मात्रात्मक माप स्वस्थानी में करोड़ रु का उपयोग कर एक स्व शामिल पानी के velocimetry उपकरण (SCUVA)

Katija, K., Colin, S. P., Costello, J. H., Dabiri, J. O. Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA). J. Vis. Exp. (56), e2615, doi:10.3791/2615 (2011).

सीधे एक तरल पदार्थ वातावरण में वेग क्षेत्रों उपाय करने की क्षमता के लिए समुद्र विज्ञान, पारिस्थितिकी, जीव विज्ञान, और द्रव यांत्रिकी के रूप में विविध रूप क्षेत्रों में अध्ययन के लिए अनुभवजन्य डेटा उपलब्ध कराने के लिए आवश्यक है. फील्ड माप पर्यावरण की स्थिति, जानवरों की उपलब्धता, और क्षेत्र के संगत माप तकनीकों के लिए की जरूरत है जैसे व्यावहारिक चुनौतियों परिचय. इन चुनौतियों से बचने के लिए, वैज्ञानिकों आम तौर पर नियंत्रित प्रयोगशाला वातावरण का उपयोग करने के लिए पशु द्रव बातचीत का अध्ययन. हालांकि, यह सवाल है कि क्या एक प्रयोगशाला माप से प्राकृतिक व्यवहार (यानी, जो कि क्षेत्र में होता है) एक्सट्रपलेशन कर सकते हैं उचित है. इसलिए, सीटू मात्रात्मक प्रवाह माप में सही उनके प्राकृतिक वातावरण में जानवरों की तैराकी का वर्णन करने के लिए की जरूरत है.

हम एक आत्म निहित पोर्टेबल डिवाइस है कि सतह के लिए किसी भी कनेक्शन के स्वतंत्र संचालित डिजाइन, और प्रवाह क्षेत्र surrou के मात्रात्मक मापन प्रदान कर सकते हैंएक जानवर nding. यह तंत्र, एक आत्म निहित पानी के भीतर velocimetry तंत्र (SCUVA), गहराई में एक एकल स्कूबा गोताखोर के द्वारा संचालित किया जा सकता है 40 मीटर करने के लिए क्षेत्र की स्थिति, अतिरिक्त विचार और तैयारी की जोडी निहित जटिलता के कारण जब प्रयोगशाला माप की तुलना में आवश्यक हैं. इन विचारों में शामिल हैं, लेकिन तक सीमित नहीं, ऑपरेटर गति, तैराकी लक्ष्य, उपलब्ध प्राकृतिक निलंबित कण, और ब्याज के प्रवाह के सापेक्ष SCUVA के उन्मुखीकरण की स्थिति की भविष्यवाणी है. निम्नलिखित प्रोटोकॉल के लिए इन आम क्षेत्र चुनौतियों से निपटने और माप सफलता को अधिकतम करने के लिए इरादा है.

