ISO 21910-22025 细气泡技术 微气泡的表征 第2部分原位动态图像分析法标准立项发展报告

细气泡技术微气泡的表征第2部分：原位动态图像分析法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Finebubbletechnology—Characterizationofmicrobubbles—Part2:In-situdynamicimageanalysismethod摘要关键词：细气泡技术；微气泡表征；原位动态图像分析；国际标准；ISO21910-2；标准化1引言1.1研究背景细气泡技术是指利用特定发生装置在液体中产生直径小于100微米气泡的工程技术体系。依据气泡直径的不同，细气泡可细分为微气泡（1～100μm）和纳米气泡（<1μm）。近年来，该技术在污水处理、水产养殖增氧、矿物浮选、精密清洗、农业灌溉及医疗诊断等众多领域展现出巨大的应用潜力。然而，气泡的粒径分布、数浓度、比表面积以及形貌特征等参数不仅是评价气泡发生装置性能的关键指标，更是理解气泡行为及其功能效应的物理基础。由于微气泡具有密度小、上升速度快、易聚并破裂等特点，传统离线取样检测方法在采样过程中极易改变气泡的原始状态，导致测量结果失真。1.2标准化需求分析在此背景下，国际标准化组织ISO于2013年成立了细气泡技术委员会ISO/TC281（Finebubbletechnology），专门致力于细气泡技术的术语定义、计量方法、评估技术及应用规范的标准化工作。在已发布的系列标准中，ISO21910系列标准定位于微气泡表征方法的规范，其中第1部分为离线图像分析法，而本次立项的Part2则聚焦于更契合实际工况的原位动态图像分析法。该标准的制定旨在解决微气泡在流场中难以稳定测量、离线检测失真及跨设备结果不可比等技术瓶颈，实现微气泡表征方法的国际统一和测量结果的可溯源性。2标准基本信息概述2.1标准编号与名称-标准编号：ISO21910-2:2025-中文名称：细气泡技术微气泡的表征第2部分：原位动态图像分析法-英文名称：Finebubbletechnology—Characterizationofmicrobubbles—Part2:In-situdynamicimageanalysismethod-标准状态：现行-发布机构：国际标准化组织（ISO）-ICS分类号：物理学、化学-发布日期：2025年5月12日-发布年份：2025年-国别：国际组织-语言：英语2.2标准适用范围该标准规定了利用原位动态图像分析系统对液体介质中微气泡的粒径分布、数浓度和形貌特征进行在线测量的方法原理、装置要求、测量步骤、数据处理及结果报告等内容。适用于直径范围在1μm至100μm之间的微气泡测量，涵盖纯水、工艺用水、表面活性剂溶液及其他典型工业液体介质中的应用场景。3标准立项的技术背景3.1微气泡表征的技术现状迄今为止，国内外微气泡表征手段主要分为电学传感法、激光衍射法、动态光散射法及图像分析法等类型。电学传感法（如库尔特计数器）能够提供高分辨率的粒径数据，但对气泡的导电性介质有严格要求，适用场景受限。激光衍射法凭借测量速度快、重复性好等优点在工业中获得了广泛应用，然而其测量结果基于球形等效假设，无法反映非球形气泡的真实形貌。动态光散射法则更适用于纳米尺度颗粒的测量，对微米级气泡的适用性和分辨率有所不足。图像分析法通过高速相机捕获气泡图像并辅以图像处理算法获取粒径和形貌信息，能够直观反映气泡的真实状态。然而，传统的离线图像分析需对待测液体进行采样、稀释和制样，此过程极易导致气泡聚并、破裂或溶解，破坏样品的原始状态，故其测量结果与实际工况之间存在系统性偏差。3.2原位测量技术的发展趋势近年来，随着高分辨率CMOS传感器、高速数据采集与传输技术、以及基于深度学习的图像识别算法的迅猛发展，原位（in-situ）动态图像分析技术已逐步成熟。该技术将光学探头或显微成像系统直接浸入待测液体中，利用频闪光源或高速快门冻结运动气泡的瞬时图像，在不扰动流场和气泡原始状态的条件下实现实时、连续、原位测量。这一技术路线有效克服了离线方法的固有缺陷，为微气泡的准确表征提供了全新的解决路径。