KR101327769B1 - 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치, 방법 및 측정 장치 - Google Patents
이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치, 방법 및 측정 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치, 방법 및 측정 장치에 의해 가중 응집 반응에 의해 성장된 매크로 플럭(Floc)의 크기, 지름 및 수중 유효 밀도를 동시에 분석할 수 있는 장치, 방법 및 측정장치에 관한 것이다.
본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치, 방법 및 측정 장치에 의하면 플럭의 크기 뿐만 아니라 유효밀도까지 정확하게 측정함으로써 수처리 효율을 현저하게 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치, 방법 및 측정 장치에 의하면 플럭의 크기 뿐만 아니라 유효밀도까지 정확하게 측정함으로써 수처리 효율을 현저하게 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본원 발명은 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치, 방법 및 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플럭의 동영상 이미지를 계측하여 플럭의 크기, 지름 및 수중 유효 밀도를 분석하는 장치,방법 및 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 수처리 시설 등에서는 원수를 취수한 후, 응집, 침강, 여과하는 공정을 거치게 된다.
이 가운데 응집 공정은 물속에 응집제를 투입하여 물속의 콜로이드 상태의 현탁물질이나 유기물, 미생물 등의 미립자까지도 덩어리 상태 즉, 플럭 상태로 응집하는 공정이다.
처리하고자 하는 원수의 특성에 따라 응집제의 종류, 투입농도 및 교반강도등이 정해지는데, 정수처리에서는 주로 알루미늄계통의 응집제가 사용되고 있고, 하수처리 및 폐수처리에서는 주로 철 계통의 응집제가 사용되고 있다.
응집제를 투입하여 플럭을 생성하는 원리는 물속에 부유하는 입자의 표면은 대부분 음(-)전하를 띄고 있는바, 여기에 양(+)전하를 띄는 금속을 첨가하면 표면 입자의 중성화가 일어나게 되며 입자의 표면 퍼텐셜이 0에 도달하게 되면 입자간에 서로 반발하는 힘이 떨어지고 인력이 발생하여 입자가 큰 플럭으로 성장하기 시작한다.
수처리 과정에서 가장 중요한 것은 가장 우수한 플럭현상을 유도하는 것인데. 플럭성장이 제대로 이루어지지 않으면 응집 공정 후 침강불량으로 연계되어 수처리효율이 크게 저하될 수 밖에 없다.
도 1 은 수처리 과정에서 플럭 성장과정의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
초기에는 분산되어 있는 안정된 상태의 입자들이 불안정한 상태가 되면서 서로 응집하게 된다.
즉, 표면에 음전하는 띄고 있는 입자를 중화시키기 위해 양전하를 띄는 응집제를 투입하면, 표면 퍼텐셜이 0에 가깝게 되며, 입자의 전기 이중층 두께가 감속되어 입자끼리 상호인력이 작용하게 되고 입자끼리 뭉치는 현상 즉, 플럭이 성장하게 되는 현상이 나타나게 된다.
이렇게 성장된 플럭은 주로 마이크로 플럭(Micro Floc)으로 구별된다.
이에 반하여, 응집제에 마이크로 샌드를 동시에 사용하는 경우에는 플럭이 가중 응집반응이 형성되고, 가중 응집 반응에 의해 형성된 매크로 플럭(Macro Floc)는 마이크로 플럭과는 성향이 다르다.
한편 수처리 효율을 증대시키기 위해서는 응집공정 중에서 투입되는 응집제의 종류, 응집제의 투입량 및 교반강도 등이 결정적인 요인으로 작용하며 투입되는 응집제의 효율 및 교반 강도등을 알기 위해서는 플럭의 특성을 분석하는 과정이 절대적으로 필요하다.
따라서, 종래 플럭의 크기만을 측정하는 마이크로 플럭(Macro Floc)에 적용될 수 있었던 분석장치 또는 방법은 적용의 한계가 있다.
