TWI421485B - 量測液體中懸浮顆粒沉澱特性的系統及方法 - Google Patents

Description

量測液體中懸浮顆粒沉澱特性的系統及方法

本發明係關於一種量測水質的系統及方法，特別係關於一種量測液體中懸浮顆粒沉澱特性的系統及方法。

懸浮顆粒(suspended solids)為水中的固態小型膠體顆粒，其表面常攜帶污染物質或病原體。因此，懸浮顆粒為污水處理程序中的主要去除對象，而懸浮顆粒本身及其各種顆粒大小的分布情形即為反映水質良莠的重要參數。

污水處理的成效，主要取決於懸浮顆粒的去除程度，而各處理單元內進出水流變化，皆會影響其處理成效。因此，有必要即時掌控各處理單元的進出流的水質資訊，以調整操作水流的策略。在不同的處理程序中，懸浮顆粒的性質會有所不同，可藉由分析懸浮顆粒的沉澱變化情形，掌控生物反應槽、化學混凝槽及沉澱池的水質變化情形，以調整不同處理單元的操作策略，而得到良好的出流水質，且可節省不必要的成本耗費，並提高污水處理的效率。

目前評估污水中懸浮顆粒沉澱的方式，大多採用沉降試驗與污泥容積指標(Sludge Volume Index，SVI)來做判斷，其中，沉降試驗為使用量筒或可分層取水樣之沉降試驗瓶，而污泥容積指標則主要利用尹霍夫瓶(Imhoff cone)觀察污泥沉澱而得到污泥容積指標，以了解水樣中污泥沉積或沉澱情形。然而，進行沉降試驗時，需要在整體沉澱過程中，分層取出水樣，而放置於量測容器內，因而會影響懸浮顆粒的沉澱特性，使得量測結果與實際情況有所差異。再者，由於水樣須經過一段放置時間(例如30分鐘)，才可獲得量測結果，並無法即時了解水質的變化，且該結果所反應的沉澱資訊十分有限。

另有混合液懸浮顆粒分析儀(MLSS sensor)或污泥界面計，可即時量測各種深度的懸浮顆粒濃度，並可將懸浮顆粒濃度隨時間變化情形換算為顆粒移動的通量，以評估各深度懸浮顆粒的沉澱速度，以了解其沉澱行為。然而，此類感測裝置僅能一次對特定深度進行單點量測。若欲同時了解整體的懸浮顆粒沉澱資訊，須同時於水中不同深度設置多組感測裝置，則造成設置及維護的成本甚高，且亦會影響到水中懸浮顆粒的沉澱性質。

職是之故，發明人鑑於上述習知技術中，難以即時量測水中各深度懸浮顆粒之沉澱性質，懸浮顆粒特性在量測過程中受到影響，以及沉澱資訊不足等問題，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「量測液體中懸浮顆粒沉澱特性的系統及方法」，得以克服上述問題，以下為本案之簡要說明。

有鑑於先前技術之問題，發明人經反覆思考後，提出本發明量測液體中懸浮顆粒沉澱特性的系統及方法。本發明主要利用影像感測方式，量測液體的透光強度變化，以評估液體中懸浮顆粒的沉澱特性。藉由本發明，可在不影響懸浮顆粒沉澱特性且可有效控制人力及成本的情形下，即時監測水樣的懸浮顆粒，而得到更為詳細的資訊，包括懸浮顆粒濃度、各深度懸浮顆粒隨時間變化的分布情形及其沉澱速度、平均沉澱速度等。此外，本發明亦可進一步發展為自動控制之量測系統及方法，可獲得較習知技術更為詳細的懸浮顆粒沉澱特性資訊。

本發明之第一構想在於提供一種液體懸浮顆粒沉澱特性量測系統。此液體懸浮顆粒沉澱特性量測系統包含一發光單元、一第一影像感測單元及一液體容置單元。該發光單元，用於提供一光線。該液體容置單元，用於容置一待測液體。該液體容置單元設置於該發光單元與該第一影像感測單元之間，且具有相對於該發光單元的一第一透光壁及相對於該第一影像感測單元的一第二透光壁，則該光線穿透該待測液體的強度變化可於該影像感測單元進行感測，而得到一影像資料，以轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。

較佳地，該系統另包含一第二影像感測單元。其中，該液體容置單元另具有一第三透光壁，該第三透光壁連接於該第一透光壁及該第二透光壁，且相對於該第二影像感測單元，則該光線在該待測液體散射的強度變化可於該第二影像感測單元進行感測，而得到另一影像資料，以轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。

較佳地，該發光單元包含複數個發光二極體(light emitting diode)。

較佳地，該發光單元是面光源(surface light source)。

較佳地，該發光單元包含一箱體、複數個發光二極體及至少一擴散膜(diffusion film)。該箱體具有複數個內壁，該等內壁皆為反射面。該等發光二極體，設置於其中至少一內壁，以提供該光線。該至少一擴散膜，設置於該箱體，以令該光線可穿透該至少一擴散膜而相對地均勻發射至該液體容置單元。

