هذا البروتوكول ينص على تعليمات حول كيفية استخدام جهاز قائم بذاته velocimetry تحت الماء (SCUVA) ، الذي صمم لتقدير حجم تدفقات الحيوانية التي تم إنشاؤها في الموقع. بالإضافة إلى ذلك ، يعالج هذا البروتوكول التحديات التي تفرضها الظروف الميدانية ، ويتضمن الاقتراح المشغل ، والموقف من الحيوانات التنبؤ ، واتجاه SCUVA.
Method Article
قياس الكمي في الموقع التدفقات باستخدام جهاز قائم بذاته Velocimetry تحت الماء (SCUVA)
1Applied Ocean Physics and Engineering, Woods Hole Oceanographic Institution, 2Environmental Science and Marine Biology, Roger Williams University, 3Marine Biology Laboratory, Whitman Center, 4Department of Biology, Providence College, 5Departments of Aeronautics and Bioengineering, California Institute of Technology
Opens in a new tab
In This Article
Summary
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Abstract
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
القدرة على قياس سرعة الحقول مباشرة في بيئة السائل الضروري لتوفير البيانات التجريبية للدراسات في مجالات متنوعة مثل علم المحيطات ، والبيئة ، والبيولوجيا ، وميكانيكا السوائل. القياسات الميدانية تحديات عملية إدخال مثل الظروف البيئية ، وتوافر الحيوانية ، والحاجة إلى تقنيات القياس الميداني متوافقة. لتجنب هذه التحديات ، والعلماء عادة استخدام بيئات مختبر للرقابة على دراسة الحيوانات السائل التفاعلات. ومع ذلك ، فإنه من المنطقي أن مسألة ما إذا كان يمكن للمرء أن استقراء السلوك الطبيعي (أي أن الذي يحدث في الميدان) من القياسات المعملية. لذا ، في الموضع قياسات التدفق الكمي وهناك حاجة لوصف دقيق للسباحة الحيوانات في بيئتها الطبيعية.
قمنا بتصميم بذاتها ، الجهاز المحمول التي تعمل مستقلة عن أي اتصال على السطح ، ويمكن توفير قياسات كمية تدفق الحقل surrounding حيوان. ويمكن تشغيل هذا الجهاز ، وهي بذاتها جهاز velocimetry تحت الماء (SCUVA) من قبل الغواص واحد في أعماق تصل إلى 40 متر. مطلوبة نظرا لتعقيد وأضاف الأصيل في الظروف الميدانية ، وإعداد اعتبارات إضافية عند مقارنة القياسات المعملية. وتشمل هذه الاعتبارات ، ولكنها لا تقتصر على حركة التشغيل ، وتوقع موقف الأهداف السباحة والطبيعية المتاحة الجسيمات العالقة ، والتوجه من SCUVA النسبية لتدفق الفائدة. ويهدف البروتوكول التالي لمعالجة هذه التحديات الميدانية المشتركة وتعظيم نجاح القياس.
Protocol
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
- لبدء هذا الإجراء ، علينا أن نضمن أن جميع مكونات SCUVA ما يكفي من طاقة البطارية ، وشريط تسجيل (للاطلاع على تعريف عالية أو HD كاميرا الفيديو) ، وتعمل بشكل صحيح. اعتمادا على التدفقات إلى أن يقاس ، حدد القرار كاميرا الفيديو ومعدلات الإطار أن تسفر عن نتائج أفضل الرقمية الجسيمات velocimetry صورة (DPIV). 1،2
- تحضير العلب ليزر وكاميرا للاستخدام من قبل تنظيف الأخاديد س س الحلقة وحلقات بمنشفة نظيفة أو مسح. قدم الصانع انتشار س الدائري الشحوم بالتساوي على طوقية واستبدالها في الأخاديد الإسكان. بالإضافة إلى ذلك ، تنظيف فتحات السكن ليزر وكاميرا ليزر لمنع التشوه ورقة علامات على عدسة الكاميرا الإسكان.
- فحص الاختام يا الدائري عن طريق وضع العلب الفارغة على حد سواء في حوض مملوء بالماء. سوف تحتاج إلى الأشياء المرجح أن يوضع على رأس العلب ليغرق بهم منذ العلب الفارغة عندما تطفو. بعد 5 إلى 10 دقائق ، وإزالة العلب من الحوض ور منشفة جافةانه في الخارج. تحقق ما إذا كان هناك أي الرطوبة داخل المباني. تنظر أيضا في استخدام المتاح للرطوبة ورقة ، والشرائط أثناء اختبار الضغط لبيان ما إذا كانت هناك رطوبة في العلب بعد الاختبار.
