Способ измерения размера капель масла
METHOD OF MEASURING SIZE OF OIL DROPS

Предлагаемое изобретение относится к области анализа материалов с помощью оптических средств и вычислительных машин, комбинированных с другими машинами, предполагающих компьютерную обработку результатов.
9
22
Известен способ капиллярной дефектоскопии (Авт.св. СССР № 1350569 G01N 21/91, опубликовано 1987 г.), заключающийся в том, что на контролируемую поверхность наносят пенетрант, выдерживают, затем удаляют очищающей жидкостью парафиновых углеводородов состава. С-С, высушивают, наносят проявитель и после выдержки осматривают поверхность в обычном или ультрафиолетовом свете.
Известен способ определения элементного состава капельных жидкостей (патент РФ № 2655629, G01N 21/67, опубликовано 29.05.2018), включающий возбуждение плазменного разряда, доставку в зону разряда частиц анализируемой жидкости, регистрацию и обработку спектров излучения анализируемой жидкости, возбуждение плазменного разряда проводят при атмосферном давлении, основными носителями заряда в плазме являются электроны, генерируемые катодом плазменной горелки или каким-либо другим источником заряженных элементарных частиц.
Известен способ определения размера капель в аэрозоле (патент РФ № 2569926 G01N 15/02, опубликовано 10.12. 2015 г.). Измеряется размер реальной капли, движущиеся в потоке воздуха. При этом происходит распыление жидкости в воздушной среде, а поток аэрозоля направляется в фокальную плоскость объектива микроскопа, подсвеченную излучением лазера, подсвеченные лазером капли, регистрируются видеосистемой микроскопа в виде отдельных треков, где ширина трека - суть размер капли, а его длина пропорциональна длительности экспозиции и скорости движения капли. Размер капель оценивается по ширине треков с учетом изображения мерной линейки, сделанном при том же увеличении, что и фото треков капель аэрозоля. Капли подсвеченные лазером на видеоизображении дают треки, ширина которых равна диаметру капель, а длина - пропорциональна времени экспозиции.
Ближайшим аналогом является способ экспрессного определения дисперсного состава аэрозоля / Патент РФ № 2287805 G01N 21/91, опубликовано 20.11.2006 г./. В способе устанавливают зависимость веса и диаметра частиц аэрозоля от диаметра отпечатков этих частиц на подложке, сканируют фиксирующую индикаторную подложку с нанесенными частицами аэрозоля для получения контрастного изображения и используют компьютеризированную систему обработки видеоизображений фиксирующих индикаторных подложек с нанесенными частицами аэрозоля. Для регистрации видеоизображений применяют цифровые фотоаппараты или сканеры с переменным дискретным разрешением, что позволяет расширить диапазон определяемых размеров частиц аэрозоля.
Недостатком известных способов является необходимость учета расплывания капель на подложке и сложность учета влияния физико-химических свойств жидкости, смачивающей подложка, на результаты измерения отпечатков капель аэрозоля.
Задачей предполагаемого изобретения является создание способа, позволяющего избавиться от твердых подложек, позволяющее сделать качественные фотографии капель под микроскопом, оценить размеры капель и построить их распределение.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения размера капель масла в аэрозоле путем отбора проб аэрозоля на фиксирующие индикаторные подложки, регистрации частиц аэрозоля с последующей статистической обработкой результатов с использованием компьютеризированной системы обработки видеоизображений, согласно изобретению, поток капель распыляемого масла осаждают на поверхностно-активное вещество (ПАВ), помещенное в плоскую кювету типа чашки Петри, а в качестве ПАВ используют моющее средство, состоящее на 5-15% из анионных ПАВ.
Способ осуществляется следующим образом:
Способ осуществляется с помощью устройства, показанного на Фиг.1., где масло - 1, распыляемое с помощью ультразвукового распылителя - 2, в плоскую кювету типа чашки Петри с ПАВ - 3.