가중 응집 반응에 의해 성장된 매크로 플럭(Floc)은 형성되는 플럭의 수중유효밀도가 증가되기 때문에 플럭의 크기 뿐만 아니라 수중 유효밀도의 측정이 동시에 요구되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는, 상기의 가중 응집 반응에 의해 성장된 매크로 플럭(Floc)의 크기, 지름 및 수중 유효 밀도를 동시에 분석할 수 있는 장치, 방법 및 측정장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치는,정지된 유체를 포함하여 상부에서 하부로 흐르는 플럭의 자유 침강을 유도하는 플럭 낙하부; 상기 플럭 낙하부의 기준지점에 도달한 상기 플럭의 동영상 이미지를 촬영하는 촬영부; 및 상기 동영상 이미지를 분석하여 상기 플럭의 물리적 특성을 분석하는 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치는,소정의 입자를 응집제와 교반시켜 플럭을 형성하는 플럭 형성부; 상기 플럭 형성부의 하단에 수직으로 위치하고, 정지된 유체를 포함하여 상부에서 하부로 흐르는 상기 플럭의 자유 침강을 유도하는 플럭 낙하부; 및 상기 플럭 낙하부로부터 일측방으로 기준거리만큼 이격되어 기준 낙하지점에 도달한 상기 플럭의 동영상 이미지를 촬영하는 촬영부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 방법은 정지된 유체를 포함하여 상부에서 하부로 흐르는 플럭의 자유 침강을 유도하는 플럭 낙하단계; 기준지점에 도달한 상기 플럭의 동영상 이미지를 촬영하는 촬영단계; 상기 동영상 이미지를 분석하여 상기 플럭의 물리적 특성을 분석하는 분석분단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치, 방법 및 측정 장치에 의하면 가중 응집 반응에 의해 성장된 매크로 플럭(Floc)의 크기, 지름 뿐만 아니라 수중 유효 밀도를 동시에 획득할 수 있는 효과가 있다.
본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치, 방법 및 측정 장치에 의하면 플럭의 크기 뿐만 아니라 유효밀도까지 정확하게 측정함으로써 수처리 효율을 현저하게 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치, 방법 및 측정 장치는 이미지 분석법을 활용하여 동일한 시료에 대하여 사이즈, 입도 , 침강속도, 유효밀도등을 측정할수 있고, 거시적 측정 방법들에 비하여 세부적인 플럭의 특성을 측정할 수 있고, 현장 적용이 용이하여 현장 부유/침강 물질의 특성 측정에 용이한 장점이 있다.
도 1 은 수처리 과정에서 플럭 성장과정의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 2 는 본원 발명의 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치를 보여주는 도면이다.
도 3 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치의 플럭 형성부의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치의 플럭 낙하부의 구성을 보여주는 도면이다.
도 5 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치의 촬영부의 구성을 보여주는 도면이다.
도 6 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 최적의 촬영거리를 도출하기 위한 개념을 보여주는 도면이다.
도 7 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 동영상 촬영의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 8 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 이미지의 조정 실시예를 보여주는 도면이다.
도 9 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 플럭의 크기 및 지름을 분석하는 실시예를 보여주는 도면이다.
도 10 은 플럭의 침강에 관계되는 항력계수와 레이놀즈 수(Reynolds number) 관계를 보여주는 도면이다.
도 11 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 가중응집반응에서의 항력계수와 레이놀즈 수(Reynolds number) 관계를 보여주는 도면이다.
도 12 는 본원발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 방법의 흐름도를 보여주는 도면이다.
도 2 는 본원 발명의 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치를 보여주는 도면이다.
도 3 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치의 플럭 형성부의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치의 플럭 낙하부의 구성을 보여주는 도면이다.
도 5 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치의 촬영부의 구성을 보여주는 도면이다.
도 6 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 최적의 촬영거리를 도출하기 위한 개념을 보여주는 도면이다.
도 7 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 동영상 촬영의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
도 8 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 이미지의 조정 실시예를 보여주는 도면이다.
도 9 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 플럭의 크기 및 지름을 분석하는 실시예를 보여주는 도면이다.
도 10 은 플럭의 침강에 관계되는 항력계수와 레이놀즈 수(Reynolds number) 관계를 보여주는 도면이다.
도 11 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 가중응집반응에서의 항력계수와 레이놀즈 수(Reynolds number) 관계를 보여주는 도면이다.
도 12 는 본원발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 방법의 흐름도를 보여주는 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2 는 본원 발명의 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치를 보여주는 도면이다.
본원 발명의 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정장치는 플럭 형성부(110), 플럭 낙하부(120) 및 촬영부(130)를 포함하여 이루어진다.
플럭 특성 분석 장치는 형성된 플럭의 특성을 분석하기 위한 부분으로 촬영된 동영상 이미지를 분석하여 플럭의 물리적 특성을 분석하는 분석부(미도시)를 더 포함하여 이루어진다.
플럭 형성부(110)는 원수(하수, 노면수 등등)에 포함된 소정의 입자를 응집제와 교반시켜 플럭을 생성한다.
플럭 낙하부(120)는 플럭 형성부(110)의 하단에 수직으로 위치하고, 정지된 유체를 포함하여 상부에서 하부로 흐르는 플럭의 자유 침강을 유도한다.
촬영부(130)는 플럭 낙하부(120)로부터 일측방으로 기준거리만큼 이격되어 기준 낙하지점에 도달한 플럭의 동영상 이미지를 촬영한다.
