CN110361381B - 一种基于分子筛膜的色感酸碱测定装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于分子筛膜的色感酸碱测定装置和方法，属于化学测定装置领域，包括过滤容器、变色反应池和测定装置，测定装置包括图形采集单元、图像处理单元和数据存储单元；过滤容器的外壁由滤网构成，变色反应池的外壁由分子筛膜构成，多个变色反应池放置在过滤容器内；每个变色反应池内存放不同的酸碱变色指示剂，被多层滤网过滤后的被测溶液同时进入所有变色反应池；图形采集单元用于获取变色反应池中的图像信息，并将图像信息发送到图像处理单元；图像处理单元对图像信息进行处理，提取特征值，并与标准库比对，计算被测液体的pH值，将最终计算值发送到数据存储单元进行自动化存储。该装置和方法可实现溶液中pH值的快速准确测定。

Description

一种基于分子筛膜的色感酸碱测定装置和方法

技术领域

本发明属于化学测定装置技术领域，具体涉及一种基于分子筛膜的色感酸碱测定装置和方法。

背景技术

对溶液的酸碱程度用pH值(pH＝-lg[H⁺]，用来量度物质中氢离子的活性)表示。一般方法是通过人工比色目测法和电极法，然而这两种方法都有其各自的优缺点。

人工比色目测的方法，虽然操作简单方便，但是很容易受到光源、实验条件等因素的影响，造成人工视觉的主观误差，使得其pH值的准确度大大降低。而电极法中pH电极特别容易被污染，使之无法继续使用，导致测量结果出现失误。这就需要对电极不断进行清洗、除垢，消耗大量的能源和物质。目前，已有提出基于数字图像处理的pH试纸自动检测技术。然而，此方法依然会因为pH试纸质量、试纸酸碱指示剂(甲基红、溴甲酚绿、百里酚蓝等)成分比例和纯度、试纸浸水程度等因素干扰影响测试精度。

因此，本申请提出一种基于分子筛膜的色感酸碱测定装置。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于分子筛膜的色感酸碱测定装置和方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于分子筛膜的色感酸碱测定装置，包括过滤容器、多个变色反应池和测定装置，所述测定装置包括图形采集单元、图像处理单元和数据存储单元；

所述过滤容器的外壁由滤网构成，所述变色反应池的外壁由分子筛膜构成，多个所述变色反应池放置在所述过滤容器内；每个所述变色反应池内存放不同的酸碱变色指示剂，被多层滤网过滤后的被测溶液同时进入所有变色反应池；

所述图形采集单元用于获取所述变色反应池中的图像信息，并将图像信息发送到所述图像处理单元；

所述图像处理单元对图像信息进行处理，提取特征值，并与标准库比对，计算被测液体的pH值，将最终计算值发送到所述数据存储单元进行自动化存储。

优选地，所述过滤容器的外壁由至少两层滤网构成，所述变色反应池的外壁由至少两层分子筛膜构成。

优选地，所述滤网的孔径小于1mm，所述分子筛膜的孔径小于或等于5μm。

优选地，所述酸碱变色指示剂为酚酞或石蕊。

优选地，所述图形采集单元为带闪光的高清摄像头或图像传感器。

本发明的另一目的在于提供一种基于分子筛膜的色感酸碱测定方法，包括以下步骤：

步骤1、将多个所述变色反应池放入所述过滤容器中；

步骤2、在不同的所述变色反应池内放置不同的酸碱变色指示剂；

步骤3、将所述过滤容器和内置的所述变色反应池均放入被测溶液中；

步骤4、被测溶液依次穿过多层所述滤网，通过所述滤网剔除被测液体中的大颗粒杂质和团聚物形成一级过滤液体，所述一级过滤液体再依次穿过多层所述分子筛膜，通过所述分子筛膜去除大分子、粗粒子，剩余小粒子成分形成二级过滤液体，所述二级过滤液体进入所述变色反应池内并与不同的酸碱变色指示剂在所述变色反应池内反应变色；

步骤4、通过所述图形采集单元同时获取多个所述变色反应池内的颜色信息，并将获取的颜色信息发送给所述图像处理单元；

步骤5、所述图像处理单元对接收到的图像信息进行图像色彩强化处理，提取特征值，并与标准库比对；

步骤6、根据比对结果计算被测液体的pH值，将最终计算值发送到所述数据存储单元进行自动化存储。

优选地，所述步骤5中对接收到的图像信息进行图像色彩强化处理包括对图像进行中值滤波和均值滤波预处理，随后将RGB的颜色空间转换成HSV的颜色空间。

本发明提供的基于分子筛膜的色感酸碱测定装置和方法基于分子筛膜技术，采用多级不同类型、不同结构的分子筛膜分离，使测试液体的H+离子，进入设备内与不同酸碱指示剂产生变色反应，而同步测定装置，可实现色感酸碱测定的可行性、准确性、高效性和稳定性，同时发明酸碱变色反应指示剂可多种组合，适合多种酸碱环境的pH值测定，较pH试纸的显色更精确，液体环境测定，反应迅速，测试精度干扰因素较少(pH试纸易受试纸质量、试纸浸水程度等影响)，不同指示剂同时成像，计算机快速处理识别，强过肉眼比对，测定准确性高；可重复使用，外层滤网及内部反应池都可更换，替换下来的设备可通过超声波振荡等方式清洗，重新恢复使用性能，测定稳定性强。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于分子筛膜的色感酸碱测定装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1的基于分子筛膜的色感酸碱测定方法的流程图；