В качестве ПАВ используется моющее средство, состоящее на 5-15% из анионных ПАВ (Торговая марка Pril).
ПАВ наливается в чашку Петри слоем в 8-10 мм, отстаивается в течение небольшого промежутка времени для удаления больших пузырьков воздуха, мелкие пузырьки воздуха удаляются механически с помощью шприца. Затем чашку Петри с ПАВ помещают под струей распыляемого масла, на расстояние 20-30 мм. По истечению 10-15 секунд чашку Петри убирают из-под струи, помещают под микроскоп и проводят фотосъемку областей с каплями масла.
Чашки под распылителем устанавливают под потоком распыляемого масла на разном расстоянии от распыляющей иглы, при этом размер капель не зависит от удаления чашки от распылителя.
Цена деления микроскопа 10 мкм. Толщина стенки капли на фотографии может составлять до 10 мкм для крупных капель; оценка размера (диаметра) проводилась по внешнему диаметру капли.
Капля масла, попадая на поверхность концентрированного ПАВ «запирается» полярными группами ПАВ сохраняя сферическую форму. Использование густого моющего средства с долей 5-15% анионного ПАВ позволяет стабилизировать капли масла и проводить оценку их размера, густотой моющего средства устраняется эффект механического сливания капель, а за счет воздействия полярных групп ПАВ, капли масла удерживаются в сферической форме продолжительное время.
Пример получаемых фотографий капель масла представлен на Фиг. 2.
а) фотография капель масла и пузырька воздуха в ПАВ под микроскопом;
б) фотография, сделанная при распылении в приближенной к распылителю области;
в) фотография, сделанная при распылении на максимальном удалении от распылителя.
В предварительном эксперименте было проведено 5 измерений по 10 фотографиям, каждое измерение на двух различных частотах - 21 130 Гц и 30 170 Гц для масла МС8П. Жидкость поступала в распылитель со скоростью 113 мкл/мин, расход транспортирующего газа (воздух) - 0.2 л/мин.
Оценен средний размер (диаметр) капель, который составил 14.48 мкм и 23.44 мкм для частот 30 170 Гц и 21 130 Гц, соответственно. Максимальные размеры капель составили 40 мкм и 50 мкм, соответственно.
Полученные распределения капель представлены на Фиг. 3,
где:
а) - распределение капель по размеру при распылении МС8П на частоте 20, 130 кГц,
б) - на частоте 30, 170 кГц.
в) фотография, сделанная при распылении на максимальном удалении от распылителя.
Для автоматизированного измерения размеров капель масла по фотографиям с ПАВ, полученных с помощью микроскопа, разработана версия программного обеспечения.
Алгоритм измерения заключается в переводе исходного цветного изображения в черно-белый формат согласно заданной границе. Далее попиксельно сравниваются все участки изображения, которые могут содержать капли с заранее заданным изображением капли. В зависимости от количества совпавших пикселей, отмечается присутствие или отсутствие в участке капли. Найденные капли отмечаются цветными квадратами.
Программа работает с исходными изображениями в форматах BMP, JPG, PNG.
Программой производится первичная обработка изображения с целью выделения участка, содержащего капли. Результат представлен на Фиг. 4а. Далее при помощи фильтров Собеля и Гаусса определяются контуры капель Фиг. 4б, которые затем заполняются цветом Фиг. 4в. Затем проводится обсчет площадей морфологически замкнутых областей цвета. Эти площади пропорциональны размеру капель. Коэффициент пропорциональности задается вручную заранее. При его расчете используются размеры шкалы микроскопа на исходном изображении в пикселях.
Весь алгоритм применяется для указанного пользователем набора изображений. По результатам анализа для каждого изображения записывается выходное изображение с промежуточными этапами анализа, а также для всего набора изображений выводится средний размер и гистограмма размеров (радиусов) капель в мкм.
Таким образом достигается технический результат, который заключается в упрощение процесса и увеличение точности измерения размеров отдельных частиц.