I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 ,   p p .   174 ~ 186   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 1 6 i 1 . pp 1 7 4 - 1 8 6           174       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   M icro bubble  size   a nd rise velo city  mea surem ent  in  d iss o lv ed air  flota tion sy stem       J eim my   Adria na   M o Ale g ría 1, 2 ,   J esú s   E m ilio   P into - L o pera 3 ,   E lena   M o z - E s pa ñ a 1   J ua n F er na nd o   F re z - M a rula nd a 1     1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s,  I n st r u me n t a t i o n   a n d   C o n t r o l ,   F a c u l t y   o f   El e c t r o n i c   En g i n e e r i n g   a n d   T e l e c o mm u n i c a t i o n s ,     U n i v e r si d a d   d e l   C a u c a ,   P o p a y á n - C a u c a ,   C o l o m b i a   2 D o c t o r a t e   i n   E n e r g y ,   W a t e r   a n d   E n v i r o n m e n t ,   U n i v e r si t y   o f   L a   S e r e n a ,   La   S e r e n a ,   C h i l e   3 F a c u l t y   o f   En g i n e e r i n g ,   U n i v e r s i d a d   d e   l a   A maz o n i a ,   F l o r e n c i a - C a q u e t á ,   C o l o m b i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   1 2 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Sep   2 7 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   No v   2 3 ,   2 0 2 5       Wate re u se   a n d   re so u rc e   re c o v e ry   a re   p rio rit y   e n v ir o n m e n tal  g o a ls  u n d e r   in c re a sin g   wa ter  sc a rc it y   a n d   c li m a te  stre s s.  Diss o lv e d   a ir  flo tati o n   (DA F is   wid e ly   a p p li e d   in   m u n icip a l ,   in d u strial,   a n d   d e c e n tralize d   trea t m e n train s   b e c a u se   fin e   m icro b u b b les   ( M B)  e n h a n c e   so li d re m o v a l   e fficie n c y .   Ac c u ra te,  lo w - c o st  c h a ra c teriz a ti o n   o M siz e   a n d   rise   v e lo c it y   i th e re fo re   v a lu a b le  f o p ro c e ss   m o n i to ri n g   a n d   o p ti m iza ti o n .   Th is   stu d y   d e v e lo p a n d   v a li d a tes   a   sm a rtp h o n e - b a se d ,   c o m p u ter - v isi o n   p i p e li n e   f o lab o ra t o ry - sc a le  DA F   sy ste m s.  Afte c a m e ra   c a li b ra ti o n   a n d   len s   u n - d ist o rti o n ,   e a c h   v id e o   se q u e n c e   (2 3 5   fra m e p e ru n i p ro c e ss e d   th ro u g h   g ra y sc a le  c o n v e rsi o n ,   m e d ian ,   G a u ss ian ,   a n d   lo c a l - Lap l a c ian   fil terin g ,   g a m m a   c o rre c ti o n ,   a n d   Otsu   th re sh o l d i n g ,   fo ll o we d   b y   m o rp h o lo g ica re fin e m e n t.   Circu lar  Ho u g h   tran sfo rm   th e n   id e n t ifi e M c a n d id a tes ,   p ro v id i n g   th e ir  d iam e ters   a n d   c e n tro id   l o c a ti o n s.  T h e se   d e tec ti o n a re   th e n   li n k e d   fra m e - to - fra m e   u sin g   a   d istan c e - g a ted   n e a re st - n e ig h b o t ra c k e with   d y n a m ic  m e m o ry   a ll o c a ti o n   t o   a c c o m m o d a te  n e M Bs  u n d e tu rb u len t,   b u b b le - c lu ste ri n g   c o n d it i o n s.  R ise   v e lo c it y   is   c o m p u ted   fro m   in te rfra m e   c e n tro id   d is p lac e m e n a n d   fra m e   in terv a l.   Th e   sy ste m   re li a b l y   trac k e d   u p   t o   3 2   m icro b u b b les   sim u l tan e o u sl y   p e v i d e o .   Ac ro ss   fo u o p e ra ti n g   p re ss u re /airflo c o m b in a ti o n s,   m e a n   M d iam e ters   ra n g e d   9 5 . 4 7 2 1 6 . 4 2   µm   a n d   m e a n   rise   v e lo c it ies   9 . 4 0 × 1 0 ³ 2 . 7 6 × 1 0   µm /s.  Th e   a p p ro a c h   is  lo c o st,  c o m p u tatio n a ll y   li g h tw e ig h t,   a n d   su it a b le  f o ra p id   M c h a ra c teriz a ti o n   t o   s u p p o rt   DA F   m o n it o rin g ,   o p ti m iza ti o n ,   a n d   re se a rc h .   K ey w o r d s :   C am er ca lib r atio n   C o m p u ter   v is io n   Dis s o lv ed   air   f lo tatio n   Mic r o b u b b le  tr ac k in g   R ec tan g u lar   d is s o lv ed   air   f lo tatio n   Vid eo   p r o ce s s in g   W astewa ter   tr ea tm en t   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   J esú s   E m ilio   Pin to - L o p er a   Facu ltad   d I n g en ier ía,   Un i v er s id ad   d la  Am az o n ia   Sed Po r v en ir   C alle  1 7   Diag o n al  1 7   c o n   C ar r er 3 F,  Flo r en c ia - C aq u etá  1 8 0 0 0 2 ,   C o lo m b ia   E m ail: je s . p in to @ u d la. ed u . co       1.   I NT RO D UCT I O N   Po llu tio n   an d   f r esh wate r   s ca r city   ar p r ess in g   g l o b al  is s u es,  p ar ticu lar l y   in   lig h t   o f   clim a te  ch an g e .   L ik ewise,   g lo b al  wate r   d em an d   is   p r o jecte d   to   i n cr ea s b y   2 0 to   3 0 an n u ally   b y   2 0 5 0   [ 1 ] .   I n   t h is   r eg ar d ,   th co m b in ed   in d u s tr ial  an d   en er g y   s ec to r s   ex tr ac 1 9 o f   th wo r ld ' s   f r esh wate r ,   ag r icu ltu r ac co u n ts   f o r   6 9 %,  an d   m u n icip al  d o m esti wate r   r ep r esen ts   1 2 o f   g lo b al  wate r   ex tr ac tio n .   Acc o r d in g   t o   Un ited   Natio n s   r ep o r t,  4 4 o f   d o m esti wastewa ter   is   n o tr ea ted   co r r ec tly   [ 2 ] .   I esti m ates  th at  ap p r o x im ately     3 8 0   b illi o n   cu b ic  m eter s   o f   wate r   ca n   b r ec o v er e d   f r o m   th an n u al  v o lu m es  o f   wastewate r   p r o d u ce d .   B y   2 0 3 0 ,   4 7 0   b illi o n   cu b ic  m eter s   ar ex p ec ted   to   b r ec o v er e d ,   an d   5 7 4   b illi o n   cu b ic  m eter s   b y   2 0 5 0   [ 3 ] .   On   th e   o th er   h a n d ,   v ar io u s   wastewate r   tr ea tm en tech n o lo g ies  e x is t,  wh er s y s tem s   b ased   o n   th d is s o lv ed   air   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Micr o b u b b le  s iz a n d   r is ve lo city  mea s u r eme n t in   d is s o lved     ( Je immy  A d r ia n a   Mu ñ o z   A leg r ía )   175   f lo tatio n   ( DAF)   tech n iq u s ta n d   o u t.  I n   th is   r eg ar d ,   f lo tatio n   u s in g   air   o r   g as  b u b b les  i s   o n o f   th m o s co m m o n l y   ap p lied   p h y s ico ch e m ical  tech n iq u es to d ay   d u to   its   h ig h   ef f icien cy   in   r em o v i n g   f in an d   u ltra f in e   p ar ticles,  em u ls io n s ,   o ils ,   f ats,   tu r b i d ity ,   o r g a n ic  m atter ,   an d   m icr o o r g an is m s   [ 4 ] [ 8 ] ,   wh i ch   h as   in cr ea s ed   its   d em an d   i n   r ec en y ea r s   [ 9 ] [ 1 2 ] .   I n   D A s y s t e m s ,   b u b b l es   a r c l as s i f i e d   i n t o   m a c r o - b u b b l es   f o r   d i a m e t e r s   b e tw e e n   2   an d   5   m m ,   m i c r o b u b b l e s   ( M B )   f o r   d i a m et e r s   b e t we e n   1   a n d   1 0 0   µ m ,   a n d   n a n o b u b b l e s   ( N B )   o r   u l t r a - f i n e   b u b b l e s   w i t h   d i a m e t e r s   <   1   µ m   [ 1 3 ] [ 1 5 ] .   