較佳地，該光線為紅外光。

較佳地，該第一與第二影像感測單元為網路攝影機(Webcam)。

較佳地，該影像感測單元係包含一矩陣式影像感測元件。

較佳地，該矩陣式影像感測元件為電荷耦合元件或互補式金屬氧化物半導體元件。

較佳地，在該液體容置單元中，該等透光壁材質為玻璃或石英。

較佳地，在該液體容置單元中，該等透光壁以外的內壁皆為非透光壁。

較佳地，該等非透光壁的材質為黑色的壓克力。

較佳地，該等液體容置單元係包含一第一槽區、一第二槽區及一空槽區。該第一槽區係用於容置一待測液體；該第二槽區係用於容置一基準液體，位於該第一槽區之一側；該空槽區，位於該第一槽區之另一側。其中，該第二槽區及該空槽區係用於協助修正及校正該影像資料。

本發明之第二構想在於提供一種液體懸浮顆粒沉澱特性量測系統。此液體懸浮顆粒沉澱特性量測系統包含一發光單元、一第一影像感測單元、一液體容置單元及一分析單元。該發光單元，用於提供一光線。該液體容置單元，用於容置一待測液體。該液體容置單元設置於該發光單元與該第一影像感測單元之間，且具有相對於該發光單元的一第一透光壁及相對於該第一影像感測單元的一第二透光壁。藉此，該光線穿透該待測液體的強度變化可經於該第一影像感測單元進行感測，而得到一影像資料。該分析單元連接於該第一影像感測單元，用以分析該影像資料，以轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。

較佳地，該系統另包含一第二影像感測單元，連接於該分析單元。其中，該液體容置單元另具有一第三透光壁，該第三透光壁連接於該第一透光壁及該第二透光壁，且相對於該第二影像感測單元，則該光線在該待測液體散射的強度變化可於該第二影像感測單元進行感測，而得到另一影像資料，以藉由該分析單元轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。

較佳地，該分析單元係用以將該影像資料轉換為灰階值資料。

較佳地，該分析單元係進一步用以將該灰階值資料轉換為該待測液體的吸光度資料，以評估該待測液體中懸浮顆粒濃度資料。

較佳地，該影像感測單元係包含一矩陣式影像感測元件，而由該些影像感測單元得到的該影像資料為一矩陣式影像資料。該分析單元係用以將該矩陣式影像資料轉換為矩陣式灰階值資料，以將該矩陣式灰階值資料中各位置的灰階值變化轉換為該待測液體中各深度的懸浮顆粒分布資料。

本發明之第三構想在於提供一種量測液體中懸浮顆粒沉澱特性的方法。此方法包含下列步驟：(a)提供光線穿透液體的強度變化與液體中懸浮顆粒濃度之一關係；(b)感測一光線穿透一待測液體後的強度變化，以得到一影像資料；及(c)利用該關係，令該影像資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。

較佳地，在(b)步驟中，係利用紅外光穿透該待測液體。

較佳地，在(b)步驟中，利用一面光源提供該光線，以令該光線均勻地穿透該待測液體。

較佳地，在(c)步驟中，先將該影像資料轉換為與該強度變化相關的灰階值資料，且利用基於該關係而建立的一關係式，令該灰階值資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。

較佳地，在(c)步驟中，令該灰階值資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒濃度資料。

較佳地，在(b)步驟中，係得到一矩陣式影像資料。在(c)步驟中，利用該灰階值資料中各位置的灰階值變化，轉換為該待測液體中各深度的懸浮顆粒分布資料。

較佳地，在(c)步驟中，將呈現該待測液體部份的該灰階值資料，自液面至底部分為複數個切片層，自頂層切片層向下逐層累加各層之灰階值總和，將該等經累加之灰階值總和分別除以該灰階值資料所有切片層的灰階值總和，而得到各深度的累加分布群之懸浮顆粒分布資料。

較佳地，在(b)步驟中，在一設定時期中，週期性地擷取該待測液體隨時間變化的影像資料。在(c)步驟中，得到該等累加分布群之懸浮顆粒隨時間變化的分布資料。

較佳地，在(c)步驟中，利用該等累加分布群之懸浮顆粒隨時間變化的分布資料，以計算該等累加分布群之懸浮顆粒的沉澱速度。

較佳地，利用該等沉澱速度以計算該待測液體中懸浮顆粒的平均沉澱速度。

本發明之第四構想在於提供一種量測液體中懸浮顆粒沉澱特性的方法。此方法包含下列步驟：(a)提供光線散射自液體的強度變化與液體中懸浮顆粒濃度之一關係；(b)感測一光線散射自一待測液體後的強度變化，以得到一影像資料；及(c)利用該關係，令該影像資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。