1. इस प्रक्रिया को शुरू करने के लिए, हम यह सुनिश्चित करना है कि सभी SCUVA घटकों पर्याप्त बैटरी शक्ति, रिकॉर्डिंग टेप (उच्च परिभाषा या HD वीडियो कैमरा के लिए), और समारोह ठीक है. मापा जा प्रवाह पर निर्भर करता है, ^1,2 वीडियो कैमरा संकल्प और फ्रेम दर है कि डिजिटल कण छवि velocimetry (DPIV) के लिए सबसे अच्छा परिणाम का चयन करें.
2. एक साफ तौलिया के साथ O-अंगूठी grooves और O-छल्ले की सफाई द्वारा उपयोग के लिए लेजर और कैमरा housings तैयार या पोछ लो. फैलाओ निर्माता O-छल्ले पर समान रूप से प्रदान O-अंगूठी तेल और उन्हें आवास grooves में जगह. इसके अलावा, लेजर और कैमरा आवास apertures साफ करने के लिए कैमरा आवास लेंस पर लेजर शीट विरूपण और निशान को रोकने के.
3. एक पानी से भरा टब में दोनों खाली housings रखकर O-अंगूठी जवानों की जाँच करें. भारित वस्तुओं उन्हें डूब housings के शीर्ष पर रखा जा के बाद से housings नाव खाली जब जरूरत होगी. 5 से 10 मिनट के बाद, टब और तौलिया सूखी टी से housings हटायेंवह बाहर. जाँच करें कि क्या वहाँ housings के अंदर किसी भी नमी है. इसके अलावा दबाव परीक्षण के दौरान डिस्पोजेबल, कागज नमी स्ट्रिप्स का उपयोग करने के लिए संकेत मिलता है कि क्या वहाँ housings में नमी परीक्षण के बाद पर विचार करें.
4. बाद housings दबाव परीक्षा उत्तीर्ण, housings के अंदर SCUVA घटक जगह है.
5. संलग्न उच्च तीव्रता निर्वहन (छुपाया) कैमरा आवास के लिए प्रकाश फली. सुनिश्चित करें कि रोशनी इस तरह से है कि वे क्षेत्र सीधे कैमरा और ऑपरेटर के आगे रोशन में उन्मुख होते हैं, और संभालती है और कैमरा नियंत्रण के आपरेशन पर पकड़ बनाए रखने के साथ हस्तक्षेप नहीं है.
6. एक कम प्रकाश के वातावरण में, यह सुनिश्चित है कि लेजर बीम को ठीक से ऑप्टिकल लेंस लेजर आवास में स्थापित करने के लिए सापेक्ष संरेखित है. जब ठीक से गठबंधन, संयोजन / लेजर लेंस के प्रकाश की एक ऊर्ध्वाधर चादर है कि कैमरे के आवास के लिए सीधा उन्मुख है पैदा करेगा. सुरक्षा के लिए, तापमान के प्रति संवेदनशील कागज के एक पत्रक का उपयोग करने के लिए लेजर शीट उन्मुखीकरण का निर्धारण. SCUVA संलग्नक और कठोर, बढ़ाई हाथ का प्रयोग, एक दूसरे के लिए लेजर आवास और कैमरा आवास कनेक्ट. सुनिश्चित करें कि housings मजबूती से जुड़े होते हैं और है कि एक दूसरे के सम्मान के साथ housings नहीं घुमा सकते हैं. यह महत्वपूर्ण है कि लेजर शीट उन्मुख रहता माप भर देखने के कैमरे के क्षेत्र सीधा.
7. SCUVA की वर्तमान क्षमताओं के कारण, माप dives ही कम रोशनी स्थानों में या रात में आयोजित किया जा सकता है लेजर पत्र के साथ प्राकृतिक प्रकाश हस्तक्षेप को रोकने के. इसलिए, हम सांझ जब तक या बाद में पानी प्रवेश करने से पहले प्रतीक्षा करने की अनुशंसा.