H e r e ,   m i c r o b u b b l e s   e x h i b i t   u n i q u e   p r o p e r t i e s   t h a t   a l l o w   f o r   b e t t e r   m a s s   t r a n s f e r   d u e   t o   t h e   i n c r e as e d   m as s   t r a n s f e r   a r e a ,   l o n g e r   r es i d e n c e   t i m e ,   a n d   l o w e r   c o a l es c e n ce   p o t en t i a l   [ 1 3 ] ,   [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ] T h e s e   p r o p e r t i es   f a ci l it a t e f f e c t i v e   c o n t ac t   b e tw e e n   p a r ti cl e s   a n d   m i c r o b u b b l e s   i n   f l o ta t i o n   [ 1 7 ] [ 1 9 ] .   I n   c o n t r a s t ,   m a c r o - b u b b l e s   t e n d   to   f l o a t   r a p i d l y ,   r e s u l t i n g   i n   l o w   r e m o v a l   e f f i c i e n c y   [ 2 0 ] [ 2 1 ] .   T h u s ,   t h e   p r i m a r y   c h a r a c t e r is t i p a r a m e t e r s   o f   m ic r o b u b b l e s   i n   DA F   s y s t e m s   a r d i a m e t e r   a n d   r is e   v el o c i t y ,   d u t o   t h e i r   s i g n i f ic a n i m p a c t   o n   r e m o v a l   e f f e c t i v e n es s .   T h e   d e c r e as e   i n   b u b b l e   s i z i n c r e a s es   t h e   c o n t a c t   a n g l e   a n d   t h e   a d h e s i o n   f o r c e   o f   t h e   p a r t i c l e   [ 1 9 ] .   C o n s e q u e n t l y ,   i t   a l l o ws   f o r   m o r e   o p p o r t u n i t i e s   f o r   c o l l is i o n   w i t h   s u s p e n d e d   p a r t i c l e s   a n d   b e t t e r   c l e a n i n g ,   t h u s   i n c r e as in g   t h e   e f f e c t i v e n e s s   o f   t h e   f l o t a t i o n   p r o c e s s   [ 1 7 ] [ 1 9 ] ,   [ 2 2 ] .   H o w e v e r ,   i n   w a s te w a te r   t r e at m e n t ,   v a r i o u s   f a c t o r s   a f f e ct   t h MB   s i z e   a n d   r i s v e l o c i ti es ,   s u c h   a s   s u r f a c ta n t s ,   c o a g u l a n t s ,   o r   c h e m i c a l   a d d i ti v e s   t h a t   f a ci l it at e   t h e   r e m o v a l   o f   c o n t a m i n a n t s   [ 2 3 ] .   T h e r e f o r e ,   b u b b l e   c h a r a c t e r i z at i o n   p r o v i d e s   v a l u a b l e   i n f o r m a t i o n   t o   e n s u r e   e f f i c i e n t   cl e a n i n g   i n   w as t ew a t er   t r e a t m e n t   [ 2 1 ] [ 2 4 ] [ 2 6 ]   I n   th is   r eg ar d ,   v a r io u s   tech n iq u es  h av b ee n   d e v elo p ed   to   d eter m in th ch ar ac ter is tic  p ar am eter s   o f   MB,  r an g in g   f r o m   in tr u s iv t o   n o n - in tr u s iv m eth o d s ,   wit h   d ig ital  i m ag p r o ce s s in g   ( D I P)  b ein g   a   n o tab le   ex am p le  am o n g   th latter   [ 2 7 ] .   Ho wev er ,   d etec tin g   MB  in   in d u s tr ial  en v ir o n m en ts   r em ai n s   ch allen g f o r   r esear ch er s   d u to   th co m p lex   r elatio n s h ip   b etwe en   s h ap e,   s ize,   tu r b u len ce ,   s u r r o u n d in g   f o r ce s ,   th p h y s ico ch em ical  m e d iu m   in   wh ich   th ey   ar e   co n tain e d ,   o v er lap ,   an d   MB  co n ce n tr atio n   [ 1 3 ] .   A d d itio n ally ,   s in ce   m icr o b u b b les  ar tr an s p ar en o b jects  an d   lig h tin g   co n d itio n s   with in   p r o ce s s in g   m ac h in es  ar e   ch allen g in g ,   t h eir   ap p ea r an ce   m ay   b af f ec ted   d u r i n g   m ea s u r em en t,  wh ich   wo u l d   p o s s ig n if ican p r o b lem .   I n   attem p tin g   to   s o lv e   th is   p r o b lem ,   i n cr ea s in g ly   s o p h is ticated   alg o r ith m s   h av b ee n   d ev elo p e d ,   s u ch   as  co n v o l u tio n al  n e u r al  n etwo r k   ( C NN)   m eth o d s ,   wh ich   o f f er   g r ea ter   o b ject  d etec tio n   r o b u s tn ess   [ 2 8 ] .   Fo r   ex am p le,   in   [ 2 9 ] ,   b u b b les  w er d etec ted   as  ci r cu lar   o b je cts  u s in g   C NN,   o u tp er f o r m i n g   o th er   m eth o d s   in   d etec tio n   an d   p r o v id in g   an   ac cu r ate  esti m atio n   o f   s ize  d is tr ib u tio n .   Ho wev er ,   th e   p r o ce s s   is   s lo w,   m ak i n g   it   u n s u itab le  f o r   r ea l - tim u s e.   Gu ld en   et  a l.   [ 1 7 ]   d e v elo p ed   an   o n li n b u b b le   s ize  an aly s is   tech n iq u b ased   o n   DI to   ev alu ate  th e   p e r f o r m an ce   o f   a   lab o r ato r y   DAF  d ev ic o p e r atin g   u n d er   i d ea co n d it io n s   at  a   s atu r atio n   p r ess u r o f   5 8   p s an d   r e cir cu latio n   f lo r ate  o f   1 0 0   L /h .   I m ag p r o ce s s in g   r eli es  o n   b in ar izatio n   tech n iq u es,  ed g d etec tio n ,   a n d   th Ho u g h   tr a n s f o r m .   T h i s   wo r k   en ab led   t h r ec o g n itio n   o f   o v er la p p in g   b u b b les  b u h a d   lim itatio n s   in   id en tify in g   s m all  in d iv i d u al  b u b b les.  T h er ef o r e,   it  co m p lem en ted   th e   p r o ce s s in g   with   ad d itio n al  alg o r ith m s   th at  ad d r ess   th is   is s u with   s p ec if ic  ad ju s tm en ts .   I n   th is   r e g ar d ,   b u b b le   o v e r lap p in g   b ec o m es  an o th e r   c o m p lex   is s u to   ad d r ess   wh en   th MB   co n ce n tr atio n   is   h ig h .   Fo r   th is ,   alg o r ith m s   s u ch   as  th Ho u g h   tr an s f o r m   a n d   W ater s h ed ,   a m o n g   o th er s ,   h av e   b ee n   im p lem en ted   to   s eg m en t o v er lap p i n g   b u b b les  an d   atte m p to   ex tr ac t   th eir   c h ar ac ter is tics   [ 1 7 ] [ 3 0 ] [ 3 3 ] Stu d y   [ 3 4 ]   a d d r ess es  th s eg m en tatio n   o f   o v er lap p in g   b u b b les,  s h o win g   u p   to   9 5 ef f ec tiv en ess   wh en   o v er lap p i n g   b u b b les  d o   n o e x ce ed   5 0 o f   th s am p le  in   ea ch   an aly ze d   im ag e.   Ad d iti o n ally ,   th b u b b le  id en tific atio n   tech n iq u r eq u i r es  tr ac k in g   b u b b les  f r am b y   f r am in   s eq u e n ce ,   allo win g   th p ath   o f   ea ch   b u b b le  to   b tr ac ed   an d   co u n te d   if   th ey   ar o b s tr u cted   b y   o v e r lap .   T h wo r k   in d icate s   th at  ea ch   b u b b le  s h o u ld   b is o lated   at  least  o n ce   in   p h o to   d u r in g   th s eq u e n ce .   O n   th o th er   h an d ,   t h er is   als o   m o r s p ec ialized   in s tr u m en tatio n   t h at  ass is ts   in   MB  ch ar ac ter izatio n ,   r an g in g   ac r o s s   wid v ar iety   o f   e q u ip m en t,  f r o m   o p tical   m icr o s co p es  [ 3 1 ] [ 3 5 ]   an d   ele ctr o n   m icr o s co p es  [ 3 6 ] [ 3 7 ] ,   t o   laser   d if f r ac tio n   d ev ices  lik e   th Sp r ay tec   [ 1 5 ] th Mc Gill  b u b b le  s ize  an aly ze r   ( MBS A)   [ 1 9 ] [ 3 8 ] ,   o r   u n co n v en tio n al  m et h o d s   s u c h   as  th m o n o f ib e r   o p tical  p r o b [ 3 9 ] ,   an d   elec tr i ca r esis tan ce   to m o g r ap h y   [ 4 0 ] [ 4 1 ] ,   ato m ic  f o r ce   m icr o s co p y   [ 4 2 ] .   Ho wev e r ,   th is   in s tr u m en tatio n   is   ex p en s i v an d   lim ited   t o   s p ec ialized   l ab o r ato r ies.   