較佳地，在(b)步驟中，係利用可見光散射自該待測液體。

較佳地，在(b)步驟中，利用一面光源提供該光線，以令該光線均勻地進入該待測液體。

較佳地，在(c)步驟中，先將該影像資料轉換為與該強度變化相關的灰階值資料，且利用基於該關係而建立的一關係式，令該灰階值資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。

較佳地，在(c)步驟中，令該灰階值資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒濃度資料。

較佳地，在(b)步驟中，係得到一矩陣式影像資料。在(c)步驟中，利用該灰階值資料中各位置的灰階值變化，轉換為該待測液體中各深度的懸浮顆粒分布資料。

較佳地，在(c)步驟中，將呈現該待測液體部份的該灰階值資料，自液面至底部分為複數個切片層，自頂層切片層向下逐層累加各層之灰階值總和，將該等經累加之灰階值總和分別除以該灰階值資料所有切片層的灰階值總和，而得到各深度的累加分布群之懸浮顆粒分布資料。

較佳地，在(b)步驟中，在一設定時期中，週期性地擷取該待測液體隨時間變化的影像資料。在(c)步驟中，得到該等累加分布群之懸浮顆粒隨時間變化的分布資料。

較佳地，在(c)步驟中，利用該等累加分布群之懸浮顆粒隨時間變化的分布資料，以計算該等累加分布群之懸浮顆粒的沉澱速度。

較佳地，利用該等沉澱速度以計算該待測液體中懸浮顆粒的平均沉澱速度。

本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。

在本文中，術語「懸浮顆粒」意指存在於液體(例如污水之水樣)中的懸浮性顆粒，通常呈固態小型膠體顆粒狀。

在本文中，術語「懸浮顆粒沉澱特性」意指懸浮顆粒在沉澱過程中所呈現的特性，其涵蓋(但不限於)懸浮顆粒的濃度、各沉澱速度群的懸浮顆粒組成及分布、各群組的沉澱速度及整體平均沉澱速度等。

由於液體中的懸浮顆粒本身具有吸光特質，本發明主要利用比爾-蘭伯特(Beer-Lambert)定律，利用液體吸光度與液體中懸浮顆粒濃度呈正比的原理，推算液體中懸浮顆粒的濃度及沉澱分布特性。

A=abc

A：量測之吸收光譜強度(吸光度)

a：吸光係數

b：光徑長度

c：水中物質濃度

為求即時取得待測液體整體及各深度的懸浮顆粒資料，本發明主要利用光線穿透待測液體，利用影像感測方式獲得待測液體透光強度隨時間變化的影像資料，並從與液體透光度/吸光度相關的灰階值變化，推算出待測液體中各深度的懸浮顆粒濃度變化及沉澱特性。

再者，由於液體中的懸浮顆粒本身亦具有散射特質，本發明亦可進一步利用散射光線強度與液體中懸浮顆粒濃度的關係，推算液體中懸浮顆粒的濃度及沉澱分布特性。

請參考第1圖，其為本發明較佳實施之液體懸浮顆粒沉澱特性量測系統配置示意圖。本發明量測系統包含一發光單元1、一液體容置單元3及一影像感測單元2a。其中，該液體容置單元3設置於該發光單元1及該影像感測單元2a之間，如第1(b)圖。因此，該發光單元1所提供的一光線，可穿透該液體容置單元3，而於該影像感測單元2a進行感測。

為量測一待測液體，如來自污水廠沉澱池的水樣的水質，可評估該待測液體中的懸浮顆粒濃度及沉澱分布情形。將該待測液體容置於該液體容置單元3內，再利用該影像感測單元2a感測該光線穿透該待測液體的強度變化，而得到一影像資料。

此外，本發明量測系統可另包含一影像感測單元2b。可利用該影像感測單元2b感測該光線自該待測液體散射的強度變化，而得到另一影像資料。

為便於分析感測結果，此系統另可配置一分析單元4，連接於該影像感測單元2a或2b，用以分析該些影像資料，可根據比爾-蘭伯特定律，將其轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料，例如濃度及其它沉澱特性等。

為充份實施本發明，茲進一步說明本發明較佳實施的量測液體中懸浮顆粒之系統及方法如後：

本發明的系統配置 (1)發光單元：

由於進行量測時，環境光源、懸浮顆粒顏色及水色度等因素，會對可見光的透光度/吸光度造成影響。因此，為量測該待測液體的穿透光，該發光單元可提供紅外光，其中以波長為850nm的紅外光為較佳。此外，該發光單元亦可提供可見光，以量測該待測液體的散射光。

由於進行量測時，該光線需以一致的發光強度均勻穿透整個液體容置單元3，以避免該光線以不同強度穿透液體不同位置而有極大的誤差。請參考第2圖，為達良好發光效果，可採用複數個發光二極體13，例如以紅外光之發光二極體作為光線來源，設置於該發光單元1，以提供充分的光源強度。為求提供更為均勻的光線強度，可採用面光源作為該發光單元。

