一种基于机器视觉的水质硬度闭环调节方法

1.本发明属于水质处理技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的水质硬度闭环调节方法。


背景技术：

2.水硬度是表示水质的一个重要指标，水中溶解的钙、镁和重碳酸根受热会分解释放出二氧化碳并形成不溶性的碳酸盐，在锅炉热交换表面沉积或结垢。沉积或结垢物会在锅炉的热交换表面上形成一层低热导率层，该低热导率层会阻止锅炉与锅炉内热循环工质的热交换。被组织热交换后锅炉内部的热量不断聚集，在锅炉本体上形成过热区，这种过热区在严重情况下可能导致锅炉故障。另外，这层低热导率层也会导致锅炉产生的热量不能有效传递给工质，造成更高的能量消耗。锅炉沉积物也会部分或全部阻塞炉管，随之导致炉管过热甚至爆管故障。
3.因此，在锅炉供水时应采用合理硬度的给水，是锅炉内用水的硬度符合标准，如此可以避免燃气锅炉的结垢和腐蚀，延长锅炉的使用寿命，降低能源消耗。
4.想保证锅炉给水的硬度，就要检测锅炉给水的硬度值，目前已经存在一些对锅炉给水进行硬度检测的方法，如公开号为cn113671112a的一种工业循环水硬度在线测量装置及测量方法，使用指示剂对水质的硬度进行显色，然后使用颜色传感器根据反射光中的红、绿、蓝三色比例判断颜色，进而判断硬度。但是该方案存在以下缺陷：颜色传感器对细微颜色变化的感应精度不高，并且对于检测时经常出现的气泡和杂质干扰不能有效识别并剔除，抗干扰能力较差。且该方法只是自动检测水质硬度，检测硬度以后仍需人工干预采取措施降低锅炉给水的硬度。