T h o b jectiv o f   th is   s tu d y   is   to   d ev elo p   an d   v alid ate  co s t - ef f ec tiv co m p u ter   v is io n   m e th o d o lo g y   ca p ab le  o f   ac c u r ately   c h ar ac te r izin g   o v er lap p in g   m icr o b u b b les  in   th h ig h ly   tu r b u len t,   r ec tan g u lar - tan k   DAF  co n f ig u r atio n .   T o   th at  e n d ,   a   lo w - co s im ag i n g   p ip elin e   i s   p r o p o s ed   th at   co m b in es  a   s m ar tp h o n e   ca m er ca lib r ated   with   ch ess b o ar d   tar g et  an d   Ve n tu r i - b ased   MB  g en er ato r   d r iv en   b y   P e d r o llo   C P 6 6 0   p u m p .   T h alg o r ith m   i)   ex tr ac ts   f r am es  at  9 6 0   f p s ,   ii)  p er f o r m s   s eq u en tial  g r ay s ca le  co n v er s io n ,   m u lti - s tag e   f ilter in g ,   Ots u   s eg m en tatio n ,   an d   m o r p h o l o g ical  clea n u p ,   an d   iii)  r eso lv es  b u b b le  o v er lap   th r o u g h   a   E u clid ea n - d is tan ce   tr ac k in g   r o u tin a n d   cir cu lar   Ho u g h   d etec tio n .   W ith   th is   a p p r o ac h ,   th i n f lu en ce   o f   r ec ir cu latio n   f lo ( 9 0 0   L /h )   an d   s atu r atio n   p r ess u r ( 3 4 3 6   p s i)   o n   MB  d iam eter   an d   r is v elo city   is   q u an tifie d th e   3 6   p s 0 . 1   L / m in   co n d itio n   y ield s   th e   s m allest  m ea n   d iam eter   ( ~ 9 9   µm )   a n d   th l o west  m ea n   v elo city   ( ~9 . 9 × 1 0 ³  µm /s ) .   T h r esu lts   d em o n s tr ate  t h at  th e   p r o p o s ed   lo w - co s s y s tem   ac h iev es  p er f o r m an ce   co m p ar ab le  to   t h at  o f   h ig h - s p ee d   in d u s tr ial  s etu p s   wh ile  d ir ec tly   ad d r ess in g   b u b b le  o v e r lap lim itatio n   o f   p r ev io u s   wo r k an d   t h u s   o f f e r s   p r ac tical  p o ten tial f o r   r ea l - ti m DAF  m o n ito r in g   an d   o p ti m izatio n .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   1 7 4 - 186   176   2.   M E T H O   2 . 1 .     E x perim ent a l set up   T h ex p er im e n tal  s etu p   p r im a r ily   co m p r is es  lab o r at o r y - s c ale  DAF  s y s tem ,   an   im ag in g   ac q u is itio n   s y s tem   th at  in clu d es  ca m e r a ,   an d   co m p u tatio n al  s y s tem   with   th p r o ce s s in g   alg o r ith m .   T h DAF  s y s tem   co n s is ts   o f   r ec tan g u lar   g lass   tan k   with   th ick n ess   o f   1   cm ,   wh ich   f ac ilit ates  th v is u aliza tio n   o f   in ter est  o b jects,  m icr o b u b b le  g e n er a to r   d e v ice,   an d   Ve n tu r tu b b ased   o n   th p h y s ical  p r in cip l o f   h y d r o d y n am ic   ca v itatio n ,   d esig n ed   as  s p ec if i ed   in   [ 4 3 ] .   m ax im u m   f lo r ate  o f   1 6   liter s   p er   m in u te  cir cu lates  th r o u g h   it,  o p er atin g   at  a n   am b ien tem p e r atu r o f   b etwe en   2 5   °C   an d   2 7   °C .   c o n v e n tio n al  2   HP  wa ter   p u m p   ( Ped r o llo   C P6 6 0 )   en ab les wa ter   cir cu lat io n   th r o u g h   th h y d r a u lic  cir cu it,  with   f lo r ates r an g in g   f r o m   2 0   to   1 3 0   L /m in .   T h tan k   h as   d im en s io n s   o f   5 2   cm   in   h eig h t,   2 5   cm   in   wid t h ,   an d   7 5   cm   i n   len g th ,   with   an   in ter n al  p ar titi o n   to   f ac ilit ate  v is u aliza tio n   o f   th MB  an d   th h y d r o d y n am ics  d u r in g   th clea n in g   p r o ce s s   as  s h o wn   in   Fig u r 1 .   T h s etu p   in clu d es  th co n tact,   s ep ar atio n ,   s lu d g co llectio n ,   an d   MB  v is u aliza tio n   zo n es.  I n   th e   co n tact  zo n e,   th m icr o b u b b le s   s ep ar ate  th co n tam in atin g   s u b s tan ce s ,   wh ich   s u b s eq u e n tly   f lo at  to   th e   tan k ' s   s u r f ac e,   f o r m in g   lay e r   o f   f o am   o r   s lu d g t h at  is   r em o v ed   b y   o v e r f lo win g   i n to   th s lu d g co llectio n   zo n e.   I n   th is   ar ea ,   m icr o b u b b les  ar in t r o d u ce d   with   r ec ir cu latio n   p r e s s u r es  o f   3 4   an d   3 6   p s i,  an d   ai r   in jectio n   r ates  o f   0 . 1   an d   0 . 5   L /m i n ,   s er v in g   as  o p er atio n al  p a r am eter s   o f   th DAF  s y s tem .   b af f le  with   an   ap p r o x im ate  h eig h t   o f   2 0   cm   a n d   an   an g le   o f   5 3 °   d iv id es   th DAF  ta n k   in to   s ep ar atio n   z o n e,   wh er e   th e   wate r   th at  h as  p ass ed   th r o u g h   th clea n in g   p r o ce s s   v ia  th MB  is   h eld .   A   p o r ti o n   o f   th is   wate r   is   u s ed   f o r   r ec ir cu latio n ,   wh ile   an o th er   p o r tio n   ex its   f o r   o th e r   clea n in g   p r o ce s s es.  Fin ally ,   th MB  v is u aliza tio n   z o n i s   lin ed   with   b lack   p ap er   o n   th e   tan k ' s   s id walls  to   d is tin g u is h   th e   m icr o b u b b les  f r o m   th e   b ac k g r o u n d   an d   p r ev en t   r ef lectio n s   f r o m   e x ter n al  o b jects.   Fig u r 2   s u m m ar izes  th ex p er im en tal  ar r an g em en u s ed   in   th is   wo r k .   Fig u r 2 ( a)   s h o ws  th e   co m p lete  b en ch   co m p r is in g   t h ex ter n al  wate r   r eser v o ir ,   t h r ec tan g u lar   DAF  u n it  ( co n tact  an d   s ep ar atio n   zo n es)  an d   t h ass o ciate d   p ip in g ,   p u m p   a n d   in jecto r Fig u r 2 ( b )   d e p icts   th im ag e - a cq u is itio n   s etu p a   Hu awe P3 0   ( E L E - L 0 4 )   s m ar t p h o n f itted   with   1 5 ×  ex ter n al  m ac r o   len s ,   m o u n ted   o n   a   tr ip o d   an d   f o cu s ed   o n   th v iewin g   win d o o f   t h DAF  tan k .   7   W   wh ite  b ac k lig h p lace d   b e h in d   th ta n k   en h an ce s   b u b b le  co n tr ast  f o r   r eliab le  d etec tio n   an d   tr ac k in g .   Vid eo s   wer r ec o r d ed   at  7 2 0 ×1 2 8 0   p ix els  an d   9 6 0   f r am es  p er   s ec o n d ; th ef f ec tiv e   wo r k i n g   d is tan ce   o f   th len s   s y s tem   wa s   ~7   cm .           Fig u r 1 .   DAF  ex p e r im en tal  s etu p           ( a)   ( b )     Fig u r 2 .   E x p er im e n tal  s etu p   an d   im ag in g   s y s tem   ( a)   f u ll  lab o r ato r y   b e n ch : e x ter n al  wate r   tan k ,   DAF  u n it,  an d   p ip i n g   an d   ( b )   s m ar tp h o n e - b ased   im ag ac q u is itio n   with   m ac r o   len s   an d   r ea r   illu m i n atio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Micr o b u b b le  s iz a n d   r is ve lo city  mea s u r eme n t in   d is s o lved     ( Je immy  A d r ia n a   Mu ñ o z   A leg r ía )   177   T h ex p er im en t   to   v alid ate  t h alg o r ith m   th at   esti m ates  th d iam eter   an d   ascen v elo city   o f   th m icr o b u b b les  was  b ased   o n   2 × 2   f ac t o r ial  ex p e r im en a s   s h o wn   in   T ab le  1 ,   in   w h ich   th o p er atio n al   p ar am eter s   o f   r ec ir c u latio n   p r ess u r wer v ar ied   t o   3 4   p s an d   3 6   p s i,  an d   air   i n jectio n   was  s et  at    Q1 =0 . 