8. पानी प्रवेश करने से पहले कैमरा आवास पर मुड़ें. कैमरा आवास में निर्मित इलेक्ट्रॉनिक नमी संवेदक है कि दृश्य चेतावनी प्रदान करता है (एलईडी रोशनी चमकती) कैमरा आवास में नमी के मामले में है. सेंसर केवल काम करता है जब कैमरा आवास पर है.
9. पानी में विसर्जित कर SCUVA और अपने आप का उपयोग करने के लिए उपकरण देते हैंएक लाइन. एक बार तंत्र से जुड़ी है, SCUVA रिलीज करने के लिए डिवाइस के उछाल विशेषताओं का निर्धारण. उछाल विशेषताओं के आधार पर, फोम उछाल देते हैं या एक या दोनों housings के लिए वजन का नेतृत्व करने के लिए तटस्थ उछाल सुनिश्चित करने के लिए और पानी में तंत्र के रोटेशन को रोकने.
10. अगला, लेजर पर स्विच और तंत्र स्थिर पकड़ है. स्थिति बढ़ाई बांह पर्याप्त गोताखोर से दूर गोताखोर प्रेरित प्रवाह के माप को कम करने का उपयोग कर लेजर. लक्ष्य के पास गोताखोर प्रेरित प्रवाह की कोई माप त्रुटि शुरू करने और बाद में विश्लेषण के लिए इस्तेमाल नहीं कर रहे हैं. दृश्य लक्ष्य फ्रेम के क्षेत्र और आसपास के तरल पदार्थ जब तक कैमरा ज़ूम समायोजित करें.
11. जबकि तंत्र स्थिर रखने, लेजर पत्रक पर वीडियो कैमरा ध्यान जब तक कणों तेज दिखाई देते हैं और ध्यान में. एक बार लेजर शीट विमान ध्यान में है, मैनुअल ध्यान मोड में कैमरा स्विच. यह किसी भी वस्तुओं के क्षेत्र में दिखाई देते हैं पर refocusing से कैमरा रोकने जाएगामाप के दौरान देखने के लिए, लेजर पत्रक में धुंधला कणों में जिसके परिणामस्वरूप.
12. SCUVA जांचना, वीडियो कैमरा देखने के क्षेत्र के भीतर जाना जाता है लेजर पत्रक में आयामों के साथ एक वस्तु की जगह है. कई सेकंड के लिए रिकॉर्ड. गोता के बाद, एक छवि इस वीडियो अनुक्रम से निकाला जाएगा कि सेमी करने के लिए पिक्सल के इकाइयों से देखने के आकार के क्षेत्र धर्मान्तरित एक अंशांकन स्थिरांक निर्धारित. यदि ऑपरेटर किसी भी समय समायोजित कर देता है है देखने के आकार के क्षेत्र पुनः स्थिति बढ़ाई या गोता के दौरान हाथ कैमरा ज़ूम बदलने के लिए, 12 और 13 चरणों को दोहराया जा आवश्यकता होगी.
13. गोता काम कर गहराई से उतरते द्वारा शुरू करो. एक लक्ष्य पाने पर, पर्यावरण थोक प्रवाह संपत्तियों के लिए निर्धारित करने की आवश्यकता है. वर्तमान अगर, मौजूदा दिशा उपकरण और गोताखोर माप के दौरान लक्ष्य के सापेक्ष स्थिति को निर्देशित करेंगे. थोक लक्ष्य आसपास के प्रवाह की दिशा देख बुलबुले गोताखोर से exhaled और उनके पार्श्व गति टिप्पण द्वारा inferred किया जा सकता है. मेंबुलबुले के अलावा, फ्लोरोसेंट रंजक की एक छोटी मात्रा (यानी, fluorescein) मौजूदा दिशा निर्धारित करने के लिए जारी किया जा सकता है. चूंकि गोताखोर - प्रवाह उत्पन्न DPIV माप त्रुटि के एक स्रोत हो सकता है, गोताखोर अपस्ट्रीम लक्ष्य स्थित नहीं होना चाहिए. इसके अलावा, लेजर शीट वर्तमान की दिशा समानांतर तैनात करना चाहिए ताकि के रूप में कण लेजर चादर के भीतर निवास समय को अधिकतम करने के लिए, जिससे DPIV त्रुटियों को कम. हालांकि, अगर कोई वर्तमान या थोक प्रवाह मौजूद है, गोताखोर और SCUVA लक्षित करने के लिए सापेक्ष स्थिति अप्रतिबंधित हैं.
14. स्थिति SCUVA रोशन करने के लिए और एक लक्ष्य के आसपास द्रव गति रिकॉर्ड. यदि एक चलती लक्ष्य आसपास के प्रवाह को रिकॉर्ड करने के प्रयास पहले भविष्यवाणी स्थान के लक्ष्य के स्थान, और तब स्थिति SCUVA की भविष्यवाणी करते हुए अविचल शेष. के रूप में लक्ष्य देखने के कैमरे के क्षेत्र के माध्यम से चलता है, रिकॉर्डिंग शुरू. यदि लक्ष्य स्तब्ध है, वीडियो कैमरा और लक्ष्य और आसपास के तरल पदार्थ फ्रेम# X2019, देख सकते हैं और रिकॉर्डिंग शुरू करते हुए अविचल शेष क्षेत्र. ऑपरेटर गलत DPIV परिणामों में इन गतियों परिणाम के बाद से वीडियो रिकॉर्डिंग के दौरान घूर्णी और बाहर के विमान गतियों से बचना चाहिए. इसलिए, माप घूर्णी और बाहर के विमान गोताखोर गतियों आगे डेटा विश्लेषण के लिए इस्तेमाल नहीं किया जाएगा के दौरान एकत्र की.
15. एक बार वीडियो संग्रह पूरा हो गया है, SCUVA के सभी घटकों की बारी है और अपने मुकर स्थिति के लिए लेजर हाथ बहाल. पानी से SCUVA निकालें और हाथ से कैमरा और लेजर housings अलग. कुल्ला या तंत्र के जंग खा रोकने के सूखने से पहले ताजे पानी में तंत्र सोख. एक बार housings सूख रहे हैं, housings से घटकों को दूर है, और पुनर्भरण और बैटरी की जगह अगर एक और गोता लगाने के लिए की जरूरत है.
16. एक कंप्यूटर करने के लिए वीडियो कैमरा कनेक्ट और HD टेप से एक HD वीडियो सॉफ्टवेयर पैकेज (यानी, Adobe Premiere Pro या iMovie) का उपयोग करके वीडियो निकालने. वीडियो के बाद निकाला जाता है, सीमा निर्धारितवीडियो DPIV विश्लेषण के लिए छवियों की एक श्रृंखला में परिवर्तित. सुनिश्चित करें कि पिक्सेल पहलू अनुपात और निकाले छवि आकार HD वीडियो सेटिंग्स मैच.
17. इन छवियों को एक DPIV संसाधन प्रोग्राम (यानी, डेविस या MatPIV) आयात कर रहे हैं. अंशांकन स्थिरांक और छवि पर कब्जा पैरामीटर, जो DPIV सॉफ्टवेयर पैकेज से संकेत दिया जाता है के उचित चयन के बाद, वेग क्षेत्रों लगातार कण छवियों से उत्पन्न किया जा सकता है. अतिरिक्त के बाद प्रसंस्करण कदम, और माप की गुणवत्ता और प्रकार पर निर्भर करता है, को भी लागू ^किया जा सकता है 3