該發光單元1可具有一箱體11b、複數個發光二極體13及一擴散膜14(diffusion film)。該箱體11b具有複數個內壁12，該等內壁皆為反射面，其中以鏡面為較佳。該等發光二極體13可設置於其中至少一內壁12，則該光線可經由該反射面而反射。另外，可設置該擴散膜14於該箱體11b相應於設置發光二極體之內壁12的一表面，令該光線穿透該擴散膜14而相對地均勻發射至該液體容置單元3。較佳地，該發光單元1可設有二道擴散膜14及15，亦即，可設置另一箱體11a及該擴散膜15於箱體11b之前，令該光線分別穿透該等擴散膜14及15而發射至該液體容置單元3，則該發光單元1的發光強度更為均勻。

(2)液體容置單元：

請繼續參考第1圖，該液體容置單元3可呈管柱槽體狀，用以盛裝該待測液體。該液體容置單元3具有相對於該發光單元1的一第一透光壁31a及相對於該影像感測單元2a的一第二透光壁31b，則使該光線可進入該待測液體而後於該影像感測單元2a進行感測。

較佳地，該液體容置單元3另具有一第三透光壁31c，該第三透光壁31c連接於該第一透光壁31a及該第二透光壁31b，且相對於該影像感測單元2b，則該光線在該待測液體散射的強度變化可於該影像感測單元2b進行感測，而得到另一影像資料，以轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。

該等透光壁31a、31b、31c的材質較佳為玻璃或石英。為避免其他的光線干擾源，該等透光壁31a、31b、31c以外的內壁皆為非透光壁32，由不透光且不反光的材質構成，其材質較佳為黑色的壓克力。詳細的說，在穿透光路徑通過該液體容置單元3的表面為該些透光壁31a及31b，即該液體容置單元3的前後表面為該些透光壁31a及31b，而該液體容置單元3的側表面可為供散射光通過的該透光壁31c及該非透光壁32。

如上所述，該液體容置單元3可設計為三個透光面，分別相對於該發光單元1，相對於該影像感測單元2a以及連接上述二透光面而相對於該影像感測單元2b。

舉例而言(但不限定於此)，在該液體容置單元的內部空間長度為5公分。

該液體容置單元3可設計為三個槽區，分別為一第一槽區、一第二槽區及一空槽區，各槽區可呈(但不限定於)方形或矩形管柱，以達一致的光徑長度。該第一槽區係用於容置上述待測液體，以量測該待測液體中懸浮顆粒相關資料；該第二槽區係用於容置一基準液體，例如純水；該空槽區未填裝任何液體。因此，該第二槽區及該空槽區可用於分別協助修正穿透光量測時之清水及空氣干擾，以修正及校正上述影像資料。該等槽區可彼此鄰接，而該光線以相同強度均勻穿透該等槽區。

舉例而言(但不限定於此)，在該液體容置單元3的三個槽區中，每一個槽區可為80公分高，前後透光壁31a、31b為透明玻璃材質，厚度各為0.3公分。其內部空間個別之長度為5公分，寬度為3公分。

(3)影像感測單元

該影像感測單元2a或2b需感測該液體容置單元3之整體的光線穿透或散射強度，並充分捕捉到因該待測液體中懸浮顆粒影響到的光線穿透或散射變化，故通常需要高度的影像解析度。較佳地，該影像感測單元2a或2b包含一矩陣式影像感測元件，較佳係包含電荷耦合元件(charge-coupled device，簡稱CCD)或互補式金屬氧化物半導體元件(complementary metal-oxide semiconductor，簡稱CMOS)。

為節省系統配置上的成本，可使用一網路攝影機(Webcam)，可在設定時間內連續擷取多張影像，以動態地呈現該待測液體中懸浮顆粒沉澱的變化。較佳地，為達充份的解析度，可上下設置二個網路攝影機，分別感測該液體容置單元3的上2/3及下2/3部分。

(4)分析單元

該分析單元4主要用於執行分析運算功能，以分析上述影像資料。為維持本發明量測系統的正常運作，並希望能暫時儲存量測過程中所取得的影像資料，且於完成量測後進行影像資料分析，可使用一台個人電腦作為該分析單元4，則穩定性高，且具有足夠的分析運算速率及儲存空間。

量測液體中懸浮顆粒的過程與結果

第3至9圖為本發明較佳實施之流程及相關數據，主要以穿透光量測液體中懸浮顆粒為例。然而，本發明亦可利用散射光以類似的操作原理或流程進行量測，且本發明實施並不限於此。

請參閱第3圖，其為本發明較佳實施之量測系統的運作流程圖。

於步驟S101：開始進行量測時，先設定批次量測時間，例如為30分鐘，並開啟上述發光單元1以提供光線，其中光線可例如為紅外光，開啟上述影像感測單元2a以進行量測動作。