1   L /m in   an d   Q2 =0 . 5   L /m in .   T en   v id e o s   wer r ec o r d e d   f o r   ea ch   tr ea tm e n t,  ea ch   last in g   ap p r o x im atel y   1 0   s ec o n d s ,   with   2 0 - s ec o n d   in ter v al  b etwe en   r ec o r d in g s   to   en s u r t h d etec tio n   o f   d if f er en m icr o b u b b le   p o p u latio n s   p er   v i d eo .   to tal  o f   4 0   v id eo s   wer o b tain ed   f o r   alg o r ith m   v alid atio n .       T ab le  1 .   2 × 2   E x p er im en tal  d e s ig n   f o r   m ic r o b u b b les g en e r atio n   at  f lo r ate  o f   9 0 0   L /h   Ex p e r i m e n t   A i r   i n j e c t i o n   r a t e s [L / mi n ]   S a t u r a t i o n   P r e s su r e   [ p s i ]   A   0 . 1   34   B   0 . 5   34   C   0 . 1   36   D   0 . 5   36       2 . 2 .     Ca m er a   ca lib ra t io n   I n s tr u m en ca lib r atio n   is   ess en tial  f o r   ac c u r ate  im ag e   ac q u is itio n   in   v is io n - b ased   m e asu r em en s y s tem s .   C am er ca lib r atio n   m eth o d s   ar c o m m o n ly   g r o u p ed   in to   th r ee - d im en s io n al   ( 3 D ) ,   two - d im e n s io n al   ( 2 D) ,   a n d   o n e - d im en s io n al   ap p r o ac h es,   ea ch   d if f e r in g   in   t h e   am o u n t o f   s ce n g e o m etr y   r e q u ir ed   an d   th e   lev el   o f   ac cu r ac y   ac h iev ab le  [ 4 4 ] .   Fo r   im ag in g   s en s o r s ,   in tr in s ic   an d   e x tr in s ic  p ar am ete r s ,   as  well  as  len s   o p tical  p r o p er ties ,   in tr o d u ce   g eo m etr ic  d is to r tio n s   th at  ca n   d eg r a d q u an titativ m ea s u r em e n ts   if   u n co r r ec ted   [ 4 5 ] E s tim atin g   in tr in s ic  p ar am ete r s   f r o m   co r r esp o n d en ce s   b etwe en   th r ee - d im en s io n al   wo r l d   p o in ts   an d   two - d im en s io n al  im ag e   p o in ts   e n h an ce s   m ea s u r em en t   f id elity ;   h o wev er ,   th u ltima te  ac cu r ac y   o f   ca lib r atio n   d ep en d s   s tr o n g ly   o n   th r elia b ilit y   o f   f ea tu r d etec tio n   in   th e   ca lib r atio n   tar g et  [ 4 4 ] .   I n   th is   s tu d y ,   ca m e r ca lib r a tio n   was  p er f o r m ed   in   MA T L AB   u s in g   th C am er C alib r atio n   ap p licatio n   with   a   3 1 0 - s q u ar e   ch ess b o ar d   ta r g et  ( 5 × 5   m m   s q u ar es).   to tal  o f   4 0   ca lib r atio n   im ag es  wer e   ac q u ir ed   in s id th DAF  tan k ,   en s u r in g   th at  th o p tical  p ath   d u r in g   ca lib r atio n   m atch e d   th ex p er im en tal  im ag in g   c o n d itio n s th e   ap p l icatio n   au to m atica lly   e x clu d ed   d ef ec tiv e   im ag es.  I m ag es  wer ca p tu r ed   a t   m u ltip le  o r ien tatio n s   ( tilt   an g l es  4 5 °  r elativ to   th ca m e r p lan e,   p e r   ap p licatio n   g u id a n ce )   with   au to f o cu s   d is ab led   an d   z o o m   f ix ed   at   3 ×   to   m ain tain   g eo m etr ic   co n s is t en cy   ac r o s s   v iews.  T h e   ap p licatio n   esti m ated   th e   ca m er a' s   in tr in s ic  an d   e x tr in s ic  p ar am eter s .   I g en er ated   a   p ar am eter   f ile,   wh ich   we  in co r p o r ated   in t o   o u r   p r ep r o ce s s in g   p ip elin u s in g   MA T L AB 's  ' u n d is to r tI ma g e '   f u n ctio n   to   r em o v len s   d is to r tio n   f r o m   all  ex p er im en tal  f r am es.  T h r esu ltin g   ca lib r atio n   ac h ie v ed   a n   o v er all   m ea n   r ep r o jectio n   e r r o r   o f   1 . 8 3   p ix els  in   th wate r - f illed   tan k   as  s h o w n   in   Fig u r 3 ,   wh ich   we  d ee m ed   ac ce p tab le  f o r   d o wn s tr ea m   m ea s u r em en ts   o f   m icr o b u b b le  s ize  an d   p o s itio n .           Fig u r 3 .   E s tim atio n   o f   th o v er all  m ea n   er r o r   in   ca lib r atio n   u s in g   MA T L AB     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   1 7 4 - 186   178   T h in tr in s ic  m atr ix   o f   th ca m er an d   t h f in al  d is to r tio n   f ac to r s   ( k )   in   th is   ca s e:     = [ 0 0 0 1 ] = [ 3 . 8762 × 10 3 0 0 3 . 8944 × 10 3 0 0 1 . 8399 × 10 3 1 . 4461 × 10 3 1 ]   ( 1 )     = [ 0 . 3543 2 . 7778 ]   ( 2 )     T h d is to r tio n   co ef f icien ts     in d icate   th at  th ca m er o p er ates  with   ef f ec tiv ely   s q u ar p ix els;   s u b s tan tial   d ep ar tu r es  o f   t h s en s o r   asp ec r atio   /   f r o m   u n ity   wo u ld   im p ly   n o n - s q u ar e   s am p lin g .   I n   o u r   ca lib r atio n ,     /   =1 . 0 0 5 ,   co n f ir m in g   n ea r - s q u ar g eo m etr y   f o r   m etr ic   m ea s u r em en ts .   Af ter   estab lis h in g   t h g e o m etr ic   ca lib r atio n ,   we  d eter m in e d   th p ix el - to - len g t h   co n v er s io n   f ac to r   u s in g   th p r o ce d u r o u tl in ed   in   [ 2 3 ] ,   wh ich   in v o lv es  a   r ef e r en ce   o b ject  o f   k n o wn   d iam eter .   A   s em i - tr an s p ar en t   n y lo n   f ilam en ( n o m in al   d iam ete r     6 0 0   µm )   was m o u n ted   t r an s v e r s ely   o v er   b lac k   b ac k g r o u n d ,   an d   s ev er al  tr a n s v er s cu ts   wer m ad alo n g   th e   f ilam en to   p r o v id m u ltip le  r ep ea tab le  m ea s u r em e n p o in t s .   T en   r ef er en c im ag es  wer e   ac q u ir ed   with   th e   ca m er a - len s   s y s tem   at   r eso l u tio n   o f   3 6 4 8 ×2 7 3 6   ( m an u al  f o cu s ,   3 ×  zo o m ,   I SO  2 0 0 ,   1 /4 0 0   s   s h u tter   s p ee d ,   F/1 . 8   ap er tu r e,   3 5   m m   f o ca l   len g th   eq u iv alen t) .   Fil am en t   d iam eter s   ( in   p ix els)  wer ex tr ac ted   u s in g   th e   cir cu lar   Ho u g h   tr an s f o r m ,   a n d   th r esu ltin g   s p atial  s ca le  f ac to r   was c o m p u te d   as 1   p i x el= 5 . 7 9   µm .     2 . 3 .     I ma g pro ce s s ing   a lg o ri t hm   Fig u r 4   illu s tr ates  th im ag p r o ce s s in g   s eq u e n ce   u s ed   to   ex tr ac m icr o b u b b le  d iam eter s   an d   ce n tr o id   p o s itio n s   f r o m   ea ch   v id eo .   Fo r   ea ch   e x p er im e n t,  t h ca m er was  s et  to   9 6 0   f p s ,   an d   with in   ea ch   v id eo ,   win d o ws o f   2 3 5   co n s ec u tiv f r am es we r an aly ze d   t o   co m p u te  MB d iam eter   an d   r is v elo city .   Star tin g   with   th R GB   f r am co n v er te d   to   g r ay s ca le  as  s h o wn   in   Fi g u r 4 ( a) ,   th wo r k f lo a p p li es  s eq u en tial  n o is e - atten u atio n   an d   co n tr ast - en h a n ce m en o p e r atio n s   as  s h o wn   in   Fig u r 4 ( b ) m ed ia n   f ilter in g   ( 7 × 7   k er n el)   to   s u p p r ess   s alt - an d - p ep p e r   n o is e,   Gau s s ian   f ilter in g   ( σ = 2 . 