CN1696654A - 一种颗粒粒径分布的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种颗粒粒径分布的测量方法，属于颗粒样品检测技术领域。为了解决现有常用的颗粒粒径分布测量方法不能全面和灵活地反映颗粒样品的粒径分布情况的问题，本发明提供了一种颗粒粒径分布的测量方法，步骤如下：将颗粒样品均匀分散到置于白色背光板上的玻璃样品槽中，样品颗粒个数为50～500，并将尺寸标定物放入所述玻璃样品槽中；用数码照相机拍摄出所述颗粒样品的图像，并将图像导入计算机，之后利用存储在计算机中的图像分析程序处理所述图像，得到各颗粒的粒径和圆形度；根据粒径划分，输出颗粒样品的粒径个数分布、体积分布或重量分布结果。本发明所述方法具有分析对象广泛，取样量少，快速准确，数据结果丰富，重现性好的特点。

Description

一种颗粒粒径分布的测量方法

技术领域

本发明涉及一种颗粒粒径分布的测量方法，尤其适用于粒径为0.1～5mm的球形或近球形颗粒，如厌氧颗粒污泥、颗粒活性炭或陶粒的颗粒粒径分布的测量与分析，属于颗粒样品检测技术领域。

背景技术

在化工、材料、环保等众多领域的试验研究和生产实际中，颗粒粒径分布的测量与分析具有重要意义。球形颗粒的粒径或近球形颗粒的等效粒径(颗粒投影面积的等效圆直径)是反映颗粒性状的重要参数。测量颗粒粒径分布的方法主要有沉降法、筛分法、显微镜法和激光散射法等，其中显微镜法和激光散射法适合于测量粒径小于1.0mm的细微颗粒，且设备价格昂贵，国内使用不多。沉降法是通过测定颗粒样品在某种液体(通常是清水)中的平均沉降速度，根据斯托克斯公式计算出颗粒粒径的方法。沉降法具有设备简单、操作方便的特点，但该方法要求颗粒的外形为规则球形，且质地均匀，不易吸水变形或变性。筛分法是目前普遍使用的测量颗粒粒径分布的方法，采用不锈钢标准筛进行筛分操作，收集各粒径区间内的颗粒，再进行称重或计数，即可获得颗粒样品的粒径分布结果；但是筛分法所使用的不锈钢标准筛的网眼规格固定，不能全面和灵活的反映颗粒样品的粒径分布情况。

发明内容

为了解决现有常用的颗粒粒径分布测量方法不能全面和灵活地反映颗粒样品的粒径分布情况的问题，本发明提供了一种基于数码拍照与计算机图像处理相结合的颗粒粒径分布测量方法，可获得颗粒样品的圆形度、颗粒个数和粒径个数分布结果；对于球形或近球形颗粒样品，可以获得其粒径的体积分布结果；对于质地均匀的球形或近球形颗粒样品，其粒径的体积分布结果即为重量分布结果。

本发明提供的技术方案为：一种颗粒粒径分布的测量方法，步骤如下：

1)将粒径范围为0.1～5.0mm的球形或近球形颗粒样品均匀分散到置于白色背光板上的玻璃样品槽中，样品颗粒个数为50～500，并将尺寸标定物放入所述玻璃样品槽中；

2)用数码照相机拍摄出所述颗粒样品的图像，并将图像导入计算机，之后利用存储在计算机中的图像分析程序处理所述图像，图像分析程序的处理步骤为：

2.1)将图像色彩由彩色转换为黑白；

2.2)通过尺寸标定物，确定实物长度与像素长度的比例关系；

2.3)根据颗粒样品粒径分布的下限，将图像中大于或等于所述下限的颗粒自动编号，并计算出各颗粒的粒径和圆形度；

2.4)根据粒径划分，输出颗粒样品的粒径个数分布、体积分布或重量分布结果。

本发明所述方法具有分析对象广泛，取样量少，快速准确，数据结果丰富，重现性好的特点。采用白色背光板，可以避免因闪光而造成图像中颗粒表面出现高光，影响图像分析结果。另外，本发明所述方法所利用的微型计算机和数码照相机均为常用设备，具有通用性，从而明显降低了设备成本。