촬영된 동영상은 8bit 모노톤으로 60fps의 640x480 크기의 .lvi 형식 동영상 파일로 저장된다.
본원 발명의 플럭 특성 측정, 분석 장치에서는 플럭의 크기, 지름 또는 수중 유효 밀도등의 물리적 특성을 동시에 얻을 수 있다.
본원 발명에서의 플럭은 가중응집반응을 통해 형성된 플럭으로 종래 플럭의 크기만을 측정하는 마이크로 플럭(Macro Floc)에 적용될 수 있었던 분석장치 또는 방법은 적용할 수 없는 문제점이 있다.
가중 응집 반응에 의해 성장된 매크로 플럭(Floc)은 형성되는 플럭의 수중유효밀도가 증가되기 때문에 플럭의 크기 뿐만 아니라 수중 유효밀도의 측정이 동시에 요구된다.
본원 발명의 목적은 플럭의 크기 뿐만 아니라 수중 유효밀도를 동시에 구할 수 있도록 함이다.
분석장치에서의 분석부는 동영상 이미지를 일정 시점의 프레임 단위로 편집하고 플럭의 각 프레임 이미지를 기초로 플럭의 물리적 특성을 분석한다.
플럭 특성의 신뢰성 확보를 위하여 이미지 분리 또는 조정단계를 거칠 수 있으며 이에 대하여는 도8에서 상세하게 설명하기로 한다.
플럭 형성부(110)에서 입자와 응집반응을 위해 투여되는 응집제(coagulant)는 제 2 염화철, 황산 알루미늄 등과 같은 금속염이여, 고분자 음이온 응집제(Anion Polymer)와 마이크로 샌드(Microsand)를 응집 보조제로 투여된다.
도 3 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치의 플럭 형성부의 구성을 보여주는 도면이다.
플럭 형성부는 디지털 모터(111), 임펠러(112), 교반용기(113)를 포함한다.
임펠러(112)는 원수에 포함된 입자와 응집제를 교반시켜 플럭을 생성한다.
임펠러(112)를 동작시키는 모터는 50~1000rpm 범위에서 1rpm 단위로 설정하여 일정한 교반 강도를 유지할 수 있는 디지털 제어방식 모터이다.
임펠러는 Flat Paddles(2blades, single paddle)형태로 W80mm x H20mm의 크기로 임펠러를 이용하여 시료를 교반한다.
입자와 응집제를 교반하거나 플럭을 생성하여 담는 교반용기(113)는 침강 낙하부(120)와 연결된다.
교반 용기(113)는 플럭 낙하부(120)의 중앙으로 플럭이 자유 침강하도록 하는 용기의 바닥에는 일정한 크기 지름을 가지는 원형 구멍(114)이 포함된다.
가중 응집 반응에 의해 생성된 플럭을 용기나 도구를 이용하여 채취시, 용기 안에서의 높은 플럭 농도와 가중 응집 반응을 위하여 투입된 고분자 음이온 응집제(Anion Polymer)에 의한 응집 강화효과에 의해, 용기 내부에서 재응집이 빠르게 진행된다.
따라서 추가적인 용기나 도구를 이용하여 플럭을 측정시 순수하게 응집제에의해 생성된 플럭의 물리적 특성이 아니라 용기나 도구에 의해 추가응결이 진행된 플럭을 측정하게 되고, 따라서 실제보다 측정된 플럭의 크기나 밀도가 증가하는 문제점이 발생한다.
본원 발명의 플럭 특성 측정, 분석 장치는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 생성된 플럭의 자유 침강을 유도할 수 있도록 교반 용기(113)에 원형 구멍(114)을 포함하여 바로 플럭 낙하부(120)로 연결될 수 있도록 한 것이다.
도 4 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치의 플럭 낙하부의 구성을 보여주는 도면이다.
본원 발명에서의 플럭 특성 측정, 분석 장치는 플럭의 정지 유체내에서 자유침강을 유도하여 물리적 특성을 측정, 분석한다.
플럭 낙하부(120)는 생성된 플럭를 정지된 유체에서 자유 침강하도록 하는 기능을 수행한다.
플럭 낙하부(120)는 촬영부에서의 카메라의 심도에 의한 피사체의 아웃포커싱 현상을 최소화하고 촬영 유효영역을 극대화하기 위하여 직사각형 형태의 투명관으로 형성된다.
플럭 낙하부(120)의 단면은 20x50mm로 제작하여 심도에 의한 오차 및 원근 오차를 저감시킬수 있도록 한다.
또한 낙하부(120)의 길이를 150cm로 제작하여 종단속도의 침강이 충분히 이루어 질 수 있도록 한다.