- العلب بعد اجتياز اختبار الضغط ، ومكونات مكان SCUVA داخل العلب.
- نعلق عالية الكثافة التفريغ القرون الضوء (لمبات) إلى السكن الكاميرا. تأكد من أن الأضواء موجهة في مثل هذه الطريقة أنها تضيء المنطقة قبل مباشرة من الكاميرا ومشغل ، ولا تتعارض مع الحفاظ على قبضتها على مقابض التحكم وتشغيل الكاميرا.
- في بيئة ضوء منخفض ، وضمان أن يتم محاذاة بشكل صحيح شعاع الليزر بالنسبة للعدسة البصرية المثبتة في السكن الليزر. عند محاذاة بشكل صحيح ، فإن الجمع بين الليزر / عدسة إنشاء ورقة رأسية من الضوء الذي هو المنحى عمودي على السكن الكاميرا. عن السلامة ، واستخدام ورقة حساسة للحرارة ورقة ليزر لتحديد اتجاه الورقة. لى>
- استخدام المرفقات SCUVA وجامدة ، قابلة للتمديد الذراع ، وربط المساكن الليزر والسكن الكاميرا لبعضها البعض. ضمان تعلق بشدة المباني والمساكن التي لا يمكن تدويرها مع الاحترام لبعضهما البعض. فمن الأهمية بمكان أن يبقى ورقة موجهة بالليزر عمودي على مجال الكاميرا وجهة نظر في جميع أنحاء القياس.
- نظرا للقدرات الحالية للSCUVA ، لا يمكن إلا الغطس يكون القياس التي أجريت في الإضاءة المنخفضة أو في أماكن ليلية لمنع التدخل الضوء الطبيعي مع ورقة الليزر. لذا ، نوصي بالانتظار حتى الغسق أو في وقت لاحق قبل دخول المياه.
- بدوره على السكن الكاميرا قبل دخول المياه. السكن الكاميرا المدمج في جهاز استشعار الرطوبة الالكترونية التي توفر تحذيرات البصرية (وميض أضواء LED) في حالة الرطوبة في السكن الكاميرا. مجس يعمل فقط عندما يكون السكن على الكاميرا.
- SCUVA تزج في الماء وتعلق الجهاز لنفسك بهخط. يعلق مرة واحدة لجهاز ، وإطلاق سراح SCUVA لتحديد الخصائص الطفو للجهاز. اعتمادا على الخصائص الطفو ، نعلق رغوة الطفو أو تؤدي إلى الأوزان واحد أو العلب على حد سواء لضمان الحياد ومنع الطفو تناوب الجهاز في الماء.
- المقبل ، والتبديل على الليزر وعقد الجهاز ثابتة. موقف ليزر باستخدام ذراع قابلة للتمديد حتى الآن بما فيه الكفاية من غواص لتقليل قياس غطاس بفعل التدفقات. أي قياسات غطاس التي يسببها تدفق بالقرب من الهدف أعرض الخطأ ، وألا تستخدم لأغراض التحليل لاحقا. ضبط الكاميرا الزوم حتى ميدان إطارات عرض المستهدفة والسوائل المحيطة بها.
- مع الحفاظ على جهاز ثابت ، والتركيز على كاميرا فيديو ليزر على الورقة حتى تظهر حادة والجسيمات في التركيز. مرة واحدة في الطائرة ورقة الليزر هو في التركيز ، والتبديل الكاميرا إلى وضع التركيز اليدوي. وهذا يمنع من إعادة تركيز الكاميرا على أي الكائنات التي تظهر في ميدانعرض أثناء القياس ، مما أدى إلى عدم وضوح الجزيئات في ورقة الليزر.
- لمعايرة SCUVA ، ومكان كائن مع أبعاد معروفة في ورقة الليزر داخل الميدان كاميرا فيديو للعرض. سجل لعدة ثوان. بعد الغوص ، سيتم استخراج صورة من هذا التسلسل الفيديو لتحديد ثابت المعايرة الذي يحول ميدان حجم العرض من وحدات بكسل سم. إذا كان في أي وقت للمشغل يضبط مجال عرض حجم يعاد موقف الذراع قابلة للتمديد أو تغيير الكاميرا الزوم أثناء الغوص ، والخطوات 12 و 13 هناك ضرورة لتكرارها.
