[發明專利]一種原位實時測量懸移質濃度和級配的裝置及方法

有效

• 申請號: 201510010173.6
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104535462B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 楊文俊;李丹勛;陳啟剛;李健;王興奎
• 申請（專利權）人: 長江水利委員會長江科學院
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01N15/06
• 代理公司: 武漢楚天專利事務所42113
• 代理人: 孔敏

1.一種原位實時測量懸移質濃度和級配的裝置，其特征在于：包括鉛魚(1)、安裝于鉛魚(1)內的測量單元及與測量單元連接的計算機(14)，所述測量單元包括照相機(3)、微縮鏡頭(4)、激光器(5)、反射鏡(6)、鮑威爾棱鏡(7)、柱面凸透鏡(9)、折射鏡組(10)、超聲水深儀(11)、供電單元(12)，所述照相機(3)的前端加裝有微縮鏡頭(4)，所述激光器(5)安裝在反射鏡(6)的入射光路上，反射鏡(6)的出射光路上依次安裝有鮑威爾棱鏡(7)、柱面凸透鏡(9)、折射鏡組(10)，所述激光器(5)發出的激光光束向后發射，經反射鏡(6)使光束折返180度，穿過鮑威爾棱鏡(7)擴展成扇形片光，再用柱面凸透鏡(9)匯聚成矩形片光通過折射鏡組(10)穿過鉛魚(1)下部將矩形片光導入鉛魚(1)以下3～5mm后水平向前發射以照亮鉛魚(1)下部局部水體，位于照相機(3)下方的鉛魚(1)底殼上設有鋼化玻璃觀測窗(15)，供電單元(12)分別與照相機(3)、激光器(5)和超聲水深儀(11)連接。

2.如權利要求1所述的原位實時測量懸移質濃度和級配的裝置，其特征在于：所述計算機(14)安放在測量船上，用于控制激光器(5)的開啟和關閉、照相機(3)的圖像采集、傳輸和儲存，進行測量成果的分析并生成檢測報表。

3.一種原位實時測量懸移質濃度和級配的方法，其特征在于：其應用權利要求1或2所述裝置進行測量，具體包括如下步驟：

步驟一、將測量船定位在待測斷面的測線上，用絞車放下鉛魚(1)，在一定的水深處懸停，用超聲水深儀(11)測量鉛魚以上的水深后計算測點的高程；

步驟二、開啟激光器(5)，所述激光器(5)發出的激光光束向后發射，經反射鏡(6)使光束折返180度，穿過鮑威爾棱鏡(7)擴展成扇形片光，再用柱面凸透鏡(9)匯聚成矩形片光，最后用折射鏡組(10)穿過鉛魚下部將矩形片光導入鉛魚(1)以下3～5mm后水平向前發射以照亮鉛魚(1)下部局部水體；

步驟三、照相機(3)通過下方的鋼化玻璃觀測窗(15)拍攝連續圖像并儲存在照相機(3)的儲存卡中，然后通過通訊電纜將照相機(1)內的圖像傳輸至測量船上的計算機(14)中；

步驟四、計算機(14)將采集的圖像逐幀進行處理，得出懸移質顆粒的投影面參數，用顆粒的等容面積換算顆粒直徑，從圖像中總體顆粒的面積推算含沙濃度，根據顆粒直徑計算懸移質的級配；

所述步驟四具體為：

對采集的圖像進行圖形二值化，分割出泥沙占據的像素，根據泥沙占據的像素計算每個泥沙顆粒的面積A_p，并按面積大小進行分級，設第i級顆粒每顆沙的面積為A_ip，相應的顆粒直徑D_i根據公式(1)計算得出：

Di=4Aip/π---(1)]]>

在面積A的全幅圖像中有N_i個顆粒，假定顆粒在流場中均勻分布，則平均A/N_i的面積上有一顆沙，顆粒中心的平均距離為顆粒之間的長度為S_i＝L_i-D_i；

定義線性濃度為λ：

λ=DS]]>

對第i級顆粒：

λi=DiSi=4Aip/πA/Ni-4Aip/π=1A/Ni4Aip/π-1=1πA4Aip/π-1---(2)]]>

含沙濃度C_Vi與線性濃度λ的關系：

λi=1(0.74CVi)1/3-1---(3)]]>

通過連續采集圖像分析及式(2)和(3)，即得出水體各級粒徑的直徑D_i、含沙濃度C_vi、以及顆粒級配參數。