絮体的沉降速度，分形因子α值越小，可渗透性越强，絮体沉淀速度提高，从而沉淀水浊度就随着α的减小而减小。附图2中实测曲线也说明了分形因子α值与沉淀水浊度基本成线性关系，因此本发明用分形因子α值作为水处理絮凝投药效果好坏的检测依据是可行的。

Claims (3)

1、一种用于水处理的絮凝投药分形在线检测装置，它由灯箱(1)、透明的絮凝沉降槽(2)、CCD摄像机(3)、A/D采集卡(4)、计算机(5)、打印机(6)、计算机显示器(7)组成，CCD摄像机(3)的输出端与A/D采集卡(4)的输入端相连接，A/D采集卡(4)的输出端与计算机(5)的输入端相连接，计算机(5)的打印数据输出端与打印机(6)的打印数据输入端相连接，计算机(5)的视频输出端与计算机显示器(7)的视频输入端相连接，其特征在于灯箱(1)设置在透明的絮凝沉降槽(2)的一侧，CCD摄像机(3)设置在透明的絮凝沉降槽(2)的另一侧，CCD摄像机(3)与灯箱(1)隔透明的絮凝沉降槽(2)相对设置。

2、使用权利要求1所述的水处理的絮凝投药分形在线检测装置的检测方法，其特征在于将加入絮凝剂并经过搅拌后的工艺水样流入透明的絮凝沉降槽(2)中，工艺水样在透明的絮凝沉降槽(2)中进行絮凝沉降，接通灯箱(1)的电源，灯箱(1)产生的光照射到透光性良好的透明的絮凝沉降槽(2)上，并从透明的絮凝沉降槽(2)穿过照到CCD摄像机(3)的镜头内，CCD摄像机(3)将透明的絮凝沉降槽(2)中的被测工艺水样中絮体的光信号转化为模拟电信号，此电信号再经A/D采集卡(4)转换为数字信号输入到计算机(5)的处理系统形成数字图像信息，然后应用视觉模式识别技术结合分形理论对图像中的相关信息进行分析，结果用打印机(6)打印出或用计算机显示器(7)显示。

3、根据权利要求2所述的使用水处理的絮凝投药分形在线检测装置的检测方法，其特征在于由CCD摄像机(3)得到的是在线检测投药后工艺水样中的絮体的二维图像，用网格法计算絮体的投影面积S和最大长度L，用絮体的投影面积与最大长度的函数关系即S＝kL^D来计算絮体的分形维数D；根据表示絮体大小的絮体投影面积S、与絮体形状有关的絮体周长l、与絮体松散程度有关的絮体强度A、絮体的长宽比m这四个与絮体形状有关的特征值得出特征粒径 $\mathrm{\Φ}=2\sqrt{\frac{s}{\mathrm{\π}}}[1-(1-2\sqrt{\frac{\mathrm{s\π}}{l}})]\×[1-(1-\frac{1}{m})]\×A,$ 最终得出分形因子α＝-Dlgφ作为水处理絮凝投约效果的检测依据。

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