- تبدأ الغوص من قبل الخوض في عمق العمل. عند العثور على الهدف ، وتدفق معظم الخصائص البيئية يجب أن يتم تحديدها. إذا كان موجودا ، فإن الاتجاه الحالي لتحديد المواقع وجهاز إملاء الغطاس نسبة إلى الهدف خلال القياسات. ويمكن الاستدلال على اتجاه تدفق المحيطة الهدف الأكبر من خلال مراقبة فقاعات الزفير من الغطاس ، وتلاحظ حركتها الجانبية. فيبالإضافة إلى فقاعات ، يمكن الافراج عن كمية صغيرة من صبغة الفلورسنت (أي فلوريسئين) لتحديد الاتجاه الحالي. منذ ولدت غطاس تدفق يمكن أن تكون مصدرا للخطأ القياس DPIV ، لا ينبغي أن يكون موجودا الغطاس المنبع من الهدف. بالإضافة ، ينبغي وضع ورقة الليزر موازية للاتجاه الحالي وذلك لتحقيق أقصى قدر من الوقت للجسيمات الإقامة داخل ورقة الليزر ، وبالتالي تقليل الأخطاء DPIV. ومع ذلك ، إذا لم يكن هناك تدفق التيار أو الجزء الأكبر هو الحاضر ، والغطاس SCUVA المواقع النسبية لهدف غير مقيدة.
- SCUVA موقف لإلقاء الضوء على الحركة وسجل هدفا السوائل المحيطة بها. إذا كان محاولة لتسجيل تدفق المحيطة هدفا متحركا التنبؤ أول موقع الهدف ، ومن ثم SCUVA الموقف إلى الموقع تنبأ في حين تبقى بلا حراك. كهدف من خلال التحركات الميدانية للكاميرا وجهة نظر ، بدء التسجيل. إذا كان الهدف هو بلا حراك ، والإطار الهدف والسوائل المحيطة بها في كاميرا الفيديو و# x2019 ؛ ق مجال الرؤية وبدء التسجيل في حين تبقى بلا حراك. يجب على المشغل الامتناع عن الاقتراحات التناوب والخروج من الطائرة ، أثناء تسجيل الفيديو لأن هذه النتيجة الاقتراحات في نتائج DPIV الخاطئة. ولذلك ، والقياسات التي تم جمعها خلال التناوب والخروج من الطائرة سوف تستخدم حركات غطاس لا يكون كذلك لتحليل البيانات.
- بمجرد اكتمال جمع الفيديو ، إيقاف جميع مكونات SCUVA واستعادة الذراع الليزر لتراجع موقفها. إزالة SCUVA من المياه وفصل الكاميرا والعلب ليزر من الذراع. شطف أو نقع الجهاز في المياه العذبة قبل التجفيف لمنع الصدأ من الجهاز. مرة واحدة يتم تجفيفها على العلب ، وإزالة عناصر من المباني ، وإعادة شحن البطاريات واستبدالها إذا لزم الأمر لمدة الغوص.
- توصيل كاميرا فيديو إلى جهاز كمبيوتر واستخراج الفيديو من الشريط HD باستخدام حزمة برامج فيديو HD (أي أدوبي بريميير برو أو موفي). بعد استخراج الفيديو ، وتحديد نطاقيمكن تحويل الفيديو إلى سلسلة من الصور لتحليل DPIV. تأكد من أن الجانب نسب بكسل وأحجام الصور المستخرجة تطابق إعدادات الفيديو HD.
- يتم استيراد هذه الصور إلى برنامج معالجة DPIV (أي ، أو MatPIV ديفيس). بعد الاختيار السليم للثابت المعايرة والمعلمات التقاط الصور ، والتي دفعت من حزمة البرامج DPIV ، يمكن إنشاء حقول سرعة الجسيمات من صور متتالية. ويمكن أيضا معالجة إضافية بعد الخطوات ، اعتمادا على نوعية وأنواع القياسات ، ويتم تطبيقها. 3
ممثل النتائج :
عندما يتم البروتوكول بشكل صحيح ، فإن الجسيمات الصور المحيطة حادة ويكون الهدف من السهل التمييز. وسوف تستخدم حقول الجسيمات التي احتلتها في الموقع بواسطة كاميرا فيديو لSCUVA (الشكل 1A) ، وبرامج معالجة حزمة DPIV والحقول المحيطة سرعة تدفق الهدف (الشكل 1B) يتم الكشف عنها. متجهات في velociتاي حجم الحقل تشير إلى اتجاه وسرعة تدفق المحلية. إذا تم جمعها الفيديو كافية لتوفير سلسلة زمنية من الصور ، ويمكن أيضا سلسلة زمنية من حقول تحدد السرعة.