图3为RGB颜色模型；

图4为HSV颜色模型。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。

实施例1

本发明提供了一种基于分子筛膜的色感酸碱测定装置，具体如图1所示，包括过滤容器1、多个变色反应池2和测定装置，测定装置包括图形采集单元、图像处理单元和数据存储单元；

过滤容器1的外壁由滤网3构成，变色反应池2的外壁由分子筛膜4构成，多个变色反应池2放置在过滤容器1内；每个变色反应池2内存放不同的酸碱变色指示剂，被多层滤网3过滤后的被测溶液同时进入所有变色反应池2；其中，过滤容器1的外壁由至少两层滤网3构成，变色反应池2的外壁由至少两层分子筛膜4构成。滤网3的主要用途是防止被测液体的杂质和大颗粒团聚物进入滤网内，滤网3的孔径小于1mm。分子筛膜是一种可以实现分子筛分的膜材料，其具有与分子大小相当且均匀一致的孔径、离子交换性能、优良的择形催化性能和易被改性以及具有多种不同的类型与不同结构可供选择。分子筛膜4的主要用途有两个，其一是进一步过滤被测液体中的大分子、微粒、粒子，其二是防止变色反应池2内酸碱指示剂成分溢出变色反应池2。分子筛膜4的孔径根据变色反应池2成分和实际需要略有差异，但小于或等于5μm。本实施例中滤网3和分子筛膜4均选择两侧结构。

同时，图形采集单元用于获取变色反应池2中的图像信息，并将图像信息发送到图像处理单元；

图像处理单元对图像信息进行处理，提取特征值，并与标准库比对，计算被测液体的pH值，将最终计算值发送到数据存储单元进行自动化存储。

具体的，本实施例中，酸碱变色指示剂为酚酞或石蕊。

进一步地，本实施例中，图形采集单元为带闪光的高清摄像头或图像传感器(如CCD、CMOS等，有闪光器提供光补偿，保证图像颜色采集清晰)。

本实施例还提供一种基于分子筛膜的色感酸碱测定方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、将多个变色反应池2放入过滤容器1中；

步骤2、在不同的变色反应池2内放置不同的酸碱变色指示剂；

步骤3、将被测溶液泵入一个容器中，然后将过滤容器1和内置的变色反应池2均放入被测溶液中；

步骤4、被测溶液依次穿过多层滤网3，通过滤网3剔除被测液体中的大颗粒杂质和团聚物形成一级过滤液体，一级过滤液体再依次穿过多层分子筛膜4，通过分子筛膜4去除大分子、粗粒子，剩余小粒子成分形成二级过滤液体，二级过滤液体进入变色反应池2内并与不同的酸碱变色指示剂在变色反应池2内反应变色；

步骤4、通过图形采集单元同时获取多个变色反应池2内的颜色信息，并将获取的颜色信息发送给图像处理单元；

步骤5、图像处理单元对接收到的图像信息进行图像色彩强化处理，提取特征值，并与标准库(标准酸碱试剂校正值)比对；

步骤6、根据比对结果计算被测液体的pH值，将最终计算值发送到数据存储单元进行自动化存储。

进一步地，本实施例中，步骤5中对接收到的图像信息进行图像色彩强化处理包括对图像进行中值滤波和均值滤波预处理(去噪)，随后将RGB的颜色空间转换成HSV的颜色空间。其中，图像去噪处理采用中值滤波和均值滤波方法，提高颜色数据的准确性。

中值滤波是一种非线性的图像平滑方法，基本原理是将数字序列或图像里一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值替代，让四周的像素值接近真实值，从而消除掉孤立的噪声点。优于邻域平均之处在于它不仅像邻域平均一样可以抑制噪声，而且可以使边缘模糊效应大大降低，更适合于消除图像的孤立噪声点。其基本原理是把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个邻域中各点值的中值代换。设G(x,y)表示数字图像像素点的灰度值，滤波窗口为A的中值滤波器可以定义如下式：

滑动区域模版通常为3×3区域、5×5区域，也可以是不同的形状。

然后，把中值滤波后的图像再进行1次均值滤波。均值滤波是典型的线性滤波算法，基本原理是用均值代替原图像中三颜色分量的各个像素值，即对待处理的当前像素点(x，y)三颜色分量，选择一个模板，该模板由其近邻的若干像素组成，求模板中所有像素三颜色分量的均值，再把该均值赋予当前像素点(x，y)的红、黄、绿3种颜色分量，作为处理后图像在该点上的像素点g(x，y)三颜色分量。