6 )   p r o v id es  ad d itio n al  s m o o th in g ,   h elp in g   to   m itig ate  ad d itiv n o is e.   lo ca l   L ap laci an   f ilter   t h en   a m p lifie s   lo ca c o n tr ast  an d   ac ce n tu ates  MB  e d g es,  f o llo wed   b y   a   f in al  g am m a - b ased   c o n tr ast  b o o s t.  T h en h a n ce d   im ag is   s eg m en ted   u s in g   Ots u s   m eth o d ,   af ter   wh ic h   m o r p h o lo g ical  r e f in em en t d ilatio n   an d   er o s io n   with   o r t h o g o n al  lin ea r   s tr u ctu r i n g   el em en ts   p lu s   ed g e   clea n u p r em o v es r esid u al  ar t ef ac ts   an d   clo s es g ap s   in   MB r eg io n s   as sh o wn   in   Fig u r 4 ( c ).     Alth o u g h   wate r s h ed   s eg m e n t atio n   is   o f te n   ap p lied   t o   b u b b le  p o p u latio n s   with   m ix ed   g eo m etr ies  [ 3 2 ] [ 4 6 ] [ 4 7 ] ,   it f r eq u en tly   l ea d s   to   o v er - s eg m en tatio n   [ 2 0 ] [ 2 5 ] [ 3 1 ]   an d   en tails   h ig h er   co m p u tatio n al  co s t   [ 2 5 ] [ 3 2 ] [ 4 8 ] .   I n   th is   wo r k ,   Ots u   th r esh o ld in g   f o llo we d   b y   m o r p h o lo g ical  r ef in em e n is   em p lo y ed th r esu ltin g   b in ar y   im ag is   th en   an aly ze d   u s in g   th cir cu lar   Ho u g h   t r an s f o r m   to   lo ca te  m icr o b u b b le  b o u n d a r ies   an d   ce n t r o id   p o s itio n s   as  s h o wn   in   Fig u r 4 ( d ) .   T h ese  ce n tr o id   c o o r d in ates  s er v a s   th in p u t   f o r   th e   d is p lace m en an d   r is v elo cit y   ca lcu latio n s   ( a d ap ted   f r o m   [ 4 9 ] )   d etailed   i n   Fig u r e   5   an d   ( 3 )   an d   ( 4 ) .   Her e,   two   co n s ec u tiv e   f r am es   d ete r m in th e   d is tan ce   t r av eled   b y   th e   m icr o b u b b le  ce n tr o id s .   I n   t h is   ca s e,   th e   p o s itio n   o f   th ce n tr o id s   c h a n g es  wh en   th m icr o b u b b les  m o v e.   Fo r   e x am p le,   Fig u r e   5   s h o ws  th at,   in     Fra m 1 ,   th ce n tr o id   o f   m i cr o b u b b le  is   d ef in ed   as  1 ,   with   co o r d in ates  ( 1 ,   1 )   an d   p o s itio n   v ec t o r   1   .   I n   Fra m 2 ,   th e   co o r d in ates  o f   th ce n tr o id   f o r   th s am m icr o b u b b le   ar ( 2 , 2 ) ,   an d   th p o s itio n   v ec to r   is   2   B ased   o n   th ese  two   p o s itio n   v ec to r s ,   th d is p lace m en t m a g n itu d is   ca lcu lated   u s in g   th e   E u clid ea n   d is tan ce   f o r m u la  ( 3 ) .   Fin ally ,   th r is v elo city ,    ,   o f   th m icr o b u b b le  is   d eter m in ed   b y   ( 4 ) .     =   ( 2 1 ) 2 + ( 2 1 ) 2   ( 3 )      =     ( 4 )     W h er   is   th tim e   b etwe en   co n s ec u tiv f r am es.  I n   th is   s tu d y ,   t h ca m e r was  co n f ig u r ed   t o   r ec o r d   at    9 6 0   f p s ,   y ield in g   = 1 . 04    .   T h is   p r o c ed u r e   is   ap p lied   to   all  m icr o b u b b les  i n   ea c h   c o n s ec u tiv v id eo   f r am e.   Similar   to   clu s ter in g   tech n iq u es  lik K - m ea n s ,   th is   m eth o d   allo wed   tr ac k in g   th m icr o b u b b les  b y   id en tify in g   th e   co o r d in ates  o f   th eir   ce n tr o id s .   Fig u r 6   p r esen ts   f l o wch ar o f   th e   co m p lete  p ip elin e,   h ig h lig h tin g   th r ee   p r o ce s s in g   s tag es:  i)   d ata  l o ad in g ,   with   f r am ex tr ac tio n   f r o m   th e   o r i g in al  v id e o ,   w h er e   N   d en o tes  th n u m b er   o f   f r am e s ii)  im ag p r e - p r o ce s s in g   ( g r ay s ca le  co n v e r s io n   an d   a p p licatio n   o f   m ed ian ,   Gau s s ian ,   L ap lacia n   f ilter s ,   a n d   g am m a   co r r ec tio n ) ;   an d   i ii)  d etec tio n   an d   m ea s u r e m e n t,  in   wh ich af ter   Ots u   s eg m en tatio n   a n d   m o r p h o lo g ical  o p er atio n s th cir c u lar   Ho u g h   tr a n s f o r m   p r o v id es   ce n tr o id   p o s itio n s   th at  f ee d   d iam eter   esti m atio n   an d   s u b s eq u en r is v elo ci ty   co m p u tatio n .   T ab le  2   s h o ws  li s t   th im ag e - p r o ce s s in g   p ar a m eter s   u s ed .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Micr o b u b b le  s iz a n d   r is ve lo city  mea s u r eme n t in   d is s o lved     ( Je immy  A d r ia n a   Mu ñ o z   A leg r ía )   179           ( a)   ( b )   ( c)   ( d )     Fig u r 4 .   I m ag p r o ce s s in g   s eq u en ce   ( a )   g r a y s ca le  co n v e r s io n ,   ( b )   f ilter in g   an d   co n tr ast e n h an ce m e n t,    ( c)   s eg m en tatio n   a n d   m o r p h o l o g ical  r ef in em e n t,  an d   ( d )   Ho u g h - b ased   MB f ea tu r ex tr ac ti o n           Fig u r 5 .   R ep r esen tatio n   o f   m icr o b u b b le  d is p lace m en t a n d   its   ass o ciate d   v ec to r s           Fig u r 6 .   Flo wch ar o f   th e   im a g e - p r o ce s s in g   p ip elin e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   1 7 4 - 186   180   T ab le  2 .   Alg o r ith m - co n f ig u r at io n   p ar am ete r s   P r o c e ss i n g   s t a g e   P r o c e ss   i m p l e me n t e d   P a r a me t e r   V a l u e / s e t t i n g   D a t a   l o a d i n g   F r a me  e x t r a c t i o n   F r a me  r a t e   9 6 0   f p s   F r a mes  a n a l y z e d   2 3 5   c o n s e c u t i v e   f r a m e s   Pre - p r o c e ssi n g   G r a y sc a l e   c o n v e r si o n   C o l o r   sp a c e   R G B   →  i n t e n si t y   M e d i a n   f i l t e r   K e r n e l   si z e   7 × 7   p i x e l s   G a u ss i a n   f i l t e r   σ (s t d .   d e v . )   2 . 6   p i x e l s   Lo c a l   La p l a c i a n   M A TLA B   p a r a m e t e r s   si g m a = 0 . 1 2 ,   a l p h a = 9   G a mm a   c o r r e c t i o n   Li n e a r   s t r e t c h   R a n g e   [ 0 . 3   1 ]   D e t e c t i o n   a n d   m e a s u r e m e n t   O t su   t h r e sh o l d   A d a p t i v e   g l o b a l   A u t o   M o r p h o l o g y   S t r u c t u r i n g   e l e me n t s   Li n e l e n g t h   3   p i x e l s (er o si o n )   a n d     4   p i x e l s ( d i l a t i o n )   C i r c u l a r   H o u g h   t r a n sf o r m   R a d i u s ra n g e   5 2 0   p i x e l s   S e n s i t i v i t y   0 . 9   S p a t i a l - sca l e   c a l i b r a t i o n   P i x e l - sc a l e   f a c t o r   5 . 7 9   µ m / p i x e l       2 . 4 .     M icro bu bb le  t ra ck ing   Mic r o b u b b le  tr ajec to r ies  wer r ec o n s tr u cted   ac r o s s   co n s ec u tiv p r o ce s s ed   f r am es.  Fo r   e ac h   f r am e   p air ,   th e   alg o r ith m   lin k s   m i cr o b u b b le  ce n tr o id s   u s in g   a   n ea r est - n eig h b o r   r u le  b ased   o n   th e   m in im u m   E u clid ea n   d is tan ce   b etwe en   a   ce n tr o id   in   th c u r r e n f r am e   ( )   an d   all  ce n tr o id s   d etec ted   i n   th n ex f r am e   ( + 1 ) th m atch   with   th s m all est  d is tan ce   is   p r o v is io n ally   ass ig n ed   as  th c o n tin u ati o n   o f   th at   m icr o b u b b le  ( 3 ) .   