步驟S102：將該待測液體注入上述液體容置單元3，可利用幫浦或其他手段，儘可能避免因過度搖晃或攪拌而影響該待測液體本身性質。

步驟S103：停止注入該待測液體。

步驟S104：開始取得該影像資料並進行分析，其係利用該影像感測單元2a以取得該影像資料。

步驟S105：達設定之批次實驗時間。

步驟S106：排出該待測液體並用清水清洗該液體容置單元3。

步驟S107：確認該液體容置單元3是否徹底清洗乾淨。

步驟S108：結束量測。

要說明的是，完成步驟S107之後，若以清洗乾淨，則執行步驟S108以結束量測；若尚未清洗乾淨，則繼續之前的步驟S106以排出液體並清洗液體容置單元，以確保下回實驗的準確性。

1.　液體中懸浮顆粒濃度之量測

進行分析時，首先利用上述分析單元4將該影像資料轉換為灰階值資料，灰階值變化會反映該光線穿透該待測液體或者自該待測液體散射的強度變化。當穿透或散射光線愈強時，則灰階值愈高；反之，則灰階值愈低。因此，該灰階值資料便可用以推算該待測液體的透光度，並進一步推算其吸光度，再根據比爾-蘭伯特定律將其轉而換算為該待測液體中懸浮顆粒濃度資料。

因此，為了量測液體中懸浮顆粒，可提供光線穿透液體的強度變化與液體中懸浮顆粒之一關係，例如比爾-蘭伯特定律，而後感測光線穿透待測液體後的強度變化，以得到影像資料，再利用該關係將上述影像資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。較佳地，可利用該關係，經過本發明裝置的反覆測試及校正，而建立灰階值與懸浮顆粒濃度的一關係式，將上述灰階值資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。

請參閱第4圖，其係利用本發明系統獲得不同懸浮顆粒濃度之吸光度與光徑距離之關係圖。依不同光徑距離(自0.3至1.8公分)，顆粒濃度69mg/L、80mg/L及99mg/L的迴歸線之R² 值分別為0.9807、0.9957及0.9945。此結果符合比爾-蘭伯特定律，不同懸浮顆粒濃度的吸光度係隨光徑距離增加而升高。再者，顆粒濃度愈高，則吸光率愈高，此現象可用以作為顆粒濃度定量之依據。

2.液體中懸浮顆粒的其它沉澱特性之量測

經過進一步測試，發現利用上述量測系統及方法，除了量測上述的懸浮顆粒濃度之外，亦可觀察水樣中不同種類的懸浮顆粒之各種沉澱資訊，且可隨時間變化而監測諸如各種類顆粒的組成、分布及沉澱速度等資訊。

第5至9圖主要係表示本發明較佳實施之量測液體中懸浮顆粒沉澱特性的流程或結果。此實施例主要利用配置有上述發光單元1、液體容置單元3及影像感測單元2a的系統，而量測液體中懸浮顆粒的沉澱資訊。

利用上述影像感測單元2a，尤其利用具有矩陣式影像感測元件，例如網路攝影機進行感測，可得到一矩陣式影像資料，故可從矩陣式的影像變化中即時了解懸浮顆粒分布的狀態。因此，可利用該灰階值資料中各位置的灰階質變化，轉換為該待測液體中各深度的懸浮顆粒分布資料。

請參閱第5圖，其為本發明較佳實施之影像資料分析流程圖。

步驟S201：開始進行分析時，可使用網路攝影機，例如採用1600×1200像素(pixels)之解析度，使1600像素寬度部份對應於該液體容置單元3的高度部份。

步驟S202：以每秒三張之頻率進行拍攝，動態地感測該待測液體的懸浮顆粒變化。如上所述，可設置上下二個網路攝影機，使得影像擷取區域有良好的解析度，且上下感測區域重疊的部份，亦可用以彼此比對資料是否一致。

步驟S203：從取得的影像資料中，設定切片寬度，使其對應影像中管柱寬。

步驟S204：以固定的高度將每張影像分為複數個切片層。以10像素為每個切片層的高度，則將可將每張影像資料分成160個切片層。

步驟S205：分析每張影像中每個切片層中每個像素的灰階值。

步驟S206：修正每個切片層中的極端值。

步驟S207：加總每個切片層的所有像素之修正後灰階值。

步驟S208：儲存每張影像中每個切片層之總和灰階值，則每張影像有160筆數據資料。

步驟S209：經過上述步驟，則結束初步的影像分析過程。

請參閱第6圖，其為各種懸浮顆粒不同沉澱速度分佈與組成計算示意圖。以第6圖為例，為分析該待測液體中不同沉澱速度群的組成及分布，假設將待測液體部份由頂層至底層分為160個切片層L1至L160，則每個切片層各別具有不同沉澱速度之懸浮顆粒群。