附图说明

图1是利用本发明方法进行测量的一套测量装置的示意图。

图2是厌氧颗粒污泥粒径个数分布图。

图3是厌氧颗粒污泥粒径个数与体积(重量)分布图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明。图1显示了一套可实现本发明所述测量方法的测量装置。如图1所示，该装置包括图像拍摄单元和图像分析单元，其中图像拍摄单元包括尺寸标定物1，玻璃培养皿2，白色背光板3，操作台4，升降操作杆5，升降滑块6和数码照相机7；图像分析单元包括数据传输线8，存储图像分析程序的微型计算机9。

做为样品槽的玻璃培养皿2内盛有分散的待测颗粒样品以及尺寸标定物1，玻璃培养皿2放置在白色背光板3上，白色背光板3放置在带升降操作杆5的操作台4上，数码照相机7固定于升降滑块6上，数码照相机7的镜头朝下正对玻璃培养皿2。用数据传输线8连接数码照相机7和微型计算机9的数据传输接口，利用微型计算机9中存储的图像分析程序，即可对拍摄的图像进行分析。

下面结合附图详细说明本发明的三个典型实施例及其工作过程。

本发明所述的第一个实施例是测量厌氧颗粒污泥的粒径分布情况，具体操作过程如下：

1、将厌氧颗粒污泥样品盛入玻璃小烧杯中，用适量清水漂洗，待颗粒污泥静沉约1分钟后，倒去泥层上面的浊液，除尽悬浮于浊液中的絮状污泥，排除絮状污泥对测量结果的干扰。

2、将白色背光板3平放在操作台4上，开启电源，发出均匀柔量的白色背光。

3、将玻璃培养皿2平放在白色背光板3的发光区域，调整并正对于数码照相机7的镜头下方。

4、用不锈钢小药勺取1～2ml经步骤1漂洗后的颗粒污泥，约200个颗粒，倒入于直径约10～20cm的玻璃培养皿2中，补加少许清水，并用小药勺将颗粒污泥均匀分散在玻璃培养皿2中。

5、选用长约5～10mm的细直钢丝作为尺寸标定物1，用千分尺测量尺寸标定物1的准确长度后，放入玻璃培养皿2中。

6、通过旋动升降滑块6，使数码照相机7沿升降操作杆5上下移动，将尺寸标定物1和颗粒样品纳入拍摄视野中，待自动对焦完毕后，即可按下快门拍照。

7、在微型计算机9中，启动图像分析程序，打开待分析的图像文件，执行颜色预处理和尺寸标定的操作后，即可进行图像分析计算，输出并保存计算结果。图像分析程序的工作流程如下：

1)利用灰度变换公式，将彩色图像转换为256级的灰度图像。

2)生成图像的灰度直方图，采用低通波算法进行数次平滑滤波处理，并取灰度直方图的双峰间谷底的灰度值为灰度阈值。

3)根据灰度阈值对图像进行二值化，将目标图像置为黑色，背景置为白色，扣除背景干扰。

4)用鼠标点击标定物两端，获取其像素长度，建立实物长度与像素长度的比例关系。

5)设定待测颗粒粒径分布的下限为0.5mm，图像程序对大于或等于该下限的颗粒进行自动编号，并计算各颗粒的圆形度和颗粒粒径。

6)根据设定的颗粒粒径划分，自动计算出颗粒样品的粒径分布结果，输出粒径分布图，并生成结果文件以供保存。

一般认为颗粒污泥的粒径应该不小于0.5mm，且通常的粒径范围为1～5mm。所以设定颗粒污泥粒径分布的下限为0.5mm。对两种实验室内培养的厌氧颗粒污泥进行平行测试，其粒径分布的测量结果如表1、图2所示。

表1两种厌氧颗粒污泥样品粒径的个数分布

颗粒样品	平行测试编号	颗粒个数	最大粒径	最小粒径	颗粒粒径个数分布百分比
									＞2.0mm	2.0-1.5mm	1.5-1.0mm	1.0-0.5mm
					厌氧颗粒污泥样品1	1A	94个	3.00mm					0.50mm	23％	30％	23％	23％
1B	97个	2.88mm	0.50mm	24％					33％	23％	21％
						厌氧颗粒污泥样品2	2A	173个				2.87mm	0.50mm	14％	23％	28％	36％
2B	177个	2.89mm	0.50mm	12％	24％				32％	32％