플락 낙하부(120)는 길게 제작하여 침강 거리의 증가로 평균 침강 속도가 종단속도에 근접할 수 있도록 하여 침강속도의 차이로 인한 입자의 분산 유도하기 위함이다.
플럭 낙하부(120)에서 측정하기 위한 플럭의 양과 동영상 촬영의 시점을 조절하며, 플럭이 플럭 낙하부(120)의 중앙으로 침강할 수 있도록 안내하는 슬라이드부(115)를 포함한다.
슬라이드부(115)는 교반 용기(113)의 원형 구멍의 개폐를 제어한다.
플럭 낙하부(120)는 자유 침감하는 플럭의 양을 조절하기 위한 조절부(121)를 포함한다.
조절부(121)는 플럭 낙하부의 하단 외측면에 연결되어 있는 원형관으로 자유 침강하는 플럭의 양을 조절할 수 있다.
조절부(121)는 제어밸브(122)를 포함하여 슬라이드부(115)의 조작시 즉, 플럭의 자유 침강시 제어밸브를 함께 조절하여 침강되는 시료의 양(ml)을 조절하며 짧은 시간에 플럭이 플럭 낙하부로 유입될 수 있도록 한다.
도 5 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치의 촬영부의 구성을 보여주는 도면이다.
본원 발명에 따른 플럭 특성 측정, 분석 장치는 정지된 유체에서 자유 침강하는 플럭의 동영상을 촬영하고 촬영된 특정 프레임의 이미지에서 플럭의 사이즈, 지름등의 물리적 특성을 파악하는 것이 특징이다.
본원 발명에 따른 플럭 특성 측정, 분석 장치의 촬영부(130)는 플럭 낙하부(120)에서 침강하고 있는 플럭을 CCD 카메라(131)가 촬영하여 동영상 이미지를 생산하는 부분이다.
CCD 카메라(131)는 고속으로 떨어지는 플럭의 잔상이나 상번짐 없이 촬영하기 위하여 60fps의 촬영속도를 가진다. 해상도는 640x480이며, 색의 간섭에 의한 오차를 최소하하기 위하여 모노톤의 카메라를 선정한다.
CCD 카메라(131)를 60fps, 흑백 카메라로 선정한 것은 잔상에 의한 오차 제거 및 출력방식에 의한 오차를 감소시키기 위함이다.
촬영부(130)는 촬영시 밝기에 따라 상의 밝기가 달라지기 때문에 일정한 밝기를 유지하기 위해 암실(darkroom)상태를 조성하고 조명을 설치한다.
CCD 카메라(131)의 촬영부(130)는 암실(darkroom) 상태를 유지하는 암실부내에 위치하며, 암실부는 플럭의 이미지 밝기를 조절하기 위한 조명부(132) 및 조명부로부터 출력된 빛이 한곳에 집중되지 않도록 하기 위하여 거울(133)을 포함한다.
조명부는 CCD 카메라(131)에 직접 빛이 반사되는 것을 고려하여 측면에 설치하고, 거울을 이용하여 촬영지점의 한곳에 조명이 집중되지 않도록 한다.
반사 거울은(133) 그림자 및 반사광에 의한 오차를 제거하기 위한 것이다.
암실부는 CCD 카메라(131)의 촬영부(130)를 포함하여 자유침강하는 플럭 낙하부(120)의 일정부분을 포함한다.
즉, 플럭 낙하부(134)의 하단으로부터 일정 높이까지는 암실(darkroom)상태가 유지되는 것이다.
일정 높이라 함은 플럭을 촬영하는 지점 즉 기준 낙하지점으로부터 상측으로 일정거리 이격된 지점이다.
암실부내의 촬영부 즉, CCD 카메라의 위치는 플럭 낙하부(134)로부터 일정 기준거리를 두고 이격된다.
이는 카메라의 촬영거리에 의한 크기오차를 최소화하기 위한 것으로 본원 발명에서는 450mm를 기준거리로 하였다.
도 6 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 최적의 촬영거리를 도출하기 위한 개념을 보여주는 도면이다.
도 6의 (b-1)(B-2)는 카메라의 촬영 거리에 따른 피사체의 크기 변화를 보여주는 일 실시예이다.
도6의 (b-1)는 피사체로부터 450mm 이격되어 촬영거리를 설정한 것으로 앞단의 원과 뒷단의 원이 거의 동일한 사이즈로 촬영되었으나, (b-2)는 피사체로부터 100mm 이격되어 촬영거리를 설정한 것으로 앞단의 원과 뒷단의 원이 (b-1)와 달리 사이즈 차가 큰 것을 볼 수 있다.