T h is   p air wis ass o ciatio n   is   r ep ea ted   f o r   al ce n tr o id s   i n   th e   f r am e ,   p r o d u cin g   a   p r elim in ar y   m ap p in g   f r o m   Fra m 1   to   Fra m 2 ,   Fra m 2   to   Fra m 3 ,   an d   s o   o n   th r o u g h   th wh o le  im a g s eq u en ce   o f   ea ch   ex p er im en t.   T h f r a m e - to - f r am lin k in g   p r o ce d u r is   iter ated   ac r o s s   all  2 3 5   p r o ce s s ed   f r am win d o ws.  T h is   ap p r o ac h   h elp s   m an ag tem p o r ar y   cl u s ter in g   an d   p ar tia o cc lu s io n   ev en ts   cr ea ted   b y   tu r b u len ce   an d   r ec ir cu latin g   f lo ws  in   t h DAF  tan k .   T ab le  3   s h o ws  th at  th alg o r ith m   s u cc ess f u lly   tr ac k ed   as  m an y   as  3 2   m icr o b u b b les  s im u ltan eo u s ly   in   in d iv id u al  v id eo s ,   e v en   u n d er   v ar iab le  wo r k in g   p r ess u r es th at  in cr ea s ed   f lu id   ag itatio n .   T o   f o cu s   o n   b u o y a n tr an s p o r b eh a v io r ,   o n ly   m icr o b u b b les  th at  m o v ed   f r o m   th e   lo wer   to   th u p p er   r eg io n   o f   th f r am s eq u en ce   wer r etain e d   f o r   a n aly s is .   W h en   o v er la p p in g   o cc u r r ed ,   m icr o b u b b les  wer e   tr ac k ed   s o   lo n g   as  th eir   ce n tr o id s   wer s ep ar ab le  in   th f ir s p r o ce s s ed   f r am o f   th v id eo th er ea f ter ,   th e   n ea r est - n eig h b o r   lin k ag p r eser v ed   th ei r   id en titi es  ac r o s s   f r am es  u n less   co m p lete  m er g in g   p er s is ted   o v er   m u ltip le  f r am es.   New ly   en ter in g   m icr o b u b b les  b etwe en   co n s ec u tiv f r am es  ca n   d is r u p tr ac k in g   if   n o h an d le d   ex p licitly ,   b ec a u s th eir   ce n tr o id s   m ay   i)   o v er w r ite  th e   co o r d in ates  o f   p r ev io u s ly   tr ac k e d   m icr o b u b b les  o r   ii)   b o m itted   alto g eth er   wh e n   ar r ay   d im en s io n s   ar f ix ed .   T o   m itig ate  th is ,   th tr ac k in g   r o u tin allo ca tes  ex p an d a b le  ( d y n a m ic)   d ata   s tr u ctu r es  f o r   ce n tr o id   s to r ag e,   ap p en d i n g   n ew  m icr o b u b b le  I Ds  as  th ey   ap p ea r   r ath er   th an   r eu s in g   ex is tin g   i n d ices.  B ef o r lin k in g ,   t h alg o r ith m   ch ec k s   wh eth er   ca n d id at m atch es e x ce ed   a   d is tan ce   g ate;  if   s o ,   n ew  tr ajec to r y   is   in itialized   in s tead   o f   o v er wr itin g   a n   ex is tin g   o n e.   T h is   s tr ateg y   p r eser v es  estab lis h ed   tr ac k s ,   ac co m m o d ates  n ew  ar r i v als,  an d   p r e v en ts   lo s s   o f   ce n tr o id   d ata  in   h ig h - th r o u g h p u t seq u en ce s .       T ab le  3 .   T r ac k ed   m ic r o b u b b le s   at  d if f er en t e x p er im en ts .   E ac h   o n is   r elate d   t o   T ab le  1   Ex p e r i m e n t   P r o c e ss e d   v i d e o s   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   N u mb e r   o f   mi c r o b u b b l e d e t e c t e d   b y   v i d e o   A   21   17   27   17   18   18   9   13   11   15   B   12   20   32   12   32   20   20   27   24   21   C   25   21   30   21   25   26   20   15   9   27   D   11   16   16   8   9   12   8   12   7   14       3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O   Mic r o b u b b le  s ize  an d   r is e - v elo city   r esp o n s es  wer q u an tifie d   f o r   f o u r   o p er atin g   co n d itio n s   ( E x p er im e n ts   A D)   th at  co m b in ed   r ec ir cu latio n   p r ess u r an d   in jecte d   air f lo r ate  as sh o wn   in   T ab le  1 .   T h ese   r esp o n s es  wer p r o ce s s ed   u s in g   th e   alg o r ith m   s ettin g s   s u m m ar ized   in   T ab le  2 .   T h e   3 4   p s i/   0 . 1   L /m in   co n d itio n   is   p r esen ted   f ir s t o   illu s tr ate  th d ata  o u t p u ts ,   in clu d in g   d iam eter   an d   r is e - v elo city   h is to g r am s   ( Fig u r es  7   an d   8 ) .   R esu lts   f o r   th r em ain in g   o p er ati n g   co n d itio n s   ar th en   co m p ar e d ,   an d   o v er all  tr en d s   ar e   s u m m ar ized   to   id e n tify   r a n g es   th at  f av o r   th g e n er atio n   o f   s m aller - d iam eter ,   s lo wer - r is in g   MBs .   Un d er   3 4   p s r ec ir cu latio n   p r ess u r an d   an   air f lo r ate  o f   0 . 1   L / m in   ( E x p er im e n A) ,   MB  d iam eter s   s p an n ed   ap p r o x im ately   7 0 2 0 0   µm ,   y i eld in g   m ea n   o f   1 1 7 . 3 4   µm   with   s tan d ar d   d ev iatio n   o f   2 8 . 3 0   µ m   as  s h o wn     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Micr o b u b b le  s iz a n d   r is ve lo city  mea s u r eme n t in   d is s o lved     ( Je immy  A d r ia n a   Mu ñ o z   A leg r ía )   181   in   Fig u r 7 .   T h co r r esp o n d in g   r is v elo cities  r an g ed   f r o m   0 . 1 × 1 0 ⁴  to   3 . 5 × 1 0 ⁴  µm / s ,   with   m ea n   o f     1 . 3 5 × 1 0 ⁴  µ m /s   an d   a   s tan d ar d   d ev iatio n   o f   7 . 5 8 × 1 0 ³   µm /s   a s   s h o wn   in   Fig u r 8 .   M o s M B s   in   th is   co n d itio n   clu s ter ed   b etwe en   ~8 5   a n d   1 4 0   µm   ( m o d al  ~9 0 1 0 5   µ m )   an d   e x h ib ited   p o s itiv ely   s k ewe d   d iam eter     tail  with   o cc asio n al  lar g e r   b u b b les;   r is v elo cities  lik ewise  co n ce n tr ated   b elo ~ 1 . 8 × 1 0 ⁴  µm /s   ( m o d a l     ~0 . 7 1 . 2 × 1 0 ⁴  µm /s )   with   s p ar s h ig h - v elo city   o u tlier s ,   p att er n s   co n s is ten with   in ter m itten co alescen ce   a n d   lo ca lized   tu r b u le n t a cc eler atio n   in   th DAF  f lo w.           Fig u r 7 .   Mic r o b u b b le  d iam et er s   in   e x p er im e n t A           Fig u r 8 .   Mic r o b u b b le  r is v el o city   in   e x p er im en t A       E x p er im en B   ( 3 4   p s i;  0 . 5   L / m in )   p r o d u ce d   lar g er   MBs ,   1 0 0 4 0 0   µm   in   d iam eter   ( m ea n   1 6 5 . 3 2   µm ;   SD  6 5 . 4 2   µm ) ,   with   r is v elo cities  o f   0 . 5 ×1 0 3 . 5 ×1 0 ⁴  µm /s   ( m ea n   2 . 0 4 ×1 0 ⁴  µm /s S 6 . 7 9 ×1 0 ³  µm /s ) .   I n c r ea s in g   p r ess u r e   t o   3 6   p s i   wh i le   h o ld in g   a ir f l o w   at   0 . 1   L /m in   ( E x p e r i m e n t   C )   r ed u ce d   MB   d ia m et e r s   to     50 1 5 0   µm   ( m ea n   9 8 . 6 5   µ m ;   SD   2 0 . 4 1   µm )   an d   y ie ld ed   r is e   v el o ci ties   o f   1 ×1 0 2 . 5 ×1 0   µ m /s   ( m e a n   9 . 8 9 × 1 0 ³  µm /s SD  4 . 9 7 ×1 0 ³  µm /s ) .   At  3 6   p s wi th   0 . 5   L / m i n   ai r f l o ( E x p e r i m e n D) ,   MB  d i am ete r s   w e r   75 1 6 0   µ m   ( m e an   1 0 2 . 6 0   µ m ;   SD  1 9 . 9 1   µm )   a n d   r is v e lo ci ties   0 . 1 × 1 0 2 . 7 × 1 0   µ m /s   ( m ea n   1 . 