技术实现要素：

5.基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种基于机器视觉的水质硬度闭环调节方法。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种基于机器视觉的水质硬度闭环调节方法，包括如下步骤：
8.s1、提取锅炉给水；
9.s2、将硬度显色剂分成若干等份，每次将一份硬度显色剂注入所述锅炉给水中，得到硬度指示混合液，所述硬度显色剂根据水质的硬度大小使所述硬度指示混合液指示不同颜色；
10.s3、采集若干张所述硬度指示混合液的图像，并判断硬度显色剂是否已经注入预设显色次数，若是则执行s4，反之，执行s2；
11.s4、修复所述若干张图像中气泡及杂质覆盖的区域；
12.s5、以修复后的若干张图像进行硬度预测，得到给水硬度；
13.s6、根据所述给水硬度控制软化水设备反洗的进水与排水时间，使锅炉给水符合硬度标准。
14.作为优选方案，所述步骤s4具体包括如下步骤：
15.s41、对所述图像进行特征轮廓提取；
16.s42、根据特征轮廓提取所述图像中气泡或杂质覆盖的区域；
17.s43、将所述气泡或杂质覆盖的区域以附近无气泡或杂质覆盖的区域替换。
18.作为进一步优选的方案，所述步骤s41之前还包括步骤：
19.s40、对所述图像进行图像预处理。
20.作为优选方案，所述步骤s5具体包括如下步骤：
21.s51、在所感兴趣的水质硬度区间上选取若干个预设采样点，对每个所述预设采样点的每次显色反应进行若干次采样得到硬度-显色样本；
22.s52、计算所述硬度-显色样本与对应显色次数的图像在各颜色空间下各通道的多项式拟合值及其权重；
23.s53、计算每个图像与对应显色次数的所述硬度-显色样本在各颜色空间下各通道的综合拟合式及综合权重；
24.s54、将所述各颜色空间下各通道的综合拟合式根据所述综合权重加权得到给水硬度。
25.作为优选方案，所述步骤s6还包括：
26.根据所述给水硬度判断所述给水硬度是否超标，若超标则触发报警。
27.另一方面，本发明还提供一种基于机器视觉的水质硬度闭环调节装置，具体包括：
28.反应池，用于将锅炉给水和硬度显色剂混合为硬度指示混合液；
29.给水阀，用于向所述反应池注入锅炉给水；
30.加药泵，用于向所述反应池注入硬度显色剂；
31.相机，用于采集所述硬度指示混合液的图像；
32.软化水设备，用于软化锅炉给水；
33.进水阀，用于控制所述软化水设备反冲洗时的进水；
34.排水阀，用于控制所述软化水设备反冲洗时的排水；
35.控制器，与所述反应池、给水阀、加药泵、相机、软化水设备、进水阀和排水阀连接，从所述相机获取所述硬度指示混合液的图像，修复所述图像中气泡及杂质覆盖的区域，以修复后的图像进行硬度预测，得到给水硬度，并根据所述给水硬度控制所述进水阀和所述排水阀对所述软化水设备进行反洗。
36.作为优选方案，所述装置还包括报警器，与所述控制器连接，用于在所述给水硬度超标时报警。
37.作为优选方案，所述装置还包括上位机，所述控制器与所述上位机通信连接，向所述上位机输出给水硬度数据。
38.作为优选方案，所述装置还包括补光灯，与所述控制器连接，用于为所述相机补光。
39.本发明与现有技术相比，有益效果是：
40.本发明的方法，通过机器视觉修复了硬度指示图像中经常出现的气泡和杂质缺
陷，建立图像和给水硬度的预测模型，并使用该模型精确预测锅炉给水的硬度；
41.本发明的方法还在机器视觉的基础上增加了闭环反馈过程，根据给水硬度的检测结果自动控制软化水设备反洗时的进水与排水时间，使锅炉水质能够自动地始终符合硬度标准。
附图说明
42.图1是本发明实施例的一种基于机器视觉的水质硬度闭环调节方法的流程图；
43.图2是本发明实施例的步骤s4的流程图；
44.图3是本发明实施例的步骤s5的流程图；
45.图4是本发明实施例的一种基于机器视觉的水质硬度闭环调节装置的结构示意图。
具体实施方式
46.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
47.实施例：本实施例提供一种基于机器视觉的水质硬度闭环调节方法，其方法流程图如图1所示，具体包括如下步骤：
48.s1、提取锅炉给水，开启锅炉给水阀，将锅炉给水取部分待测试样注入至反应容器。
49.s2、将硬度显色剂分成k等份，每次执行步骤s2时仅将其中一份显色剂注入锅炉给水中，硬度显色剂能够根据锅炉给水的硬度大小指示不同颜色，而硬度显色剂注入越多，显色越重。优选地，在本实施例中，硬度显色剂选用红蓝显色剂。
50.将硬度显色剂和锅炉给水搅拌混合，混合后得到随锅炉给水的硬度而具有不同颜色的硬度指示混合液。
51.进一步的，步骤s2前先判断是否为启机后第一次检测，若是第一次检测，则需要先将硬度显色剂充盈整个显色剂管道，并且开启锅炉给水阀，使用锅炉给水持续冲洗反应容器一段时间，将反应容器清洗干净，避免反应容器中余留的杂质影响检测结果。
52.s3、采集硬度指示混合液的图像，并判断显色剂是否已经注入k次，若是则执行s4，反之，执行s2，再次注入显色剂，使显色更重，然后再次通过步骤s3拍摄图像，直到显色剂已经注入k次。
53.s4、对采集到的k张图像进行处理，针对硬度指示混合液的图像中常有气泡及杂质干扰图像检测的问题，针对性地对气泡及杂质的图像区域进行去除。修复后的硬度指示混合液图像全部为正常混合液部分的图像，从而避免某些特殊区域干扰图像检测。
54.进一步的，步骤s4的流程如图2所示，包括如下步骤：
55.s41、将步骤s3中采集得到的硬度指示混合液的图像以rgb形式输入，使用轮廓提取算法，对硬度指示混合液的图像进行特征轮廓提取，得到图像上硬度指示混合液的区域边界，和硬度指示混合液与气泡及杂质覆盖的区域之间的分界线。
56.s42、根据特征轮廓提取出的分界线判断该图像中是否存在气泡及杂质覆盖的干扰区域，若是继续步骤s42的流程，区分得到气泡及杂质覆盖的区域，若否则直接跳转到步骤s5。