从表1的测量结果可知，利用本发明实施例所述的方法和装置测量厌氧颗粒污泥的粒径分布，平均误差度小于2％。对颗粒污泥样品1A中一个典型颗粒进行单目标详细分析，计算出该颗粒的实际投影面积为4.3447mm²，颗粒粒径为1.1760mm，圆型度为0.8616，偏心率为0.0177。

厌氧颗粒污泥多数呈球形或近球形，平均密度约为1025～1080kg/m³。密度与粒径之间没有确定的关系，在分析颗粒污泥粒径的重量分布时，可以认为不同粒径区间的颗粒的密度是相同的。因为图像程序对颗粒样品中的每个颗粒进行了编号并计算了颗粒粒径，因此可以将颗粒样品近似为圆球，计算各颗粒的等效圆球体积，即可获得厌氧颗粒污泥样品粒径的体积分布，也即粒径的重量分布。某种实验室内培养的厌氧颗粒污泥粒径的个数分布与体积(重量)分布结果如表2、图3所示。

          表2某种厌氧颗粒污泥的粒径个数分布与体积(重量)分布

颗粒样品	颗粒个数	最大粒径	最小粒径	颗粒粒径分布百分比
								＞2.0mm	2.0-1.5mm	1.5-1.0mm	1.0-0.5mm
				厌氧颗粒污泥样品	173个	2.87mm	0.50mm					个数分布
14％	23％	28％	36％
								体积(重量)分布
26％	33％	26％	15％

本发明所述的第二个实施例是测量两种陶粒的粒径分布情况。这两种陶粒均为质地均匀的球形，粒径范围在0.1～5.0mm之间，分别计算其粒径的个数分布和重量分布，具体操作过程如下：

1、将白色背光板3平放在操作台4上，开启电源，发出均匀柔量的白色背光。

2、将玻璃培养皿2平放在白色背光板3的发光区域，调整并正对于数码照相机7的镜头下方。

3、用不锈钢小药勺取1～2ml陶粒样品倒入于直径约10～20cm的玻璃培养皿2中，并用小药勺将陶粒均匀分散在玻璃培养皿2中。

4、选用长约5～10mm的细直钢丝作为尺寸标定物1，用千分尺测量尺寸标定物1的准确长度后，放入玻璃培养皿2中。

5、通过旋动升降滑块6，使数码照相机7沿升降操作杆5上下移动，将尺寸标定物1和颗粒样品纳入拍摄视野中，待自动对焦完毕后，即可按下快门拍照。

6、在微型计算机9中，启动图像分析程序，打开待分析的图像文件，执行颜色预处理和尺寸标定的操作后，即可进行图像分析计算，输出并保存计算结果。图像分析程序的工作流程如下：

1)利用灰度变换公式，将彩色图像转换为256级的灰度图像。

2)生成图像的灰度直方图，采用低通波算法进行数次平滑滤波处理，并取灰度直方图的双峰间谷底的灰度值为灰度阈值。

3)根据灰度阈值对图像进行二值化，将目标图像置为黑色，背景置为白色，扣除背景干扰。

4)用鼠标点击标定物两端，获取标定物的像素长度，建立实物长度与像素长度的比例关系。

5)设定粒径分布的下限为0.5mm，图像程序对大于或等于0.5mm的颗粒进行自动编号，并计算各颗粒的圆形度和颗粒粒径。

6)根据设定的颗粒粒径划分，自动计算出颗粒样品的粒径分布结果，输出粒径分布图，并生成结果文件以供保存。

对第一种陶粒粒径分布的测量结果如表3所示。

           表3陶粒样品1的粒径个数分布与重量分布

颗粒样品	颗粒个数	最大粒径	最小粒径	颗粒粒径分布百分比
										＞1.6mm	1.6-1.4mm	1.4-1.2mm	1.2-1.0mm	1.0-0.8mm	0.8-0.5mm
				陶粒样品1	128个	1.84mm	0.50mm	个数分布
10.9％	20.3％	23.4％	25.8％											14.1％	5.5％
								重量分布
17.1％	25.8％	24.6％	21.5％											8.9％	2.1％