प्रतिनिधि परिणाम:

जब प्रोटोकॉल सही ढंग से किया जाता है, कण लक्ष्य आसपास छवियों तेज और भेद करने के लिए आसान हो जाएगा. कण बगल में है SCUVA (चित्रा 1 ए) वीडियो कैमरा और एक DPIV संसाधन सॉफ्टवेयर पैकेज, लक्ष्य आसपास के प्रवाह (चित्रा 1 बी) के वेग फ़ील्ड्स द्वारा कब्जा कर लिया क्षेत्रों का उपयोग पता चल जाएगा . Veloci में वैक्टरty क्षेत्र और स्थानीय प्रवाह वेग के परिमाण और दिशा का संकेत मिलता है. यदि पर्याप्त वीडियो छवियों का एक समय श्रृंखला प्रदान करने के लिए एकत्र की है, वेग क्षेत्रों के एक समय श्रृंखला भी निर्धारित किया जा सकता है.

चित्रा 1 स्वस्थानी कण (ए) क्षेत्रों Aurelia labiata आसपास में मापा. पीले प्रवाह की दिशा और परिमाण का संकेत वैक्टर के साथ इसी वेग क्षेत्र (बी).

स्वस्थानी कण Mastigias सपा आसपास के क्षेत्रों में चित्रा 2 और Solmissus सपा. (ए और बी, क्रमशः). A में लाल तीर उच्च भावना है, जो छवि के संतृप्ति में परिणाम है, यह कणों और लक्ष्य के बीच भेद करने के लिए मुश्किल बना के एक क्षेत्र को इंगित करता है. बी में लाल तीर है कि परिणाम streaking जब प्रवाह की दर के एक क्षेत्र को इंगित करता हैएक पर्याप्त उच्च आवृत्ति पर नमूना नहीं है.

क्षेत्र में एक संभावित बाधा प्रवाह में कण, जो डिजिटल कण छवि velocimetry (DPIV) को लागू करने के लिए आवश्यक हैं के लिए जरूरत है. तटीय पानी में, व्यास में 10 सुक्ष्ममापी और .002 और 10 प्रति ³ मिमी के बीच सांद्रता के आदेश पर निलंबित बात कण आकार ^{दर्शाती} 4 अतिरिक्त अध्ययन कणों बोने के लिए समुद्र के पानी में DPIV प्रदर्शन की पर्याप्त उपस्थिति की पुष्टि कण का पता लगाने के लिए एक पनडुब्बी holocamera का उपयोग. खुले समुद्र और तटीय समुद्र गोताखोरी के दौरान ^5, हमने पाया है कि कण घनत्व और आकार सीटू DPIV में आयोजित करने के लिए एक बाधा नहीं है.

कण घनत्व और आकार के अलावा, एक और चिंता का विषय DPIV माप के लिए प्रासंगिक कण सांद्रता की एकरूपता है.

गुणात्मक है, अगर एक पूछताछ खिड़की के भीतर एक क्षेत्र दूसरे से अधिक से अधिक सांद्रता कण है, वेग परिमाण D के द्वारा उत्पन्नPIV विश्लेषण उच्च कण सांद्रता के साथ क्षेत्र की ओर पक्षपाती हो जाएगा. इसलिए, SCUVA माप जहां कण एकाग्रता परिवर्तनशीलता कम से कम है आयोजित किया जाना चाहिए. हमने पाया है thatcle सांद्रता कण सांद्रता के दौरान अपेक्षाकृत स्थिर हैं dives जहां गोताखोर पानी कॉलम के बीच में निलंबित कर दिया है के दौरान अपेक्षाकृत स्थिर हैं. हालांकि, benthic वातावरण में कण क्षेत्रों समुद्र तल के पास पर्यावरण या गोताखोर प्रेरित प्रवाह द्वारा कणों की resuspension के कारण inhomogeneity के लिए संभावित है. केयर benthic वातावरण में माप के दौरान कणों का विघटन को कम करने के लिए लिया जाना चाहिए. 'लेखक के ज्ञान करने के लिए, inhomogeneous कण एकाग्रता क्षेत्रों द्वारा उत्पन्न त्रुटियों की एक औपचारिक विश्लेषण या तो प्रयोगशाला या क्षेत्र की स्थिति में नहीं किया गया आयोजित किया गया है, और एक अलग प्रकाशन में आगे विचार के लिए एक विषय होना चाहिए.

कई अलग अलग मुद्दों जब तैयारी और विचार किया जाना चाहिएसीटू प्रोटोकॉल का उपयोग करते हुए प्रयोगों में आयोजित. रिकॉर्डिंग हालांकि, ऑपरेटर स्थिर रहना और सभी बाहर के विमान और घूर्णी गति से बचना के निर्देश दिए है. इस अनुरोध अभ्यास में सिद्धांत रूप में सरल लेकिन मुश्किल है, और इन मापों उन्नत गोताखोरी कौशल की आवश्यकता को सफलतापूर्वक पूरा किया जा. बाहर के विमान और गलत DPIV डेटा में ऑपरेटर परिणाम घूर्णी गति. हालांकि, में विमान गतियों घर में सॉफ्टवेयर का उपयोग करके ठीक किया जा सकता है ^{है 6.} यह कई dives के लिए SCUVA का उपयोग माप क्षमता को अधिकतम करने करने के लिए उछाल नियंत्रण से पहले अभ्यास करने के लिए ऑपरेटर के लिए सिफारिश की है.