在進行量測的初始時間點(t=0)，該等切片層L1至L160分別具有G₁ 至G₁₆₀ 之懸浮顆粒含量，則G₁ +G₂ +G₃ +...+G₁₆₀ =G_t 是為初始時總懸浮顆粒含量。該等懸浮顆粒群會隨者時間變化而向下沉澱，故影響每個切片層的顆粒含量。假設在t₁ 時間點(t=t₁ )，該等切片層L1至L160則分別具有G₁ ^t1 至G₁₆₀ ^t1 之懸浮顆粒含量。因此，為計算t₁ 時間點之懸浮顆粒分布變化，G₁ ^t1 /G_t 為切片層L1之顆粒於t₁ 瞬間佔該待測液體整體顆粒之比例，(G₁ ^t1 +G₂ ^t1 )/G_t 為切片層L1累加至L2之顆粒於t₁ 瞬間佔該待測液體整體顆粒之比例，則依此類推至其他不同深度的切片層。假設在t₂ 時間點(t=t₂ )，推算為切片層L1累加至L2之顆粒於t₂ 瞬間佔該待測液體整體顆粒之比例為15%，則得知有15%的懸浮顆粒群自切片層L1向下分布至L2，且可推估有85%的懸浮顆粒群分布於其他切片層(即自L3至L160)。其中，15%的懸浮顆粒群的沉澱速度相對於該85%的懸浮顆粒群的沉澱速度為低。藉此技術原理，可於沉澱過程中，掌握該待測液體中各深度之懸浮顆粒含量變化，以建立其隨時間變化的組成分布情形。

為具體分析該待測液體中各深度的懸浮顆粒變化，可將呈現該待測液體部分的該灰階值資料，自液面至底部分為複數個切片層，自頂層切片層向下逐層累加各層之灰階值總和，將該等經累加之灰階值總和分別除以該灰階值資料所有切片層的灰階值總和，而得到各深度的累加分布群之懸浮顆粒分布資料，即可評估不同沉澱速度群的組成及分布情形。

為了解該待測液體中懸浮顆粒隨時間變化的沉澱特性，如上所述，可在一設定時期例如30分鐘，週期性(例如每秒拍攝三次)地擷取該待測液體隨時間變化的影像資料，以得到該等累加分布群之懸浮顆粒隨時間變化的分布資料。

請參閱第7圖，其係例示待測液體盛裝於上述液體容置單元3(例如一量測管柱)中，而計算各深度累加分布群之懸浮顆粒分布的流程圖。

步驟S301：開始進行量測。

步驟S302：計算第一張影像資料中所有切片層的各別灰階值總和。

步驟S303：自頂層切片層向下逐層累加各層的灰階值總和。

步驟S304：將不同深度之累加後的灰階值分別除以第一張影像資料的灰階值總和。

步驟S305：計算經過週期性擷取的每張影像資料中各切片層之累加灰階值佔整體管柱之百分比。

步驟S306：根據上述分析結果，依不同累加分布群之懸浮顆粒分布比例，其隨時間變化的分布深度，而繪製不同沉澱速度群的懸浮顆粒的累加分布圖。

步驟S307：結束量測。

以第8圖為例，其為實廠曝氣池出流水之各深度累加分布群之懸浮顆粒分布深度隨時間之變化曲線圖，係從曝氣池出流水中採樣以作為待測液體。此實施例係採用80公分高、3公分光徑之液體容置單元3盛裝該待測液體。橫軸係表示自開始進行量測至結束量測的時間變化(以時間為單位)，縱軸係表示不同沉澱速度群之懸浮顆粒自液面向下之分布深度(以公分為單位)。各曲線係表示各深度累加分布比例(相當於各種沉澱速度群)之懸浮顆粒(以百分比表示)，在此曲線圖中由下至上分別表示自該待測液體自液面往下累加而佔該待測液體整體之1、3、5、15、20、25、30、35、(以此類推)...、及95%比例之懸浮顆粒群。因此，從第8圖的結果，可即時推估各個時間點中，該待測液體中各深度的懸浮顆粒濃度、不同沉澱速度群之懸浮顆粒的組成及分布情形。

舉例而言，在注入該待測液體後，立即對該待測液體整體(自液面至底部的範圍)開始進行量測，經過8分鐘後，20%之曲線落在深度約6公分的位置。此即表示，在液體中懸浮顆粒開始進行沉澱的8分鐘後，自液面向下計算為6公分的深度內所分布的懸浮顆粒質量，佔該待測液體中總懸浮顆粒質量的20%。換言之，自深度為6公分至液體底部的範圍內，其分布的懸浮顆粒質量佔總懸浮顆粒質量的80%。