对第二种陶粒粒径分布的测量结果如表4所示。

表4陶粒样品2的粒径个数分布与重量分布

颗粒样品	颗粒个数	最大粒径	最小粒径	颗粒粒径分布百分比
										＞0.9mm	0.9-0.7mm	0.7-0.6mm	0.6-0.5mm	0.5-0.4mm	0.4-0.3mm
				陶粒样品2	309个	1.15mm	0.30mm	个数分布
5.5％	8.1％	9.1％	11.3％											23.3％	42.7％
								重量分布
15.3％	15.7％	13.0％	12.7％											19.2％	24.0％

本发明所述的第三个实施例是测量某种颗粒活性炭的粒径分布情况，粒径范围在0.2～3.0mm之间。由于该种活性炭颗粒的圆形度较小，只适合利用本发明所述的方法计算其粒径的个数分布，具体操作过程如下：

1、将白色背光板3平放在操作台4上，开启电源，发出均匀柔量的白色背光。

2、将玻璃培养皿2平放在白色背光板3的发光区域，调整并正对于数码照相机7的镜头下方。

3、用不锈钢小药勺取1～2ml颗粒活性炭样品倒入于直径约10～20cm的玻璃培养皿2中，并用小药勺将颗粒样品均匀分散在玻璃培养皿2中。

4、选用长约5～10mm的细直钢丝作为尺寸标定物1，用千分尺测量尺寸标定物1的准确长度后，放入玻璃培养皿2中。

5、通过旋动升降滑块6，使数码照相机7沿升降操作杆5上下移动，将尺寸标定物1和颗粒样品纳入拍摄视野中，待自动对焦完毕后，即可按下快门拍照。

6、在微型计算机9中，启动图像分析程序，打开待分析的图像文件，执行颜色预处理和尺寸标定的操作后，即可进行图像分析计算，输出并保存计算结果。图像分析程序的工作流程如下：

1)利用灰度变换公式，将彩色图像转换为256级的灰度图像。

2)生成图像的灰度直方图，采用低通波算法进行数次平滑滤波处理，并取灰度直方图的双峰间谷底的灰度值为灰度阈值。

3)根据灰度阈值对图像进行二值化，将目标图像置为黑色，背景置为白色，扣除背景干扰。

4)用鼠标点击标定物两端，获取标定物的像素长度，建立实物长度与像素长度的比例关系。

5)设定粒径分布的下限为0.6mm，图像程序对大于或等于0.6mm的颗粒进行自动编号，并计算各颗粒的圆形度和颗粒粒径。

6)根据设定的颗粒粒径划分，自动计算出颗粒样品的粒径分布结果，输出粒径分布图，并生成结果文件以供保存。

对该种颗粒活性炭粒径分布的测量结果如表5所示。

           表5某种颗粒活性炭的粒径个数分布与重量分布

颗粒样品	颗粒个数	最大粒径	最小粒径	颗粒粒径个数分布百分比
											＞1.4mm	1.4-1.3mm	1.3-1.2mm	1.2-1.1mm	1.1-1.0mm	1.0-0.9mm	0.9-0.6mm
				颗粒活性炭	151个	1.60mm	0.63mm	8.6％	13.2％	21.9％								22.5％	18.5％	9.3％	6.0％

对本发明来说，上述实施例仅是说明的，而非限定性的。具体实现本发明所述方法的装置可以做适当的调整，如所述的尺寸标定物还可以采用矩形不锈钢薄片，微型计算机还可以用PDA等具有类似功能的装置替代。

Claims (1)

1.一种颗粒粒径分布的测量方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

1)将粒径范围为0.1～5.0mm的球形或近球形颗粒样品均匀分散到置于白色背光板上的玻璃样品槽中，样品颗粒个数为50～500，并将尺寸标定物放入所述玻璃样品槽中；

2)用数码照相机拍摄出所述颗粒样品的图像，并将图像导入计算机，之后利用存储在计算机中的图像分析程序处理所述图像，图像分析程序的处理步骤为：

2.1)将图像色彩由彩色转换为黑白；

2.2)通过尺寸标定物，确定实物长度与像素长度的比例关系；

2.3)根据颗粒样品粒径分布的下限，将图像中大于或等于所述下限的颗粒自动编号，并计算出各颗粒的粒径和圆形度；

2.4)根据粒径划分，输出颗粒样品的粒径个数分布、体积分布或重量分布结果。

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