3.3国际标准立项的必要性尽管原位动态图像分析系统已在多款商用仪器中得到应用，但各制造商在硬件设计、图像采集参数、算法处理流程及结果表达方式上存在显著差异，导致不同设备对同一气泡体系的测量结果缺乏可比性。为促进细气泡技术的产业化发展，建立一套统一的、基于原位动态图像分析法的国际标准成为ISO/TC281技术委员会的重要议程。在此背景下，ISO21910-2:2025的立项和发布标志着微气泡原位表征领域国际标准化工作取得了里程碑式的突破。4标准主要技术内容4.1方法原理原位动态图像分析法的核心原理为：将带有显微物镜和数字图像传感器的测量探头直接浸入含有微气泡的液体中，以可控频闪光源从背光方向照亮测量区域，高速相机以微秒级曝光时间捕获测量视场（FieldofView,FOV）内的气泡图像。随后，基于图像处理算法对原始图像进行背景扣除、噪声滤除、边缘检测、二值化分割和连通域标记，进而对每个独立气泡的等效圆直径、投影面积、周长、圆度、长宽比等参数进行定量计算。通过统计大量气泡图像数据，可以获得微气泡体系的粒径分布直方图、累积分布曲线以及数浓度（单位体积中的气泡数量）等关键指标。4.2标准涵盖的关键技术指标标准对以下核心技术参数的设置与校准提出了明确要求：-测量视场与光学分辨率：规定物镜放大倍率与成像芯片像素尺寸的匹配关系，确保每个气泡的等效直径覆盖至少5至10个像素，以保证测量精度。-频闪光源与曝光时间：要求频闪脉冲宽度应足以“冻结”以一定速度运动的气泡影像，避免运动模糊对边缘判定的干扰。-动态聚焦与景深控制：界定景深范围内气泡的判定准则，排除失焦气泡对统计结果的干扰。-最小统计样本量：规定单次有效测量的气泡统计数量下限，确保粒径分布数据的统计显著性。-数浓度计算公式：明确基于测量体积（视场面积×景深）与统计气泡数目的换算方法。-校准与溯源：规定使用标准粒子（如NIST可溯源聚苯乙烯微球）对系统进行定期校准的程序和允许偏差范围。-数据表达与不确定度评估：规范粒径分布的表达方式（如体积加权平均直径D[4,3]、索特平均直径D[3,2]、D10/D50/D90等），并给出测量不确定度评定的框架性指南。4.3结果报告要求标准在结果报告方面要求标注测量条件（温度、压力、液体介质组成、流速等）、图像采集参数、统计气泡数量、粒径分布特征值以及不确定度评估信息，以确保测量过程的透明性和结果的可追溯性。5与相关标准的关系及协调性ISO21910-2:2025在细气泡技术标准体系中与多部标准形成紧密衔接。在术语和定义层面，该标准与ISO20480-1《细气泡技术通用原则第1部分：术语》保持术语使用的一致性，确保各标准间不产生概念冲突。在气泡发生装置的测试方面，该标准所规定的测量方法可作为ISO20480-2《细气泡技术通用原则第2部分：气泡发生装置中气泡数浓度的测量方法》中数浓度测量的技术手段之一，为装置性能评价提供数据支撑。在应用层标准方面，该标准的测量方法为净水处理、农业灌溉等应用领域中气泡性能的现场评测提供了方法学基础。在同类表征标准维度上，ISO21910-1规定了离线图像分析法，适用于可采样至测量池中测定的场景；而部分2所确立的原位方法则与部分1形成互补，前者适用于非侵入式现场测定，后者适用于可控条件下的实验室分析。两部分共同构成微气泡表征的完整方法论体系，使用方可根据应用场景和测量需求选择适宜的方法。6对产业发展的影响与推动6.1提升微气泡技术应用的可信度ISO21910-2:2025的发布实施，为微气泡发生装置的制造商、使用方及第三方检测机构提供了统一的性能评价基准。设备制造商可以该标准为依据对其产品的气泡发生效率和粒径控制能力进行量化描述；终端用户可根据标准规定的测量方法对采购设备进行验收和运行监测，从而在供需之间建立起基于统一标尺的技术对话机制。这有助于消除市场中的信息不对称问题，提升优质产品的辨识度和市场竞争力。6.2促进跨行业技术转移与比较研究在水处理工程中，曝气气泡的粒径直接影响氧传质系数与能耗效率。依据该标准对不同曝气装置进行标准化比对测试，有助于污水处理厂选择最优曝气方案，降低运行能耗。在生物医药领域，微泡造影剂的粒径分布与超声成像效果密切相关，该标准为微泡类制剂的质量控制提供了国际公认的检测依据。在精密制造领域，微气泡清洗技术对半导体晶圆和精密光学元件的无损清洗效果高度依赖于气泡尺寸的精准控制，该标准的发布为工艺开发和过程质量监控提供了可靠的技术支撑。