उछाल विचार के अलावा, ऑपरेटर लक्ष्य प्रवाह दिशा के बारे में पता होना चाहिए. रु है कि बाहर के विमान लेजर शीट के सापेक्ष यात्रा विश्वसनीय DPIV परिणाम उपज नहीं है, और ऑपरेटर चाहिए उन्मुख SCUVA इन प्रवाह पर कब्जा करने के लिए सबसे अधिक प्रभावी ढंग से होगा. इसके अलावा, लक्षित करने के लिए सापेक्ष गोताखोर की स्थिति Selecte होना चाहिएघ इतनी के रूप में माप में गोताखोर प्रेरित प्रवाह को कम करने के लिए. गोताखोर प्रेरित प्रवाह लक्ष्य प्रवाह त्रुटि परिचय है, और आगे के विश्लेषण के लिए माप है कि गोताखोर प्रभाव शामिल नहीं किया जाना चाहिए.

घटना में है कि लक्ष्य एक अत्यधिक परावर्तक सतह है, द्रव लक्ष्य आसपास के क्षेत्र में जोरदार हो सकता है, प्रबुद्ध यह आसपास के तरल पदार्थ (लाल तीर, चित्रा 2A द्वारा संकेत क्षेत्र) से पास व्यक्तिगत कणों के भेद करने के लिए मुश्किल बना. फ़िल्टर polarizers या लेजर या कैमरा housings के लिए जोड़ा जा सकता है लेजर वीडियो कैमरा संवेदक द्वारा कब्जा कर लिया प्रकाश की तीव्रता को कम करने. यदि इस कारण सैन्य कमी और उपकरण, के बाद घर में सॉफ्टवेयर का उपयोग कर छवियों का प्रसंस्करण करने के लिए सीमित उपयोग करने के लिए संभव नहीं है छवियों से लक्ष्य के निकट ऊंचा पिक्सेल तीव्रता subtracting द्वारा पर्याप्त सुधार प्रदान कर सकते हैं. एक और विचार है कि DPIV डेटा की गुणवत्ता को प्रभावित करता है कि कण धारियाँ मौजूद हैं. यदि कणफ़ील्ड streaking के क्षेत्रों (लाल तीर, चित्रा 2B द्वारा दर्शाई गई) है, बहुत कम एक फ्रेम दर पर वीडियो कैमरा रिकॉर्डिंग है इन उच्च वेग को हल. फ्रेम दर में वृद्धि करके, कण streaking कम किया जा सकता है. हालांकि, प्रकाश वीडियो कैमरा सेंसर तक पहुँचने और कण क्षेत्र देखो dimmer बनाता है की एक कमी में यह परिणाम है. यदि वीडियो कैमरा करने के लिए मैन्युअल रूप से एपर्चर सेटिंग्स सेट करने की क्षमता है, एपर्चर सेटिंग को बढ़ाने के लिए रोकने के कण क्षेत्र के dimming. इष्टतम डिवाइस सेटिंग्स का निर्धारण SCUVA के साथ सफल डेटा संग्रह से पहले कई dives की आवश्यकता हो सकती है.

ब्याज की कोई संघर्ष की घोषणा की.

इस शोध राष्ट्रीय विज्ञान JOD के लिए सम्मानित किया फाउंडेशन (Oce 0,623,475), छठे वेतन आयोग (Oce - 0,623,534 और ०७,२७,५४४), और JHC (Oce 0,727,587 और Oce - 0,623,508) द्वारा समर्थित है, और कार्यालय की नौसेना अनुसंधान द्वारा JHC के लिए सम्मानित किया गया ( N000140810654). के.के. वुड्स होल समुद्र विज्ञान संस्थान पर Postdoctoral विद्वान Devonshire फाउंडेशन द्वारा प्रदान की धन के साथ, कार्यक्रम के द्वारा समर्थित है.

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