57.s43、选中一个气泡或杂质覆盖的区域，将该区域以其附近无气泡或杂质覆盖的硬度指示混合液区域替换。选取下一个气泡及杂质覆盖的区域，同样将其替换，直到全部步骤s42中得到的气泡或杂质覆盖的区域均被替换完成。
58.更进一步的，为了便于步骤s4的特征轮廓提取及修复，在步骤s41之前还包括步骤s40、对图像进行图像预处理，在本实施例中，预处理优选地选用图像裁剪、高斯滤波、开运算手段。
59.s5、以修复后的k张图像进行硬度预测，得到给水硬度；
60.具体的，步骤s5以如图3所示的流程进行，包括如下步骤：
61.s51、对(0,h
max
](mmol/l)硬度范围内划分m个等间距采样点，记为 pi(i∈(0,m])，对每个采样点每次显色反应进行n次采样，记为p
imj
(j∈(0,n])，其中m表示注入第m次硬度显色剂。上述硬度范围中h
max
表示最大感兴趣水质硬度值，超过h
max
的硬度即为硬度超标。
62.s52、使用rgb和hsv颜色空间，分别计算不同显色次数的图像中r通道、g通道、b通道、h通道、s通道、v通道的值与相同显色次数的硬度
‑ꢀ
显色样本的多项式拟合值及其权重。
63.第m次显色的图像与第m次显色的硬度-显色样本各通道值的多项式拟合关系h
xm
计算式为：
[0064][0065]
其中，x表示各个通道(r、g、b、h、s、v通道)，y表示各个通道下的最高y阶多项式拟合，y可取不存在过拟合现象下的最小误差阶数，αn表示第n阶多项式拟合系数,xn表示当前检测水质图像的x通道n阶值。
[0066]
计算第i采样点第m次显色在每个通道中的权重。各通道第i采样点第m 次显色反应权重w
xim
计算式为:
[0067][0068]
其中,x表示各个通道(r、g、b、h、s、v通道)，表示第i采样点第 m次显色反应时x通道n次采样均值，表示第i采样点第j次采样x通道值。
[0069]
各通道在第m次显色反应下的权重w
xm
计算式为：
[0070][0071]
其中，p
(i-1)m
表示第i-1采样点的硬度值，p
im
表示第i采样点的硬度值，p
mm
表示第m采样点的硬度值，w
xmm
表示第m采样点的权重。
[0072]
s53、计算各个显色次数的图像与硬度-显色样本在r通道、g通道、b通道、h通道、s通道、v通道的综合拟合式及综合权重；
[0073]
各通道的综合拟合式h
x
为:
[0074][0075]
其中，k表示总显色反应次数，表示归一化后的x通道的第m次显色反应的权重，其计算式为:
[0076][0077]
其中，k表示总显色反应次数，w
xi
表示x通道的第i次显色反应的权重
[0078]
各通道的综合权重w
x
计算式为:
[0079][0080]
然后执行步骤s54、将每次显色的图像的r通道、g通道、b通道、h通道、s通道、v通道的综合拟合式根据其在各个通道的综合权重加权，根据映射关系得到总的给水硬度值：
[0081]
h＝wr·hr
+wg·
hg+wb·
hb+wh·hh
+ws·hs
+wv·
hv。
[0082]
通过步骤s5计算得到给水硬度的预测值后，根据硬度值进行闭环的硬度控制，执行步骤s6、根据给水硬度控制软化水设备反洗时的进水与排水时间，使在该给水硬度下、经过设定时间的进水和排水反洗软化水设备以后，锅炉给水的硬度符合硬度标准。
[0083]
具体的，步骤s6中，水质硬度范围以h1,h2,h3的三个水质硬度阈值分割为若干水质硬度等级，每个等级对应一个设定的进水和排水时间，使用该时间反洗软化水设备。
[0084]
其中，软化水设备反洗时的进水时间t
进
(s)与水质硬度h等级的对应关系为：
[0085][0086]
软化水设备反洗时的排水时间t
排
(s)与水质硬度h等级的对应关系为：
[0087][0088]
另外，若给水硬度超出设置的硬度范围或检测结果异常，还应在反洗软化水设备之后重新返回步骤s1进行新一轮检测，直到给水硬度回到设定范围内，或达到最大检测次数。
[0089]
完成检测后，打开锅炉给水阀对反应容器进行清洗。
[0090]
本实施例还提供一种基于机器视觉的水质硬度闭环调节装置，用于执行上述方法，其结构示意图如图4所示，具体如下：
[0091]
该装置包括控制器、反应池、给水阀、加药泵、相机、进水阀和排水阀。反应池作为上述方法中的反应容器，用于容纳锅炉给水和硬度显色剂，将锅炉给水和硬度显色剂混合为硬度指示混合液；给水阀用于向反应池注入锅炉给水；加药泵用于向反应池注入硬度显色剂；相机用于采集硬度指示混合液的图像；进水阀用于控制软化水设备反洗时的进水；排水阀用于控制软化水设备反洗时的排水；
[0092]
其中控制器选用raspberry pi 4b，与相机通过csi接口形成电气连接，并通过gpio接口与加药泵、给水阀、加药泵、软化水设备、进水阀、排水阀形成电气连接。
[0093]
控制器能够控制加药泵、给水阀、加药泵、进水阀和排水阀开关，接收相机采集的图像，并执行上述方法中对图像的修复和根据图像对给水硬度的预测，并根据给水硬度对软化水设备进行不同时长的反洗。
[0094]
装置还包括补光灯，同样与控制器连接，用于在相机拍摄硬度指示混合液的图像时补光。
[0095]
更进一步的，为了便于获取锅炉给水的硬度状态，并对装置进行控制，本装置中还包括上位机，控制器modbus信号以及pwm输出的4-20ma电流信号与上位机通信连接。通过控制器与上位机的通信连接，控制器将设备运行状态及水质检测的参数发送至上位机。另外，为了更直观及时的报告水质硬度信息，本装置中还包括工作指示灯、报警器、红灯和蓝灯，均与控制器电气连接。当装置的水质检测正常工作时，工作指示灯保持常亮。当控制器对硬度指示混合液的颜色识别为红色时，红灯亮，当颜色识别为蓝色时，蓝灯亮，当水质超标时，控制器使报警器进行报警。
[0096]
应当说明的是，上述实施例仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。