专利名称：确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的方法和系统，特 别涉及一种通过拍摄饮用水或废水处理系统和水环境中的絮体/污泥颗粒物 自由沉降过程中不同时间点连续图像来确定絮体/污泥颗粒物的沉降速度的 方法和系统。
背景技术：
目前一些研究只是采用量筒对几个毫米以上的絮体/污泥颗粒的沉降速 度进行简单地的确定，但精确度不够。中国发明申请专利"使用无线终端
对速度进行测定的方法及实现该方法的系统(申请号200610126530.6;公 开号CN1984248)"提出一种用于在相机的预览模式下使用无线终端对运动 对象的速度进行测定的系统和方法，该方法包括当在无线终端的相机预 览模式下选择速度测量功能时，进入用于速度测量的预览模式；在用于速 度测量的预览模式下测量对象的运动距离；在用于速度测量的预览模式下 测量对象的运动时间周期；以及通过使用己测量的对象的运动距离和运动 时间周期测量并显示对象的运动速度。该方法还包括在用于速度测量的 预览模式下通过经两个相机单元接收运动对象的图像数据测量对象的运动 时间周期；以及通过使用己经测量的对象的运动距离和运动时间周期测量 并显示对象的运动速度。显然，这种方法不适合测量微米毫米级絮体/污泥 颗粒的沉降速度。中国发明申请专利"速度测量方法(申请号
200610159915.2;公开号CN101056138)"提出一种速度测量方法，用以检 测一发射器和一接收器之间在传送正交分频多任务符元信号时的一相对速 度。该速度测量方法也不适合测量微米毫米级絮体/污泥颗粒的沉降速度。
发明内容
本发明的目的是提供一种确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的方法，以 解决现存技术中不能利用简单装置确定微米毫米级絮体/污泥颗粒的沉降速 度的问题。
本发明的另一 目的是提供一种能够确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度 的系统，而且该系统便于实施上述确定微米毫米级絮体/污泥颗粒的沉降速 度的方法。
根据本发明的一个方面，本发明的确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度 的方法包括以下步骤
设置一个内装水的沉降装置；
将装有显微镜头的CCD相机对准所述沉降装置的观察面； 用传输线连接所述CCD相机与具有显示器的计算设备； 将单个絮体/污泥颗粒物入所述沉降装置的水中，使其进行自由沉降运
动；
利用所述CCD相机对进行自由沉降运行的絮体/污泥进行连续拍照，以
获得不同时间点的至少两帧絮体/污泥颗粒物图像信号；
所述计算设备接收从所述CCD相机输出的至少两帧絮体/污泥颗粒物
图像信号，进行图像处理后，在显示器屏幕上显示两张絮体/污泥颗粒物图 片；以及根据所屏幕上显示的所述两张絮体/污泥颗粒物图片之间的垂直距 离以及拍照时间间隔，算出所述絮体/污泥颗粒物自由沉降速度。
本发明的方法还包括在拍照之前，把光源放置在所述沉降装置的下方 的步骤。
其中，通过所述计算设备的标尺参数计算出所述两张絮体/污泥颗粒物
图片之间的垂直距离，所述标尺参数通过以下步骤实现标定
在CCD相机拍照絮体/污泥之后，按照其同等拍照条件拍照标尺，以得 到标尺图像信号；
将所述标尺图像信号传送给计算设备，通过计算设备计算所述标尺图像 信号，获得包括X标尺参数和Y标尺参数的标定参数；
计算设备利用所述标定参数算出所述两张絮体/污泥颗粒物图片之间的
6垂直距离。
其中，根据已拍照图片的数量算出拍照时间间隔。
其中，在计算所述两张絮体/污泥颗粒物图片之间的垂直距离之前，将 所述两张絮体/污泥颗粒物图片叠加为一幅图片。