6.3推动仪器仪表行业发展标准的发布还将对微气泡测量仪器行业产生直接的拉动效应。随着标准在国际范围内的推广应用，符合ISO21910-2要求的原位动态图像分析仪将成为细气泡研究机构和生产企业的基础配置设备，推动仪器制造商在产品设计、软件算法、校准服务等方面持续创新和迭代升级。7主要起草企事业单位及标委会介绍7.1ISO/TC281技术委员会负责该标准制修订的技术委员会为ISO/TC281（细气泡技术委员会）。该委员会成立于2013年，秘书处由日本工业标准调查会（JISC）承担。ISO/TC281的工作范围涵盖细气泡技术的术语、定义、计量与评价方法、气泡发生装置、应用技术指南等全链条标准化工作。委员会下设多个工作组（WG），其中负责气泡表征标准制定的工作组汇聚了来自中国、日本、德国、韩国、英国等多个国家的专家学者，共同推进细气泡系列国际标准的研制。7.2中国参与单位的技术贡献在全国纳米技术标准化技术委员会（SAC/TC279）的组织协调下，中国多家科研机构和企业积极参与了ISO21910-2的起草工作，包括中国计量科学研究院、中国科学院过程工程研究所、纳泡检测技术（上海）有限公司等。中国专家团队在标准制定过程中承担了多项关键技术验证工作，包括：-系统开展了不同放大倍率、不同曝光条件下微气泡图像质量对比实验，为标准中光学参数的选取提供了实验依据；-利用标准聚苯乙烯微球开展了多台仪器间的交叉比对测量，验证了标准方法在不同设备之间的复现性和可比性；-提出了基于图像清晰度评价函数的气泡自动对焦判定准则，被采纳为标准中动态聚焦控制方法的参考方案，提升了标准在复杂工况下的适用性。上述工作不仅推动了中国在细气泡国际标准领域的话语权提升，也为国内微气泡技术的研发和产业化提供了与国际接轨的技术规范支撑。8结论与展望ISO21910-2:2025《细气泡技术微气泡的表征第2部分：原位动态图像分析法》的正式发布，填补了微气泡原位表征领域国际标准的空白，是细气泡技术标准化进程中具有里程碑意义的成果。该标准基于原位动态图像分析技术路线，有效规避了传统离线方法在采样环节引入的测量偏差，为微气泡体系的粒径分布、数浓度及形貌特征提供了一套科学、统一、可溯源的测量方法体系。展望未来，随着该标准在全球范围内的推广实施，微气泡表征的标准化水平将得到显著提升，基于该标准校准的实验数据将为细气泡技术在污水处理节能降耗、精准农业增产增效、先进制造表面处理以及生物医学诊疗等更广泛领域的工程应用奠定坚实的数据互认基础。与此同时，针对亚微米级乃至纳米级气泡原位表征的需求日益迫切，ISO/TC281技术委员会已将纳米气泡测量方法的标准化列为后续工作方向，预计将在现有标准基础上逐步拓展和完善。随着相关标准的持续制定与协同应用，细气泡技术有望在更多行业中实现规范化、高效化的工程应用，为全球可持续发展目标贡献技术力量。参考文献[1]ISO21910-2:2025,Finebubbletechnology—Characterizationofmicrobubbles—Part2:In-situdynamicimageanalysismethod[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2025.[2]ISO20480-1:2021,Finebubbletechnology—Generalprinciplesforusageandmeasurement—Part1:Terminology[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2021.[3]ISO20480-2:2021,Finebubbletechnology—Generalprinciplesforusageandmeasurement—Part2:Numberconcentrationoffinebubblesinliquid[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2021.[4]全国纳米技术标准化技术委员会.细气泡技术标准体系研究报告[R].北京:SAC/TC279,2023.[5]张建,李伟,王磊.微纳米气泡发生技术及其应用研