2 8 × 1 0   µ m /s ;   SD  6 . 3 1 ×1 0 ³  µ m /s ) .   Acr o s s   all  f o u r   ex p e r im en ts ,   m ea n   MB  d iam eter s   r em ain ed   b elo 2 0 0   µm   an d   m ea n   r is v elo cities  b elo 2 . 1 ×1 0 ⁴  µ m /s .   No tab ly ,   th e   3 6   p s i/  0 . 1   L /m in   co n d itio n   p r o d u ce d   th s m allest  m ea n   d iam eter s   an d   am o n g   th lo w est  v elo cities  ( 1 ×1 0 ⁴  µm /s ) ,   wh ile  th 3 6   p s i/  0 . 5   L /m i n   an d   3 4   p s i/  0 . 1   L /m i n   co n d itio n s   also   y ield e d   m ea n   d iam eter s   1 2 0   µ m   an d   m ea n   v elo cities  1 . 4 ×1 0 ⁴  µm /s .   T h ese  th r ee   o p er atin g   co m b in atio n s ,   t h er ef o r e,   r e p r esen th m o s f av o r ab le  r an g es,  with in   th o s test ed ,   f o r   g en er atin g   r elativ ely   s m all  an d   s lo w - r is in g   MBs .   T h r ep r o d u cib ilit y   o f   r esu lt s   was  a s s e s s ed   th r o u g h   r ep ea ted   test s ,   s h o win g   co n s is ten cy   with   f in d in g s   f r o m   s im ilar   s tu d ies.  Sp ec if ically ,   r ed u cin g   b u b b le  s ize  r esu lts   in   d ec r ea s in   r is v elo city ,   wh ich   co n tr asts   with   th p h e n o m e n o n   th at  r is v el o city   in cr ea s es  as  b u b b le  s ize  g r o ws.  T h is   tr en d   is   illu s tr ated   in   Fig u r 9 ,   wh ich   s h o ws  th r is v elo cities  o f   th r ee   m icr o b u b b les  with   d if f er en d iam eter s .   T h m icr o b u b b le   with   d iam eter   o f   8 3 . 6 4   µm   h as  lo wer   r is v el o city   th a n   th o s with   d iam eter s   o f   8 9 . 6 4   µm   an d   1 0 2   µ m .   T h is   f ac o cc u r s   b ec au s s m al ler   m icr o b u b b les  co n tain   less   o x y g e n   an d   m o v m o r s lo wl y .   T h e   v elo cities  o f   all  th r ee   m icr o b u b b les  s h o f lu ctu atio n s ,   lik ely   d u t o   f lu id   tu r b u le n ce   d u r in g   ascen t,  wh ich   m ay   b ca u s e d   b y   h y d r o d y n am ic  ca v itatio n .   T h is   tu r b u le n ce   ca n   lead   t o   co llis io n s   b etwe en   m icr o b u b b les,  r esu ltin g   in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   1 6 ,   No .   1 Feb r u ar y   20 2 6 :   1 7 4 - 186   182   s u d d en   c h an g es  i n   tr ajec to r y   o r   s p ee d .   Fu r th er m o r e,   p r io r   wo r k   o n   h y d r o d y n a m ic - ca v i tatio n   s y s tem s   h as  r ep o r ted   th at  b u b b les  m ay   n u c leate   an d   m ig r ate  n ea r   co n f in i n g   walls,  wh er th wettab ilit y   o f   th o s s u r f ac es  ( h y d r o p h o b ic  v s .   h y d r o p h ilic )   ca n   i n f lu en ce   b u b b le  s tab ilit y ,   co alescen ce   b e h av io r ,   an d   r esu ltin g   s ize  d is tr ib u tio n s   [ 5 0 ] .   Su ch   n ea r - wall  wettab ilit y   ef f ec ts   co u ld   co n tr ib u te  to   th v ar iab ilit y   in   m icr o b u b b le  d iam eter s   o b s er v ed   ac r o s s   o u r   o p er atin g   co n d itio n s   an d   m er i t ta r g eted   in v esti g atio n   i n   f u t u r wo r k .           Fig u r 9 .   E x am p le  o f   th r ee   m i cr o b u b b les s p ee d   b e h av io r   with   d if f er e n t d iam eter s       B ased   o n   th r esu lts ,   th i s   r e s ea r ch   d eter m in ed   th d iam e ter   an d   r is v elo city   o f   m icr o b u b b les   g en er ated   in   a   lab o r ato r y - s ca le  DAF  tan k ,   f o cu s in g   o n   th tu r b u len ce   p r im ar ily   p r o d u ce d   in   th co n tact  ch am b er   wh er wate r   f l o an d   m icr o b u b b les  m ix   in ten s i v ely .   I n   DAF  s y s tem s ,   tu r b u len ce   is   cr u cial  f o r   en s u r in g   th u n if o r m   d is tr ib u t io n   o f   air   b u b b les,  wh ich   allo ws  s u s p en d ed   p ar ticles  to   ad h er to   th b u b b les  an d   f o r m   MB - p ar ticle  clu s ter s .   T h er e f o r e,   an   in c r ea s in   th air - wate r   r atio   is   ex p ec ted   t o   e n h an ce   th b u b b le   co alescen ce   r ate  [ 5 1 ] .   E ac h   e x p er im en t   in d ir ec tly   d em o n s tr ated   th at  MB  f o r m atio n   p r im a r ily   d ep e n d s   o n   t h p r ess u r s et  f o r   th DAF  s y s tem ' s   p r es s u r ized   wate r   an d   r ec ir cu latio n   p r ess u r e,   with   s m aller   m icr o b u b b le   d iam eter s   o b s er v ed   at  r ec ir cu l atio n   p r ess u r es o f   0 . 1   L /m i n   a s   s h o wn   in   T ab le  4 .       T ab le  4 .   Diam eter s   an d   r is v e lo cities o f   m icr o b u b b les f o r   ea ch   ex p er im e n t   Ex p e r i m e n t   A i r   i n j e c t i o n   r a t e s [L / mi n ]   S a t u r a t i o n   P r e s su r e   [ p s i ]   D i a me t e r [ µ m]   R i se   v e l o c i t y   [ µ m/ s]   A   0 . 1   34   1 1 7 . 3 4   1 . 3 5 × 10 4   B   0 . 5   34   1 6 5 . 3 2   2 . 0 4 × 10 4   C   0 . 1   36   9 8 . 6 5   9 . 8 9 × 10 3   D   0 . 5   36   1 0 2 . 6 0   1 . 2 8 × 10 4       Dif f er en s tu d ies  h av e   ad d r ess ed   b u b b le  ch ar ac te r izatio n   i n   DAF  s y s tem s h o wev er ,   th im p ac o f   o p er atio n al   p ar am eter s ,   s u ch   as  r ec ir cu latio n   f lo r ate   an d   s atu r atio n   p r ess u r e,   o n   b u b b le   g en er atio n   h as  y et   to   b th o r o u g h ly   d etailed .   A d d itio n ally ,   s tu d ies  in   th liter atu r o f ten   ex a m in DAF  b u b b les  in   f lo tatio n   co lu m n s ,   wh e r b u b b le   ch ar a cter izatio n   is   m o r e   o p tim al  d u to   h y d r o d y n am ics  th at  b etter   alig n   with   t h e   b u b b les'   n atu r al  u p war d   m o v em en t.  I n   co n tr ast,  r ec ta n g u lar   f l o tatio n   tan k s   p r esen m o r c o m p lex   h y d r o d y n am ics.  Fu r th er m o r e ,   DAF  s y s tem s   ty p ically   u tili ze   m icr o b u b b le  g en er atio n   p u m p s ,   wh ich   y ield   o p tim al  r esu lts   b u ar e   co s tly .   T h is   s tu d y ,   h o wev er ,   u tili ze d   Ven tu r tu b e   f o r   m icr o b u b b l g en er atio n   d u e   to   its   s im p licity   an d   lo co s t.   Fo r   ex am p le,   in   [ 5 2 ] ,   lab o r a to r y - s ca le  DAF  co lu m n   r ea cto r   was  d esig n ed   to   ev alu ate  th r em o v al   o f   to tal  s u s p e n d ed   s o lid s   an d   m ea s u r b u b b le  s ize.   B u b b le  d iam eter s   wer ca lcu lated   b as ed   o n   v elo cit y   d ata   an d   Sto k es'   eq u atio n h o wev e r ,   th is   eq u atio n   ass u m es  th at  th b u b b les  ar s p h er ical,   h av e   s m o o th   s u r f ac e,   an d   f lo in   lam i n ar   co n d iti o n s .   T h h o r izo n tal  a n d   v e r tical  v elo city   co m p o n en ts   o f   ea ch   f r am wer e   ex tr ac ted   u s in g   p a r ticle  im ag v elo cim etr y .   I n   [ 1 3 ] ,   h ig h - s p ee d   p h o to g r a p h y   in   r ec t an g u lar   DAF  tan k   s y s tem   was  u s ed   to   ch ar ac te r ize  m icr o b u b b le  s ize  an d   r is v elo city .   