其中，所述两张絮体/污泥颗粒物图片分别是位于沉降初/末位置的絮体 /污泥颗粒物图片。
根据本发明的另一方面，这里提供的实施上述确定絮体/污泥颗粒物自 由沉降速度的方法的系统包括
一个有利于单个絮体/污泥颗粒物进行自由沉降运动的沉降装置；
装有显微镜头的所述CCD相机，用于对正在自由沉降运动的单个絮体 /污泥颗粒物进行连续拍照；
接收所述CCD相机输出的图像信号并对其进行图像处理和显示的计算 设备；以及连接所述CCD相机与所述计算设备的传输线。
本发明的系统还包括供所述CCD相机拍照以取得标尺参数的标尺，以 及设置在所述沉降装置下方的光源。
其中所述沉降装置是其内装满水的透明沉降柱，以及所述计算设备是 便携式或台式计算机。
本发明所提供的方法及系统可通过拍摄饮用水或废水处理系统和水环 境中的絮体/污泥颗粒物自由沉降过程中不同时间点连续图像，来确定絮体/ 污泥颗粒物的沉降速度，以便研究絮体/污泥的物理学和水力学特征，为环 境污染控制提供依据。
另外，本发明的方法可进行微米级的絮体/污泥颗粒的沉降速度测量， 且测量精度高，并且适于野外作业。
此外，本发明的系统操作简单、连续图像效果稳定，可以获得絮体/污 泥在不同时间点的图像，同时本发明系统均由市场可以得到的设备构成， 适用性强，并且特别适合在野外作业。 下面结合附图对本发明进行详细说明。
图l是本发明的絮体/污泥沉降速度测定装置的示意图； 图2是显示在计算设备上确定标尺参数的示意图； 图3是显示将絮体/污泥颗粒物自由沉降初末位置的两张图片叠加为一 幅图片的示意图4是显示利用标尺参数计算出絮体颗粒物在沉降装置中自由沉降的 垂直距离的示意图5a、图5b、图5c是显示在原水pH二9.0时，测定絮体沉距离的示意
图6a、图6b、图6c是显示在原水pH二7.0时，测定絮体沉距离的示意
图7a、图7b、图7c是显示在原水pH二5.0时，测定絮体沉距离的示意
图8a、图8b、图8c是显示测定污泥颗粒沉距离的示意图。
具体实施例方式
絮体/污泥颗粒是微米、毫米级的颗粒物，目前的测定方法不能对其沉 降速度进行有效测定。
本发明通过拍摄饮用水或废水处理系统和水环境中的絮体/污泥颗粒物 自由沉降过程中不同时间点连续图像的方法来确定絮体/污泥颗粒物的沉降 速度，以便研究絮体/污泥的物理学和水力学特征，为环境污染控制提供依 据。
图1显示了能够实施本发明的絮体/污泥沉降速度测定方法的装置，如 图1所示，本发明的确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的方法包括以下步 骤
首先在进行沉降速度测定的场所设置一个内装水的沉降装置，以便观 察絮体/污泥颗粒物的自由沉降速度；
将装有显微镜头的CCD相机对准所述沉降装置的观察面，利用显微镜头放大将要拍照的絮体/污泥颗粒的图像；
用传输线连接所述CCD相机与具有显示器的计算设备，以便CCD照 相机摄取的图像信号输送给诸如计算机的计算设备；
将单个絮体/污泥颗粒物置入所述沉降装置的水中，使其进行自由沉降 运动；
利用所述CCD相机对进行自由沉降运行的絮体/污泥进行连续拍照，以 获得在不同时间点的至少两帧絮体/污泥颗粒物图像信号；
所述计算设备接收从所述CCD相机输出的至少两帧絮体/污泥颗粒物 图像信号，进行图像处理后，在显示器屏幕上显示两张絮体/污泥颗粒物图 片；以及根据所屏幕上显示的所述两张絮体/污泥颗粒物图片之间的垂直距 离以及拍照时间间隔，算出所述絮体/污泥颗粒物自由沉降速度。
为了能够拍摄足够清晰的絮体/污泥图像，可以在拍照之前，把光源放置 在所述沉降装置的下方，同时调节显微镜头焦距。
本发明通过所述计算设备的标尺参数计算出所述两张帧絮体/污泥颗粒 物图片之间的垂直距离，所述标尺参数通过以下步骤实现标定