본원 발명에서는 최적의 촬영거리 도출을 위하여 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 카메라,촬영부의 촬영 시야각의 상단과 하단에 의해 결정되는 플럭 낙하부(120)의 전체 면적(137-1 및 137-2)에 대하여 촬영면적(137-1)이 기준값(97%)이상이 유지되도록 유지한다.
또는 카메라로부터 직사각형인 플럭 낙하부(120)의 내측면까지의 거리(135)가 카메라로부터 플럭 낙하부(120)의 외측면까지의 거리(136)의 기준값(95%)이상이 유지되도록 플럭 낙하부(120)의 폭을 결정한다.
도 7 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 동영상 촬영의 일 실시예를 보여주는 도면이다.
본원 발명에서의 촬영부에 의해 촬영된 동영상 이미지는 Power Director 프로그램을 이용하여 Frame 단위로 편집한다.
즉, 동영상을 읽어서 특정 시간, 원하는 시점의 화면을 jpg형식의 이미지 파일로 편집하는 것이다.
동영상 이미지의 특정 시간에 이미지를 시각적으로 편집하는 것이다.
일반적으로 침강하는 단일입자의 이미지 분석시에는 입자 추적을 통한 침강시간 및 속도 측정을 하는 것이 맞지만, 불규칙한 다수의 입자, 플럭을 대상으로 한 본원 발명에서는 동영상 이미지 분할 시점의 기준을 선정하여 특정 시간의 이미지로부터 구한다.
플럭이 초기 가속구간의 영향을 무시할 충분한 거리를 종단 속도로 침강하였다는 전제하에 평균 침강속도를 이용하여 플럭이 중복 촬영되지 않도록 시점을 선정하고 이미지 분할 시점을 정한다.
도 8 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 이미지의 조정 실시예를 보여주는 도면이다.
동영상 이미지를 각 프레임 단위의 jpg 형식의 이미지 파일로 편집한 이후에 분석부에서 플럭의 물리적 특성을 자동으로 분석하기 위하여 이미지 조정 단계를 거친다.
이미지의 조정은 jpg이미지 파일을 분석부에서 읽을 수 있도록 하는 작업으로 ImageJ 프로그램으로 분석부인 Matlab에서 이미지 단위로 읽을 수 있도록 조정하는 과정이다.
jpg 이미지 파일은 Brightness 와 Contrast 조정, Threshold 조정 단계를 거쳐 tif(Tagged Image File)형식으로 변환된다.
이미지의 조정시 사용된 주요 과정(도 8 (a))은
Line : 그림자 등에 의해 피사체의 형상이 끊긴 부분을 연결해 주는 과정
Cut : 피사체가 중복되거나 연결돼 있는 경우 분리해 주는 과정
Delete : 불필요한 피사체를 지우는 과정
Fill holes : 도넛 형태로 나타난 피사체의 내부를 채우는 과정
Dilation : 반투명한 피사체의 외형을 살려 공간을 채우는 과정
Erosion : 피사체의 외형을 곡선형태로 조정하는 과정
도 9 는 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 플럭의 크기 및 지름을 분석하는 실시예를 보여주는 도면이다.
본원 발명의 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정, 분석장치의 분석부는 동영상 이미지 중 특정 시간 이미지 프레임에서 플럭이 차지하는 픽셀의 수에 각 픽셀의 크기를 곱하여 플럭의 크기를 획득한다.
도 9 (a)의 특정 시간의 플럭의 이미지에서 플럭의 크기는 모노톤 이미지에서 플럭을 형성하는 픽셀의 수에 각 픽셀의 크기(0.00608 mm^2/pixels) 를 곱하여 측정한다.
분석부는 플럭의 지름을 입자의 크기와 동일한 크기를 가지는 원의 지름을 입자의 지름으로 결정하는 Projected Area Method를 이용하였다.
도 9 (b)에서와 같이 입자의 크기와 동일한 크기를 가지는 원으로 전제하고 수학식1을 기초로 플럭의 지름을 획득한다.
여기서, 
는 상기 플럭의 지름, 
는 상기 플럭의 크기이다.
도 10 은 플럭의 침강에 관계되는 항력계수와 레이놀즈 수(Reynolds number) 관계를 보여주는 도면이다.
플럭의 침강은 Stoke's Law에 의해 표현될 수 있다.
Stoke's Law는 입자가 매우 잘아서 그 침강속도가 작고 따라서 정상류를 이룬다고 생각되는 경우에 구형입자의 침강법칙을 표현한 것으로 이 식의 범위는 석영에 대해서는 50μ이하, 약간의 오차를 허용한다면 100μ 이하이고, 방해석에 대해서는 30μ이하이다.
즉, 플럭의 침강과 관련하여 Stoke's Law가 항상 적용될 수 있는 것이 아니고, 플럭의 크기와 밀도에 의해 적용될 수 있는 영역이 달라진다.