從上述累加分布群之懸浮顆粒隨時間變化的分布資料，可利用各群的懸浮顆粒所在深度與時間的關係，分別計算該等累加分布群之懸浮顆粒的沉澱速度。

請參考第9圖，為待測液體中懸浮顆粒的平均沉澱速度計算流程圖。

步驟S401：開始進行計算。

步驟S402：可建立不同沉澱速度群之懸浮顆粒累加分布隨時間變化之曲線。

步驟S403：計算各種懸浮顆粒之沉澱速度。

步驟S404：建立各種懸浮顆粒之沉澱速度隨時間變化的情形。

步驟S405：可進一步計算該待測液體中懸浮顆粒的平均沉澱速度。

步驟S406：結束此計算過程。

因此，利用本發明量測液體中懸浮顆粒的系統及方法，至少較先前技術具備以下優點：

1.可即時獲得更為充分的懸浮顆粒資訊，例如各位置的懸浮顆粒濃度、各沉澱速度群的懸浮顆粒組成及分布、各群組的沉澱速度及整體平均沉澱速度等。

2.可在最接近原先水樣特質的情況下，得到更為精確的量測結果，故非常適合用於評估污水處理的出流水。

3.可有效利用分析設備而進一步發展成自動化監測水質的系統及方法，提升量測上的便利性，且可節省人力及設備成本。

據上論結，本發明實為一具產業實用性、新穎且進步之發明，深具發展價值。惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

100．．．本發明實施例之量測液體中懸浮顆粒的系統

1．．．發光單元

11a、11b．．．箱體

12．．．內壁

13．．．發光二極體

14、15．．．擴散膜

2a、2b．．．影像感測單元

3．．．液體容置單元

31a、31b、31c．．．透光壁

32．．．非透光壁

4．．．分析單元

L1、L2、L3...L160．．．切片層

G₁ 、G₂ 、G₃ ...G₁₆₀ ．．．切片層於初始時之懸浮顆粒含量

．．．切片層於t₁ 時間點之懸浮顆粒含量

第1圖：本發明較佳實施之量測系統配置示意圖。

第2圖：本發明較佳實施之發光單元的結構示意圖。

第3圖：本發明較佳實施之量測系統的運作流程圖。

第4圖：不同懸浮顆粒濃度之吸光度與光徑距離之關係圖。

第5圖：本發明較佳實施之影像資料分析流程圖。

第6圖：各種懸浮顆粒不同沉澱速度分佈與組成計算示意圖。

第7圖：待測液體中各深度累加分布群之懸浮顆粒分布計算流程圖。

第8圖：實廠曝氣池出流水之各深度累加分布群之懸浮顆粒分布深度隨時間之變化曲線圖。

第9圖：待測液體中懸浮顆粒的平均沉澱速度計算流程圖。

100．．．液體懸浮顆粒沉澱特性量測系統

1．．．發光單元

2a、2b．．．影像感測單元

3．．．液體容置單元

31a、31b、31c．．．透光壁

32．．．非透光壁

4．．．分析單元

Claims (27)