Ho we v er ,   th is   s y s tem   u s ed   g en er atio n   m eth o d   d is tin ct  f r o m   th V en tu r tu b e,   with   e f f lu en t   f l o co n tr o an d   tem p e r atu r e   r eg u latio n   b etwe en     15 2 0   °C .   I n   Swar et  a l.   [ 5 3 ]   u s ed   th s am s y s tem   to   s im u ltan eo u s ly   m o n ito r   f lo p atter n s   an d   th ch ar ac ter is tics   o f   b u b b les  an d   p last ic  m icr o p ar ticles  in   DAF.   T h h o r izo n tal  an d   v er tical  c o o r d in ates,  as  well  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Micr o b u b b le  s iz a n d   r is ve lo city  mea s u r eme n t in   d is s o lved     ( Je immy  A d r ia n a   Mu ñ o z   A leg r ía )   183   as  th b u b b le  d iam eter ,   wer e   r ec o r d ed   t o   tr ac k   b u b b les  ac r o s s   co n s ec u tiv im ag es  an d   ca lcu late  th eir   r is e   v elo city .   Ho wev er ,   th au t h o r s   d id   n o t a d d r ess   th p r esen ce   o f   o v e r lap p in g   m icr o b u b b les.   C o m p ar ed   w ith   p r ev io u s   D A s tu d ie s   th a r e li ed   o n   h ig h - s p e ed   in d u s tr ia ca m er a s   [ 1 3 ] [ 5 2 ] [ 5 3 ]   o r   o n   in d ir e ct  s iz in f er en c f r o m   Sto k e s - l aw   a s s u m p ti o n s   u n d er   id e al ,   l am in ar   co n d i tio n s   [ 5 2 ] ,   th p r es en t   wo r k   a ch i ev e s   co m p a r ab le  m ea s u r e m en r an g e s   wh il u s in g   lo w - co s Hu aw ei  P3 0   s m ar tp h o n e,   V en tu r i   in j ec to r ,   an d   a   co n v en tio n al   2   H P   w ate r   p u m p   th a t   r ec ir cu l ate s   t ap   wa te r   at   u p   to   1 6   L   m in ¹  an d   3 4 3 6   p s i.   Un d er   id en t ic al  h y d r au li co n d it io n s ,   th p r o p o s ed   alg o r i th m   r e s o l v e s   M B   o v er lap   ca u s e d   b y   tu r b u le n ce ,   an   is s u n o a d d r e s s ed   in   ea r l ier   s tu d i e s ,   th r o u g h   f r a m e - by - f r am ce n tr o id   tr a ck in g   w ith   E u cl id e an - d i s t an c e   g ate   ( Se ct io n   2 . 4 ) .   I n   th r ec t an g u l ar - tan k   g eo m et r y   u s ed ,   m ea n   d i am e ter s   o f   9 9 1 6 5   µ m   an d   r is v elo ci t ie s   o f   9 . 9 × 10³ 2 . 0 × 1 0 ⁴  µm   s ¹   a s   s h o wn   in   T ab le   4   f a l wi th in ,   o r   i m p r o v u p o n ,   th r an g e s   r ep o r t ed   f o r   co lu m n   r ea c to r s   ( 6 7 4 0 0   µm   an d   1 . 1 × 10⁴ 3 . 5 × 1 0 ⁴  µ m   s ⁻¹ )   w h il av o id in g   th o v er - s eg m en t at io n   an d   h ig h   co m p u t at io n al  co s a s s o ci at e d   wi th   w at er s h ed - b a s ed   p ip el in e s   [ 3 2 ] [ 4 6 ] [ 4 7 ] .   T h e s r esu lt s   d em o n s tr a te   th a th p r o p o s ed   im a g e - p r o ce s s in g   co n f i g u r a tio n .   T ab le   2   s h o w s   p r o v id e   p r ac t ic al   an d   co s t - ef f ec tiv e   al ter n at iv e   f o r   M B   ch ar a ct e r iz at io n   in   th m o r e   h y d r o d y n am i ca lly   c o m p l ex   an d   in d u s tr i al ly   s tan d ar d   r ec tan g u lar   D A tan k s ,   w ith   th ad d ed   ad v an t ag e   o f   r o b u s p e r f o r m an c u n d er   h ig h   r ec i r cu l at io n   f lo a n d   tu r b u len t o v e r l ap .       4.   CO NCLU SI O N   lo w - co s co m p u ter - v is io n   s y s tem   was  d ev elo p ed   in   M AT L AB   to   q u an tify   m icr o b u b b le  ( MB)  d iam eter   an d   r is v elo city   in   lab o r ato r y - s ca le  DAF  tan k .   T h p i p elin c o m b in es   g r ay s ca le  co n v e r s io n ,   Me d ian ,   Gau s s ian ,   an d   lo c al - L ap lacia n   f ilter in g ,   g am m co n tr ast  en h an ce m en t,  Ots u   s eg m en tatio n ,   m o r p h o lo g ical   r ef in em e n t,  a n d   C ir cu lar   Ho u g h   d etec tio n .   MB  tr ajec to r ies  ar e   r ec o n s tr u cted   b y   lin k in g   ce n tr o id s   f r a m e - to - f r am wit h   a   E u cli d ea n   d is tan ce   g ate,   allo win g   f o r   r eliab le  m ea s u r em en ev e n   wh e n   b u b b les  o v er la p   in   tu r b u len f lo w.   Un d er   th f o u r   o p er ati n g   co n d itio n s   ex am in ed ,   th 3 6   p s i/  0 . 1   L /m in   s ettin g   p r o d u ce d   th s m allest  m ea n   d iam eter   ( ~9 9   µm )   a n d   th lo west  m ea n   r is v elo city   ( ~9 . 9 × 1 0 ³   µm /s ) ,   co n f ir m in g   th at  s m aller   b u b b l es r is m o r s lo wly   an d   th e r ef o r r em ain   av ailab le  lo n g er   f o r   p ar ticle  ca p tu r e.   C o m p ar ed   to   ea r lier   DAF  s tu d ies  th at  r elied   o n   h ig h - s p ee d   in d u s tr ial  ca m er as,  Sto k es - law   ass u m p tio n s ,   o r   c o m p u tatio n al ly   in ten s iv wate r s h ed   s eg m en tatio n ,   th p r o p o s ed   s m ar tp h o n e - b ased   a p p r o ac h   ac h iev es  s im ilar   m ea s u r em en r an g es  wh ile   r eso lv in g   b u b b le  o v e r lap   a n d   s ig n if ica n tly   r ed u ci n g   c o s an d   co m p lex ity .   T h o b s er v ed   v a r iab ilit y   in   MB  s ize  ac r o s s   c o n d itio n s   s u g g ests   th at  f ac to r s   s u ch   as  s u r f ac e   wettab ilit y ,   f lu id   ch em is tr y ,   an d   tem p er atu r e   m ay   f u r th er   in f lu e n ce   b u b b le   n u clea tio n   an d   co alescen ce .   Fu tu r wo r k   will  in v esti g ate  th ese  v ar iab les  an d   s ca le  th e   alg o r ith m   to   f u ll - s ize  DAF  u n its   to   v alid ate  its   p r ac ticality   f o r   o n - s ite  m o n ito r in g   an d   p r o ce s s   o p tim izatio n .       ACK NO WL E DG E M E NT S   T h au t h o r s   th a n k   th e   Hy d r au lics   L ab o r ato r y   an d   th e   Ma s ter 's  Pro g r am   in   Au to m atio n   at  t h Un iv er s ity   o f   C au ca   f o r   th eir   a s s is tan ce   in   th ex p e r im en tal  s etu p .       F UNDING   I NF O R M A T I O N   T h is   wo r k   r ec eiv e d   n o   s p ec if i g r an f r o m   f u n d i n g   ag e n cie s   in   th p u b lic,   c o m m er cial,   o r   n o t - f o r - p r o f it  s ec to r s .   T h s tu d y   wa s   ca r r ied   o u u s in g   th f ac i liti es  an d   r o u tin e   r eso u r ce s   o f   th H y d r a u lics   L ab o r ato r y   at  Un iv e r s id ad   d el  C au ca .       AUTHO CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T     T h is   jo u r n al  u s es  th C o n tr ib u to r   R o les  T ax o n o m y   ( C R ed iT)   to   r ec o g n ize  in d iv id u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .     Na m o f   Aut ho r   C   M   So   Va   Fo   I   R   D   O   E   Vi   Su   P   Fu   J e i m m y   A d r i a n a   M u ñ o z   A l e g r í a                               J esú s   E m ilio   Pin to - L o p er a                               E len Mu ñ o z - E s p a                               J u an   Fer n an d o   Fló r ez - Ma r u lan d a                                 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.