Stoke's Law는 층류상태로 침강하는 구형입자의 종단속도를 입자의 크기와 유효밀도를 이용하여 나타낸 식으로 아래와 같다.
자유 침강하는 입자에 작용하는 힘은 수학식 2와 같다.
여기서, Ft는 입자에 작용하는 전체 힘이고, Fg는 중력에 의한 힘, Fd는 저항에 의한 힘, Fl은 부력에 의한 힘이다.
여기서, 종단속도로 등속운동한다고 가정할 경우 Ft는 0이 되며 침강속도 v에 대하여 정리하면 수학식 3과 같다.
여기서, v는 상기 플럭의 자유 침강 속도, g는 중력가속도, 
는 상기 플럭의 수중 유효 밀도,d는 상기 플럭의 지름, 
는 항력계수 및 
는 정지 유체, 물의 밀도이다.
여기에 항력계수를 층류구간에서의 레이놀즈 수(Re)를 적용하여 정리하면 Stoke's Law가 된다.
레이놀즈 수(Reynolds number)는 움직이는 유체 내에 물체를 놓거나 유체가 관속을 흐를 때 난류와 층류의 경계가 되는 값으로 무차원수이다.
유체내에 입자의 흐름을 연구하는 데 중요한 것으로, 이 값이 작을 때는 흐름이 규칙적인 층류가 되지만, 어떤 값 이상이 되면 난류가 된다.
일반적으로 이와 같은 난류와 층류의 경계가 되는 R의 값을 임계 레이놀즈수라 한다.
그 값은 원관 내의 물의 흐름에서 약 2,300이다.
그러나, Stoke's Law는 입자의 크기 또는 입자의 형태요소(shape factor)의변화에 따라서 항력계수가 변화하고 이에 따라 Stoke's Law도 변화한다.
Stoke's Law에서 항력계수(
)와 레이놀즈 수(Reynolds)수는 레이놀즈 수에 따라 변화하며 일반적인 부유 침강물의 레이놀즈 수 값은 0.1이하로 물리적 특성을 분석할 때 Stoke's Law를 이용한다.
그러나, 본원발명에서의 가중 응집반응에 의해 생성된 플럭의 경우에는 밀도와 크기가 향상되어 높은 레이놀즈 수 값을 가지므로 층류구간에서 적용될 수 항력계수와 레이놀즈 수의 관계식을 그대로 적용할 수 없다.
도 10은 레이놀즈 수와 항력계수를 나타내는 그래프로서 3개 구간으로 나누어 지며 각 구간마다 서로 다른 관계식에 의해 정립된다.
따라서, 본원 발명의 가중 응집 반응에 의해 생성된 플럭에 대하여 항력계수 와 레이놀즈 수의 관계식을 결정할 필요가 있다.
도 11 은 본원 발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정,분석 장치에서 가중응집반응에서의 항력계수와 레이놀즈 수(Reynolds number :Re) 관계를 보여주는 도면이다.
도 11은 본원 발명의 가중 응집 반응에 의해 생성된 플럭을 이온교환 수지를 이용하여 측정한 결과로 항력계수와 레이놀즈 수(Reynolds number) 관계를 보여주는 도면으로, 도 10에서의 3개 구간중 전이구간에 대부분 위치함을 보여준다.
따라서, 전이구간에서의 항력계수와 레이놀즈 수(Reynolds number) 관계식을 정립할 필요가 있고 이는 Allen(1991)에 의해 제안된 수학식5로 표현된다.
본원 발명의 가중 응집 반응에 의해 생성된 플럭에 대하여 즉, 전이구간에서의 항력계수와 레이놀즈 수(Reynolds number)관계식을 적용하여 Stoke's Law를 변형하여 보면 수학식 6과 같다.
여기서 레이놀즈 수는 측정된 지름값과 물의 특성을 적용하여 계산하고 침강 속도는 침강거리를 침강시간으로 나누어 평균 침강속도를 이용하였다.
플럭이 자유침강하기 때문에 최초의 0에서 부터 종단 속도 도달하기까지 시간이 소요되지만 플럭 낙하부를 충분히 길게 하여 도달시간의 영향을 최소화한다.
여기서, Re는 레이놀즈 수, 
는 유체의 밀도, v는 플럭의 침강속도, d는 플럭의 지름, 
는 유체의 점성계수이며, L은 플럭의 자유침강을 시작하는 지점으로부터 촬영지점까지의 침강거리, t는 침강거리까지의 이동시간,침강시간을 의미한다.
수학식5와 수학식6을 Stoke'w Law에 수중 유효밀도를 구하여 보면 수학식 7과 같다.
