[發明專利]水體中微納米氣泡觀測系統及方法

有效

• 申請號: 201310048458.X
• 申請日: 2013-02-06
• 公開（公告）號: CN103175760A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 李恒震;胡黎明
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01P3/38
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術領域

本發明屬于水利水電工程和環保工程領域，具體涉及一種水體中微納米氣泡觀測系統及方法。

背景技術

水資源是人類生產生活的關鍵資源，目前環境水體污染嚴重，水資源保護和水污染治理成為現代社會最關注的問題。曝氣法是處理水體污染的重要方法，其原理是通過水和空氣充分接觸以交換氣態物質和去除水中揮發性物質，或使氣體從水中逸出，去除水的臭味或二氧化碳和硫化氫等有害氣體；或使氧氣溶入水中，以提高溶解氧濃度，達到除鐵、除錳或促進需氧微生物降解有機物的目的。曝氣法在污水處理及水產養殖等領域獲得廣泛應用。氣液界面的接觸面積是影響曝氣效率的重要因素。因此減小氣泡粒徑，將曝氣氣泡的直徑控制在微納米量級成為該技術的熱點發展方向。

微納米氣泡是指液體中微米和納米量級氣泡的統稱，其直徑一般小于60μm，微米氣泡直徑在1-60μm之間，納米氣泡的直徑則在1μm以下。在水體中毫米-厘米級宏觀氣泡將在浮力作用下迅速上升，并在水表面處破裂；而微納米氣泡則由于直徑較小，在水體中停留時間較長。由于水氣界面張力作用，氣泡內壓較大，其高溶解能力可為水體提供高含量的溶解氧。同時，微納米氣泡氣液界面帶負電荷，可以與特定的污染物相互作用，微納米氣泡破裂時產生的自由基和振動波也可促進污染物的去除。

微納米氣泡供氧效果好、持續時間長、影響范圍大，可以彌補常規水體污染治理技術的局限性。因此對于水體中微納米氣泡的研究有重大意義。但目前尚無觀測如此小尺寸的氣泡的技術手段。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一或至少提供一種有用的商業選擇。為此，本發明的一個目的在于提出一種具有簡便可行、仿真程度高的水體中微納米氣泡觀測系統。本發明的另一個目的在于提出一種具有簡便可行、觀測精度高的水體中微納米氣泡觀測方法。

根據本發明實施例的水體中微納米氣泡觀測系統，包括以下部分：模型箱，所述模型箱具有注水口，可注入并盛放富含微納米氣泡的水體，且模型箱各面使用不同的材質和顏色，最大限度的提高水體中微納米氣泡的成像清晰度；激光器，所述激光器位于所述模型箱的頂部，用于提供觀測時需要的片光源；相機和鏡頭，所述相機和鏡頭位于所述模型箱的一側，用于觀測水體中微納米氣泡；圖片采集及處理模塊，所述圖片采集及處理模塊與所述相機相連，進行圖片的采集和處理。

可選地，還包括：激光器支架，所述激光器支架用于固定支撐所述激光器；以及三維可調節支架，所述三維可調節支架用于固定支撐和移動所述相機和鏡頭。

可選地，所述模型箱為長方體，定義接近所述相機和鏡頭的為觀測面，其他面分別定義為背景面、左側壁、右側壁、底面，其中所述觀測面使用超白玻璃，其它面使用有機玻璃，所述背景面涂抹成黑色，而所述左側壁、右側壁及底面涂抹成白色。

可選地，所述激光器還包括：激光鏡片，所述激光鏡片將所述激光器發出的光線校正為片狀，并且，所述激光器的線寬寬度小于所述相機的景深。

可選地，所述相機為高感光度的CCD相機，所述相機成像的照度大于等于0.00002Lux；鏡頭為工業縮放鏡頭，能夠對直徑為900納米至60微米之間的氣泡成像。

可選地，所述圖片采集及處理模塊采用軟件，通過對氣泡圖像的像素大小及灰度值進行分析，確定圖像內氣泡的粒徑；通過連續拍攝的多張圖像，計算圖像中不同氣泡的運動速度。

根據本發明實施例的水體中微納米氣泡觀測方法，采用本發明提出的水體中微納米氣泡觀測系統，包括以下步驟：S1.在所述模型箱中注入富含微納米氣泡的水體；S2.采用所述激光器為所述水體照明，采用所述相機和鏡頭觀測所述水體中的微納米氣泡；以及S3.圖片采集及處理模塊控制相機和鏡頭采集圖像并進行分析處理，得到微納米氣泡的粒徑分布和運動軌跡。

本發明提供一種水體中微納米氣泡的粒徑測量及運動觀測系統，通過模型箱、激光器、CCD相機、鏡頭、三維可調節支架及圖像處理軟件實現對水體中微納米氣泡的粒徑及運動速度測量。本發明的水體中微納米氣泡觀測系統及方法至少具有如下優點：

本發明的水體中微納米氣泡觀測系統及方法的至少具有如下優點：

（1）使用特殊設計的玻璃模型箱進行水體中微納米氣泡觀測的思想。玻璃模型箱的觀測面使用透光性好的超白玻璃制作，使得相機成像清晰。其它均使用有機玻璃材質。背景面涂抹成黑色，增強氣泡與背景的對比效果。其它有機玻璃面均涂抹成白色，增強水體中微納米氣泡的漫反射效果，提高微納米氣泡亮度。材質和顏色的選擇最大限度的增加了水體中微納米氣泡的成像清晰度。