在CCD相机拍照絮体/污泥之后，按照其同等拍照条件拍照标尺，以得 到标尺图像信号；
所述计算设备接收该标尺图像信号，通过象素分析、计算取得包括X标
尺参数和Y标尺参数的标定参数；
利用所述标定参数算出所述两张絮体/污泥图片之间的垂直距离。
另外，利用CCD相机连续拍照的固定时间间隔估算拍照时间间隔，也
就是说通过照片数量估算拍照时间间隔。当然，也可以根据计算设备接收
图像信号接收时间之差，算出拍照时间间隔。
为了便于在屏幕所示的一幅图片上计算两张絮体/污泥颗粒物图片之间
的垂直距离，也可以在计算之前，将这两张絮体/污泥颗粒物图片叠加为一
幅图片。
此外，两张絮体/污泥颗粒物图片最好是位于沉降初/末位置的两张絮体 /污泥颗粒物图片。
9再参见图1，能够实施本发明的絮体/污泥沉降速度测定方法的系统应 当包括
一个有利于单个絮体/污泥颗粒物4进行自由沉降运动的沉降装置2; 装有显微镜头的所述CCD相机3,用于对正在自由沉降运动的单个絮
体/污泥颗粒物进行连续拍照；
接收所述CCD相机输出的图像信号并对其进行图像处理和显示的计算 设备1;以及连接所述CCD相机与所述计算设备的传输线5。
此外，该系统还可以包括供所述CCD相机拍照以取得标尺参数的标尺 (未显示)。需要说明的是，在CCD相机3与沉降装置2位置固定的情况 下，标尺参数可以预存在计算设备中，因此可以省去实物标尺。
当然，系统还应当包括一个设置在所述沉降装置下方的光源，以便提 供提高拍摄环境的亮度。
沉降装置最好是其内装满水的透明沉降柱，所述计算设备可以是任何 形式的计算机。
下面通过两个实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例一水中聚合氯化铁-腐殖酸絮体沉降速度确定试验
1试验方法
絮体沉降速度测量试验装置主要由CCD相机、显微镜头、光源、计算 机、传输线、沉降柱和标尺组成。沉降柱为半圆柱桶，直径为40mm，高度 为350mm; CCD摄影系统包括CCD摄像机(HV1302UM型，大恒公司)、 显微镜头(AVENIR TV Zoom Lens SR12575, 12.5mm-75mmF1.8，日本)、图 像拍摄软件(Daheng Imavision，大恒公司)和计算机等。
在进行拍摄时，调好CCD系统和光源。然后将单个絮体垂直移入沉降 柱的去离子水中，置于沉降柱的中心，让絮体自由沉降。当从计算机屏幕 上显示絮体进入显微镜头的视野后，调节显微镜头焦距保证能够拍摄到清 晰的絮体图象，迅速启动CCD相机进行拍摄，直到絮体从系统视野中消失 后停止拍摄。当絮体到达沉降柱底部后，在所有摄影条件不变时对标尺进行标定。在上述过程中，要保证无振动和温差影响拍摄，并注意环境温度 的影响。然后对不同时间点的絮体间的垂直距离迸行测量，用测量的垂直 距离除以时间间隔即为絮体颗粒物的沉降速度。
2试验结果下面过程为聚合氯化铁-腐殖酸絮体沉降速度计算过程
通过拍摄尺子，由计算机利用尺子图像中的度量来标定放大倍数，标定
参数为X标尺0.041096毫米/像素，Y标尺0.041096毫米/像素，如图2 所示。
选定絮体自由沉降初末位置的两张图片并叠加为一幅图片，如图3所示。
通过软件计算出絮体在有机玻璃沉降柱中自由沉降的垂直距离为
12.741毫米，如图4。
通过照片数量计算絮体下降的时间为4.12s 则该絮体沉降速度为3.091mm/s。
图5a 图8c分别显示了几种典型条件下絮体的沉降速度的确定过程。 其中，图5a 图5c分别显示了絮体在原水pH^9.0的沉降柱中沉降情况。 其中图5a显示了 0秒时(初始时间)絮体侧面，图5b显示了 3秒时絮体 侧面；图5c则显示了图5a、图5b叠加成一幅图片的情况，图中显示在3 秒内絮体沉降距离为12.57mm，因此沉降速度为4.19mm/s。需要说明的是， 如果该实例是每隔一秒中拍摄一张图片(照片)，则总共拍摄了4张图片， 这里选取第一张图片和第四张图片，并根据图片数量估算两张图片的拍照 时间为3秒。