여기서, 
는 수중 유효밀도, 
는 항력계수, Re는 레이놀즈 수, v는 플럭의 침강속도, d는 플럭의 지름, g는 중력가속도, d는 플럭의 지름이다..
본원 발명의 플럭 특성 측정, 분석 장치의 분석부는 플럭의 자유 침강 시작점으로부터 기준 지점,이미지 촬영지점까지의 침강 거리를 동영상 이미지의 촬영시작 시간으로부터 특정 시간까지의 침강 시간으로 나누어 플럭의 자유 침강 속도를 획득한다.
레이놀즈 수 값은 플럭의 크기와 침강속도의 영향을 받기 때문에 수중 밀도가 1.08 ~1.4인 플럭의 경우 Stoke's Law 영역의 침강특성이 나타나지만, 입도 범위가 0.3 ~1.2mm 인 진비중 1.08 인 이온교환 수지 입자의 경우 전이영역의 침강 특성이 나타난다.
본원 발명의 가중응집 반응에 의해 생성된 플럭들은 일반적으로 입도범위가 0.4mm이상으로 나타나고 밀도가 1.08보다 높게 형성되어 레이놀즈 수 값이 전이영역에 들어가기 때문에 항력계수와 레이놀즈 수(Reynolds number)관계식을 수학식 5을 적용하였다.
본원 발명의 가중응집 반응에 의해 생성된 플럭의 레이놀즈 수는 4 내지 100의 범위내의 값으로 측정되었다.
도 12 는 본원발명에 따른 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 방법의 흐름도를 보여주는 도면이다.
본원 발명의 가중 응집 반응에 의해 생성된 플럭의 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 방법은 정지된 유체를 포함하여 상부에서 하부로 흐르는 플럭의 자유 침강을 유도한다(S1110).
플럭이 종단 속도 지점, 플럭의 촬영지점인 기준지점에 도달한 플럭의 동영상 이미지를 촬영한다(S1120).
동영상 이미지를 분석하여 플럭의 물리적 특성을 분석한다(S1130).
본원 발명의 플럭 특성 측정, 분석 장치에서는 플럭의 크기, 지름 또는 수중 유효 밀도등의 물리적 특성을 동시에 얻을 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (31)
- 정지된 유체를 포함하여 상부에서 하부로 흐르는 플럭의 자유 침강을 유도하는 플럭 낙하부;
상기 플럭 낙하부의 기준지점에 도달한 상기 플럭의 동영상 이미지를 촬영하는 촬영부; 및
상기 동영상 이미지를 분석하여 상기 플럭의 물리적 특성을 분석하는 분석부;를 포함고,
상기 플럭의 물리적 특성은 상기 플럭의 크기, 지름 또는 수중 유효 밀도 중 적어도 어느 하나 이상이고,
상기 분석부는,
상기 동영상 이미지 중 특정 시간 이미지 프레임에서 상기 플럭이 차지하는 픽셀의 수에 각 픽셀의 크기를 곱하여 상기 플럭의 크기를 획득하고, 상기 플럭의 자유 침강 시작점으로부터 상기 기준 지점까지의 침강 거리를 상기 동영상 이미지의 촬영시작 시간으로부터 상기 특정 시간까지의 침강 시간 으로 나누어 상기 플럭의 자유 침강 속도를 획득하고, 아래의 수학식을 기초로 상기 플럭의 수중 유효 밀도를 구하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치.
[수학식]
(여기서,는 수중 유효밀도,
는 항력계수, Re는 레이놀즈 수, v는 플럭의 침강속도, d는 플럭의 지름, g는 중력가속도이다.)
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 분석부는
상기 동영상 이미지를 일정 시점의 프레임 단위로 편집하고 상기 플럭의 각 프레임 이미지를 기초로 상기 플럭의 물리적 특성을 분석하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 분석부는
아래의 수학식을 기초로 상기 플럭의 지름을 획득하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치.
[수학식]
여기서,는 상기 플럭의 지름,
는 상기 플럭의 크기이다.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 플럭의 자유 침강 속도는 상기 플럭의 종단 속도인 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기는 항력계수는 상기 플럭의 레이놀즈 수(Reynolds number)에 따라 변화하며, 상기 플럭의 레이놀즈 수는 4 내지 100의 범위내의 값인 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치.