即

其中，m为该模板所包含当前像素在内的像素总数。

图像颜色空间转换的原理如下：

高清摄像头采集到的图片一般是RGB色彩模式，即计算机定义颜色时红、绿、蓝(R、G、B)三种成分的取值范围是0～255，0表示没有刺激量，255表示刺激量达到最大值。R、G、B均为255时就合成了白色，R、G、B均为0时就合成了黑色。RGB模型是从物理学角度出发描述颜色，而HSV模型可以定量描述颜色对人眼的视觉作用，更适用于人的肉眼判断，是与人类对颜色的视觉感受最接近的颜色***。其中，在HSV颜色模型中，H表示色调(Hue)、S表示饱和度(Saturation)、V表示亮度(Value)。如图3和图4所示，颜色模型的建立基于两个重要的事实：①V分量与图像的彩色信息无关；②H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相连的。

从图像中一得到的RGB三色值，可以通过以下公式实现从RGB颜色空间到HSV颜色空间的转换：

给定RGB颜色空间的值(r，g，b)，则变换到HSV空间的(h，s，v)值，可设v′＝max(r，g，b)，定义r′，g′，b′为：

r′＝(v′-r)/(v′-min(r，g，b))

g′＝(v′-g)/(v′-min(r，g，b))

b′＝(v′-b)/(v′-min(r，g，b))

则有V＝v′/255，S＝(v′-min(r，g，b))/v′

H＝H′×60

这里r，g，b∈[0，255]，H∈[0，360]，S∈[0，1]，V∈[0，1]。

本实施例预设有变色反应指示剂标准pH值溶液的HSV颜色比色表(每一种指示剂都有一个比色表，每一个pH值对应着相应酸碱变色指示剂颜色的HSV颜色空间的H和S分量)。根据图像处理后获得的H和S分量可在比色表里获得与标准比色最接近的pH数值。

因不同的颜色指示剂其酸碱值的指示范围不同，其对pH值颜色的可分辨精度也存在差异。同时多个变色指示剂对应比色标可用于交叉确认，提高被测液体pH值的测定精度。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于分子筛膜的色感酸碱测定装置，其特征在于，包括过滤容器(1)、多个变色反应池(2)和测定装置，所述测定装置包括图形采集单元、图像处理单元和数据存储单元；

所述过滤容器(1)的外壁由滤网(3)构成，所述变色反应池(2)的外壁由分子筛膜(4)构成，多个所述变色反应池(2)放置在所述过滤容器(1)内；每个所述变色反应池(2)内存放不同的酸碱变色指示剂，被多层滤网(3)过滤后的被测溶液同时进入所有变色反应池(2)；

所述图形采集单元用于获取所述变色反应池(2)中的图像信息，并将图像信息发送到所述图像处理单元；

所述图像处理单元对图像信息进行处理，提取特征值，并与标准库比对，计算被测液体的pH值，将最终计算值发送到所述数据存储单元进行自动化存储。

2.根据权利要求1所述的基于分子筛膜的色感酸碱测定装置，其特征在于，所述过滤容器(1)的外壁由至少两层滤网(3)构成，所述变色反应池(2)的外壁由至少两层分子筛膜(4)构成。

3.根据权利要求2所述的基于分子筛膜的色感酸碱测定装置，其特征在于，所述滤网(3)的孔径小于1mm，所述分子筛膜(4)的孔径小于或等于5μm。

4.根据权利要求1所述的基于分子筛膜的色感酸碱测定装置，其特征在于，所述酸碱变色指示剂为酚酞或石蕊。

5.根据权利要求1所述的基于分子筛膜的色感酸碱测定装置，其特征在于，所述图形采集单元为带闪光的高清摄像头或图像传感器。

6.一种根据权利要求1至5任一项所述的基于分子筛膜的色感酸碱测定装置的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将多个所述变色反应池(2)放入所述过滤容器(1)中；

步骤2、在不同的所述变色反应池(2)内放置不同的酸碱变色指示剂；

步骤3、将所述过滤容器(1)和内置的所述变色反应池(2)均放入被测溶液中；

步骤4、被测溶液依次穿过多层所述滤网(3)，通过所述滤网(3)剔除被测液体中的大颗粒杂质和团聚物形成一级过滤液体，所述一级过滤液体再依次穿过多层所述分子筛膜(4)，通过所述分子筛膜(4)去除大分子、粗粒子，剩余小粒子成分形成二级过滤液体，所述二级过滤液体进入所述变色反应池(2)内并与不同的酸碱变色指示剂在所述变色反应池(2)内反应变色；

步骤4、通过所述图形采集单元同时获取多个所述变色反应池(2)内的颜色信息，并将获取的颜色信息发送给所述图像处理单元；

步骤5、所述图像处理单元对接收到的图像信息进行图像色彩强化处理，提取特征值，并与标准库比对；

步骤6、根据比对结果计算被测液体的pH值，将最终计算值发送到所述数据存储单元进行自动化存储。

7.根据权利要求6所述的基于分子筛膜的色感酸碱测定方法，其特征在于，所述步骤5中对接收到的图像信息进行图像色彩强化处理包括对图像进行中值滤波和均值滤波预处理，随后将RGB的颜色空间转换成HSV的颜色空间。

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