图6a 图6c分别显示了絮体在原水pH=7.0的沉降柱中沉降情况。其 中图6a显示了 0秒时(初始时间)絮体侧面，图6b显示了 2秒时絮体侧 面；图6c则显示了图6a、图6b叠加成一幅图片的情况，图中显示在2秒 内絮体沉降距离为7.20mm，因此沉降速度为3.60mm/s。
图7a 图7c分别显示了絮体在原水pH-5.0的沉降柱中沉降情况。其 中图7a显示了 0秒时(初始时间)絮体侧面，图7b显示了 2秒时絮体侧 面；图7c则显示了图7a、图7b叠加成一幅图片的情况，图中显示在2秒 内絮体沉降距离为2.57mm，因此沉降速度为1.29mm/s。实施例二 生物反应器中污泥颗粒的沉降速度确定试验
污泥颗粒沉降速度测量试验装置主要由CCD相机、显微镜头、光源、
计算机、传输线、沉降柱和标尺组成。沉降柱为半圆柱桶，直径为40mm， 高度为350mm; CCD摄影系统包括CCD摄像机(HV1302UM型，大恒公司)、 显微镜头(AVENIRTV Zoom Lens SR12575, 12.5mm-75mmF1.8，日本)、图 像拍摄软件(Daheng Imavision，大恒公司)和计算机等。
在进行拍摄时，调好CCD系统和光源。然后将单个污泥颗粒垂直移入 沉降柱的去离子水中，置于沉降柱的中心，让污泥颗粒自由沉降。当从计 算机屏幕上显示污泥颗粒进入显微镜头的视野后，调节显微镜头焦距保证 能够拍摄到清晰的污泥颗粒图象，迅速启动CCD相机进行拍摄，直到污泥 颗粒从系统视野中消失后停止拍摄。当污泥颗粒到达沉降柱底部后，在所 有摄影条件不变时对标尺进行标定。在上述过程中，要保证无振动和温差 影响拍摄，并注意环境温度的影响。然后对不同时间点的污泥颗粒间的距 离进行测量，用测量的距离除以时间间隔即为污泥颗粒的沉降速度。
图8a 图8c分别显示了测定过程。其中图8a显示了 O秒时(初始时间) 颗粒侧面，图8b显示了 3秒时颗粒侧面；图8c则显示了图8a、图8b叠加 成一幅图片的情况，图中显示在3秒内颗粒沉降距离为20.99mm，因此沉 降速度为6.997mm/s。
总之，本发明的确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的系统的装置由 CCD相机、显微镜头、光源、计算机、传输线、沉降柱和标尺组成。絮体/ 污泥颗粒物在装满水的沉降柱中进行自由沉降。计算机和CCD相机通过传 输线相连，显微镜头安装在CCD相机上，显微镜头可以放大絮体/污泥颗粒 物的图像，通过CCD相机拍摄絮体/污泥颗粒物图像，光源可以提高图像清 晰程度，计算机通过传输线可以接收CCD相机拍摄的图像并进行显示。标 尺用来标定絮体/污泥颗粒物自由沉降的垂直距离。另外，拍摄絮体/污泥颗 粒物图像前要进行光源调节。拍摄絮体/污泥颗粒物图像前要进行显微镜头 光圈、焦距、放大倍数的调节。通过观察计算机屏幕可以看到放大的絮体/污泥颗粒物图像，也能够确定该方法的中所需要的光源的强度、图像的清 晰程度和放大的倍数。装有显微镜头的CCD相机正对着沉降柱的观察面， 光源置于沉降柱的下方。拍摄过程中水温要恒定，不要有震动。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领 域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原 理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