- 소정의 입자를 응집제와 교반시켜 플럭을 생성하는 플럭 형성부;
상기 플럭 형성부의 하단에 수직으로 위치하고, 정지된 유체를 포함하여 상부에서 하부로 흐르는 상기 플럭의 자유 침강을 유도하는 플럭 낙하부; 및
상기 플럭 낙하부로부터 일측방으로 기준거리만큼 이격되어 기준 낙하지점에 도달한 상기 플럭의 동영상 이미지를 촬영하는 촬영부;를 포함하고,
상기 기준 거리는 상기 촬영부의 촬영 시야각의 상단과 하단에 의해 결정되는 상기 플럭 낙하부의 전체 면적에 대하여 촬영면적이 기준값 이상이 유지되는 거리인 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 제 10 항에 있어서, 상기 응집제(coagulant)는
제 2 염화철 또는 황산 알루미늄인 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 플럭 낙하부는 직사각형 형태의 투명관인것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 제 12 항에 있어서,상기 플럭 형성부는
상기 입자와 응집제를 교반시켜 플럭을 생성하는 임펠러;
상기 임펠러를 동작시키는 디지털 모터;
상기 플럭을 담는 교반용기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 투명관의 중앙으로 상기 플럭이 자유 침강하도록 하는 상기 교반 용기의 바닥에는 일정한 크기 지름을 가지는 원형 구멍이 포함된 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 원형 구멍의 개폐를 제어하는 슬라이드부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 촬영부 및 상기 플럭 낙하부의 하단으로부터 일정 높이까지는 암실(darkroom)상태를 유지시키는 암실부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 제 16 항에 있어서,
상기 일정 높이는 상기 기준 낙하지점으로부터 상측으로 일정거리 이격된 지점인 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 플럭 낙하부의 외측면에 연결되어 자유 침강하는 상기 플럭의 양을 제어할 수 있는 조절부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 제 18 항에 있어서, 상기 조절부는
상기 플럭 낙하부에 투입되는 시료의 양을 제어하는 제어밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 삭제
- 제 10 항에 있어서,
상기 촬영부로부터 상기 플럭 낙하부의 내측면까지의 거리와 상기 촬영부로부터 상기 플럭 낙하부의 외측면까지의 거리의 비율이 기준값이상이 유지되도록 상기 플럭 낙하부의 폭을 결정하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 제 16 항에 있어서,
상기 암실부는
상기 플럭의 이미지 밝기를 조절하기 위한 조명부;
상기 조명부로부터 출력된 빛이 상기 낙하지점을 중심으로하여 촬영영역에 고르게 퍼지게 하는 거울;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 측정 장치. - 정지된 유체를 포함하여 상부에서 하부로 흐르는 플럭의 자유 침강을 유도하는 플럭 낙하단계;
기준지점에 도달한 상기 플럭의 동영상 이미지를 촬영하는 촬영단계;
상기 동영상 이미지를 분석하여 상기 플럭의 물리적 특성을 분석하는 분석단계;를 포함하고,
상기 플럭의 물리적 특성은 상기 플럭의 크기, 지름 또는 수중 유효 밀도 중 적어도 어느 하나 이상이고,
상기 분석단계는
상기 동영상 이미지 중 특정 시간의 이미지 프레임에서 상기 플럭이 차지하는 픽셀의 수에 각 픽셀의 크기를 곱하여 상기 플럭의 크기를 획득하고, 상기 플럭의 자유 침강 시작점으로부터 상기 기준 지점까지의 침강 거리를 상기 동영상 이미지의 촬영시작 시간으로부터 상기 특정 시간까지의 침강 시간 으로 나누어 상기 플럭의 자유 침강 속도를 획득하고, 아래의 수학식을 기초로 상기 플럭의 수중 유효 밀도를 구하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 방법.
[수학식]
(여기서,는 수중 유효밀도,
는 항력계수, Re는 레이놀즈 수, v는 플럭의 침강속도, d는 플럭의 지름, g는 중력가속도이다.)
- 삭제
- 제 23 항에 있어서,상기 분석단계는
상기 동영상 이미지를 일정 시점의 프레임 단위로 편집하고 상기 플럭의 각 프레임 이미지를 기초로 상기 플럭의 물리적 특성을 분석하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 방법. - 삭제
- 제 23 항에 있어서, 상기 분석단계는
아래의 수학식을 기초로 상기 플럭의 지름을 획득하는 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 방법.
[수학식]
여기서,는 상기 플럭의 지름,
는 상기 플럭의 크기이다.
- 삭제
- 제 23 항에 있어서,
상기 플럭의 자유 침강 속도는 상기 플럭의 종단 속도인 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 방법. - 삭제
- 제 23 항에 있어서,
상기는 항력계수는 상기 플럭의 레이놀즈 수(Reynolds number)에 따라 변화하며, 상기 플럭의 레이놀즈 수는 4 내지 100의 범위내의 값인 것을 특징으로 하는 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110143939A KR101327769B1 (ko) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | 이미지 계측을 통한 플럭 특성 분석 장치, 방법 및 측정 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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2011
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