1. 一種液體懸浮顆粒沉澱特性量測系統，其包含：一發光單元，用於提供一光線，且該發光單元是一面光源(surface light source)；一第一影像感測單元；一液體容置單元，用於容置一待測液體，該液體容置單元設置於該發光單元與該第一影像感測單元之間，且具有相對於該發光單元的一第一透光壁及相對於該第一影像感測單元的一第二透光壁，則該光線穿透該待測液體的強度變化可於該第一影像感測單元進行感測，而得到一影像資料，以轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料；以及一第二影像感測單元；其中該液體容置單元另具有一第三透光壁，該第三透光壁連接於該第一透光壁及該第二透光壁，且相對於該第二影像感測單元，則該光線在該待測液體散射的強度變化可於該第二影像感測單元進行感測，而得到另一影像資料，以轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。
2. 如請求項1的系統，其中該發光單元包含複數個發光二極體(light emitting diode)。
3. 如請求項1的系統，其中該發光單元包含：一箱體，具有複數個內壁，該等內壁皆為反射面；複數個發光二極體，設置於其中至少一內壁，以提供該光線；及 至少一擴散膜(diffusion film)，設置於該箱體，以令該光線可穿透該至少一擴散膜而相對地均勻發射至該液體容置單元。
4. 如請求項1的系統，其中該光線為紅外光。
5. 如請求項1的系統，其中該影像感測單元為網路攝影機(Webcam)。
6. 如請求項1的系統，其中該影像感測單元係包含一矩陣式影像感測元件。
7. 如請求項6的系統，其中該矩陣式影像感測元件為電荷耦合元件或互補式金屬氧化物半導體元件。
8. 如請求項1的系統，其中在該液體容置單元中，該等透光壁材質為玻璃或石英。
9. 如請求項1的系統，其中在該液體容置單元中，該等透光壁以外的內壁皆為非透光壁。
10. 如請求項9的系統，其中該非透光壁的材質為黑色的壓克力。
11. 如請求項1的系統，其中該液體容置單元係包含：一第一槽區，用於容置一待測液體；一第二槽區，用於容置一基準液體，位於該第一槽區之一側；及一空槽區，位於該第一槽區之另一側；其中該第二槽區及該空槽區係用於協助修正及校正該影像資料。
12. 一種液體懸浮顆粒沉澱特性量測系統，其包含：一發光單元，用於提供一光線，且該發光單元是一面 光源；一第一影像感測單元；一液體容置單元，用於容置一待測液體，該液體容置單元設置於該發光單元與該第一影像感測單元之間，且具有相對於該發光單元的一第一透光壁及相對於該第一影像感測單元的一第二透光壁，則該光線穿透該待測液體的強度變化可於該第一影像感測單元進行感測，而得到一影像資料；一分析單元，連接於該影像感測單元，用以分析該影像資料，以轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料；以及一第二影像感測單元，連接於該分析單元；其中該液體容置單元另具有一第三透光壁，該第三透光壁連接於該第一透光壁及該第二透光壁，且相對於該第二影像感測單元，則該光線在該待測液體散射的強度變化可於該第二影像感測單元進行感測，而得到另一影像資料，以藉由該分析單元轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料。
13. 如請求項12的系統，其中該分析單元係用以將該影像資料轉換為灰階值資料。
14. 如請求項13的系統，其中該分析單元係進一步用以將該灰階值資料轉換為該待測液體的吸光度資料，以評估該待測液體中懸浮顆粒濃度資料。
15. 如請求項14的系統，其中： 其中該影像感測單元係包含一矩陣式影像感測元件；由該影像感測單元得到的該影像資料為一矩陣式影像資料；且該分析單元係用以將該矩陣式影像資料轉換為矩陣式灰階值資料，以將該矩陣式灰階值資料中各位置的灰階值變化轉換為該待測液體中各深度的懸浮顆粒分布資料。
16. 一種量測液體中懸浮顆粒沉澱特性的方法，其包含下列步驟：(a)提供光線穿透液體的強度變化與液體中懸浮顆粒濃度之一關係；(b)感測一光線穿透一待測液體後的強度變化，以得到一影像資料；及(c)利用該關係，令該影像資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料，其中：先將該影像資料轉換為與該強度變化相關的灰階值資料；利用基於該關係而建立的一關係式，令該灰階值資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料；利用該灰階值資料中各位置的灰階值變化，轉換為該待測液體中各深度的懸浮顆粒分布資料；將呈現該待測液體部份的該灰階值資料，自液面至底部分為複數個切片層，自頂層切片層向下逐層累加各層之灰階值總和，將該等經累加之灰階值總和分 別除以該灰階值資料所有切片層的灰階值總和，而得到各深度的累加分布群之懸浮顆粒分布資料；得到該等累加分布群之懸浮顆粒隨時間變化的分布資料；利用該等累加分布群之懸浮顆粒隨時間變化的分布資料，以計算該等累加分布群之懸浮顆粒的沉澱速度。
17. 如請求項16的方法，其中在(b)步驟中，係利用紅外光穿透該待測液體。
18. 如請求項16的方法，其中在(b)步驟中，利用一面光源提供該光線，以令該光線均勻地穿透該待測液體。
19. 如請求項16的方法，其中：在(b)步驟中，係得到一矩陣式影像資料。
20. 如請求項16的方法，其中：在(b)步驟中，在一設定時期中，週期性地擷取該待測液體隨時間變化的影像資料。
21. 如請求項16的方法，其中利用該等沉澱速度以計算該待測液體中懸浮顆粒的平均沉澱速度。
22. 一種量測液體中懸浮顆粒沉澱特性的方法，其包含下列步驟：(a)提供光線散射自液體的強度變化與液體中懸浮顆粒濃度之一關係；(b)感測一光線散射自一待測液體的強度變化，以得到一影像資料；及 (c)利用該關係，令該影像資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料，其中：先將該影像資料轉換為與該強度變化相關的灰階值資料；利用基於該關係而建立的一關係式，令該灰階值資料轉換為該待測液體中懸浮顆粒相關資料；利用該灰階值資料中各位置的灰階值變化，轉換為該待測液體中各深度的懸浮顆粒分布資料；將呈現該待測液體部份的該灰階值資料，自液面至底部分為複數個切片層，自頂層切片層向下逐層累加各層之灰階值總和，將該等經累加之灰階值總和分別除以該灰階值資料所有切片層的灰階值總和，而得到各深度的累加分布群之懸浮顆粒分布資料；得到該等累加分布群之懸浮顆粒隨時間變化的分布資料；利用該等累加分布群之懸浮顆粒隨時間變化的分布資料，以計算該等累加分布群之懸浮顆粒的沉澱速度。
23. 如請求項22的方法，其中在(b)步驟中，係利用可見光散射自該待測液體。
24. 如請求項22的方法，其中在(b)步驟中，利用一面光源提供該光線，以令該光線均勻地進入該待測液體。
25. 如請求項22的方法，其中：在(b)步驟中，係得到一矩陣式影像資料。
26. 如請求項22的方法，其中： 在(b)步驟中，在一設定時期中，週期性地擷取該待測液體隨時間變化的影像資料。
27. 如請求項22的方法，其中利用該等沉澱速度以計算該待測液體中懸浮顆粒的平均沉澱速度。