1权利要求
1、一种确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的方法，包括以下步骤利用装有显微镜头的CCD相机对正在沉降的絮体/污泥颗粒进行连续拍照；通过照片所示的絮体/污泥沉降距离和拍照时间，算出絮体/污泥颗粒物自由沉降速度。
2、 一种确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的方法，包括以下步骤设置一个内装水的沉降装置； 把显微镜头装到CCD相机上；将装有显微镜头的所述CCD相机对准所述沉降装置的观察面； 用传输线连接所述CCD相机与具有显示器的计算设备； 将单个絮体/污泥颗粒物置入所述沉降装置的水中，使其进行自由沉降 运动；利用所述CCD相机对进行自由沉降运行的絮体/污泥进行连续拍照，以 获得不同时间点的多帧絮体/污泥颗粒物图像信号；所述计算设备接收从所述CCD相机输出的多帧絮体/污泥颗粒物图像 信号，对其进行图像处理后，在显示器屏幕上选择显示两张絮体/污泥颗粒 物图片；以及根据所屏幕上显示的所述两张絮体/污泥颗粒物图片之间的垂直距离以 及拍照时间间隔，算出所述絮体/污泥颗粒物自由沉降速度。
3、 根据权利要求2所述的方法，还包括在拍照之前，把光源放置在所 述沉降装置的下方的步骤。
4、 根据权利要求2或3所述的方法，其中通过所述计算设备的标尺参 数计算出所述两张絮体/污泥颗粒物图片之间的垂直距离，所述标尺参数通 过以下步骤实现标定在CCD相机拍照絮体/污泥之前或之后，按照其同等拍照条件拍照标尺， 以得到标尺图像信号；将所述标尺图像信号传送给计算设备，通过计算设备计算所述标尺图像信号，获得包括X标尺参数和Y标尺参数的标定参数；计算设备利用所述标定参数算出所述两张絮体/污泥图片之间的垂直距离。
5、 根据权利要求2或3或4所述的方法，其中根据拍照图片的数量算 出拍照时间间隔。
6、 根据权利要求2或3或4或5所述的方法，其中在计算所述两张絮 体/污泥颗粒物图片之间的垂直距离之前，将所述两张絮体/污泥颗粒物图片 叠加为一幅图片。
7、 根据权利要求6所述的方法，其中所述两张絮体/污泥颗粒物图片分 别是位于沉降初/末位置的絮体/污泥颗粒物图片。
8、 一种实施权利要求l-7之任一项所述方法的系统，包括 一个有利于单个絮体/污泥颗粒物进行自由沉降运动的沉降装置； 装有显微镜头的所述CCD相机，用于对正在自由沉降运动的单个絮体/污泥颗粒物进行连续拍照；接收所述CCD相机输出的图像信号并对其进行图像处理和显示的计算 设备；以及连接所述CCD相机与所述计算设备的传输线。
9、 根据权利要求8所述的系统，还包括供所述CCD相机拍照以取得标尺参数的标尺；以及设置在所述沉降装 置下方的光源。
10、根据权利要求8或9所述的系统，其中所述沉降装置是其内装满水的透明沉降柱；以及所述计算设备是计算机。
全文摘要
本发明公开了一种确定絮体/污泥颗粒物自由沉降速度的方法及系统。所述方法包括利用装有显微镜头的CCD相机对进行沉降的絮体/污泥颗粒进行连续拍照，通过照片所示的絮体/污泥沉降距离和拍照时间，算出絮体/污泥颗粒物自由沉降速度。本发明可通过拍摄饮用水或废水处理系统和水环境中的絮体/污泥颗粒物自由沉降过程中不同时间点连续图像，来确定絮体/污泥颗粒物的沉降速度，以便研究絮体/污泥的物理学和水力学特征，为环境污染控制提供依据。
文档编号G01P5/18GK101672861SQ20081022218
公开日2010年3月17日 申请日期2008年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者杰 刘, 佳 卢, 杜白雨, 王毅力 申请人:北京林业大学