الشكل 1 المقاسة في مجالات الجسيمات الموقع (أ) اوريليا labiata المحيطة. المناظرة مجال السرعة (B) مع نواقل الأصفر يدل اتجاه التدفق والحجم.
الرقم 2 في الحقول المحيطة الجسيمات الموقع Mastigias س. Solmissus وس (ألف وباء ، على التوالي). السهم الأحمر في A يشير إلى وجود منطقة انعكاسية عالية ، مما يؤدي إلى تشبع من الصورة ، مما يجعل من الصعب التمييز بين الجزيئات والهدف. السهم الأحمر يشير إلى B في منطقة streaking أن النتائج عند معدل التدفقليس في عينات تردد مرتفع بما فيه الكفاية.
Discussion
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
ومن المعوقات المحتملة في الميدان هو الحاجة للجسيمات في التدفق ، والتي تكون ضرورية لتنفيذ الرقمية velocimetry صورة الجسيمات (DPIV). في المياه الساحلية ، والمعارض علقت الجسيمات الأحجام بناء على امر من 10 ميكرومتر في القطر وتركيزات بين 0،002 و 10 في 3 ملم. 4 دراسات إضافية باستخدام holocamera الغاطسة للكشف عن الجسيمات تؤكد وجود ما يكفي من بذر الجسيمات لأداء DPIV في مياه المحيطات. (5) خلال عرض البحر والمناطق الساحلية الغوص في المحيطات ، وجدنا أن كثافة الجسيمات والأحجام ليست عائقا لإجراء DPIV في الموقع.
جانبا من كثافة الجسيمات والأحجام ، وآخر للقلق ذات الصلة القياسات DPIV هو تجانس تركيزات الجسيمات.
نوعيا ، إذا كانت المنطقة ضمن إطار التحقيق وتركيزات الجسيمات أكبر من الآخر ، وحجم السرعة التي تم إنشاؤها بواسطة Dوسوف يكون متحيزا PIV تحليل تجاه المنطقة مع ارتفاع تركيزات الجسيمات. لذا ، يجب إجراء قياسات SCUVA حيث يتم تصغير الجسيمات تقلب التركيز. تم العثور على تركيزات thatcle ثابتة نسبيا خلال تركيزات الجسيمات ثابتة نسبيا خلال الغطس حيث يتم تعليق الغطاس في وسط عمود الماء. ومع ذلك ، حقول الجسيمات في البيئات القاعية لديها القدرة على التجانس بسبب إعادة تعليق من الجزيئات التي التدفقات البيئية التي يسببها أو الغطاس بالقرب من قاع البحر. ويجب الحرص على الحد من تعطل خلال قياسات الجسيمات في البيئات القاعية. على حد علم المؤلفين ، تحليل رسمي من الأخطاء الناتجة عن حقول متجانسة تركيز الجسيمات لم تجر في ظروف المختبر أو في الميدان سواء ، وينبغي أن تكون موضوعا لمزيد من النظر في منشور منفصل.
وينبغي النظر في عدة مسائل مختلفة وعند إعدادإجراء التجارب في الموقع باستخدام بروتوكول. في حين تم تسجيل ذلك ، أوعز إلى المشغل لتظل ثابتة ، وتمتنع عن الخروج من الطائرة ، والحركة الدورانية. هذا طلب بسيط من الناحية النظرية لكنه صعب من الناحية العملية ، وهذه القياسات تتطلب مهارة الغوص المتقدمة أن يتم الانتهاء بنجاح. الخروج من الطائرة والاقتراحات التناوب نتيجة عامل في DPIV بيانات خاطئة. ومع ذلك ، يمكن تصحيحه في الطائرة الاقتراحات باستخدام البرمجيات في المنزل. 6 من المستحسن للمشغل لممارسة السيطرة على الطفو الغطس عدة قبل استخدام SCUVA لتعظيم كفاءة القياس.
إلى جانب الاعتبارات الطفو ، ينبغي أن المشغل يكون على بينة من الهدف اتجاه التدفق. والتدفقات التي تسافر خارج الطائرة بالنسبة ليزر ورقة لم تسفر نتائج موثوقة DPIV ، ومشغل وينبغي توجيه SCUVA لالتقاط هذه التدفقات أكثر فعالية. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون موقف الغطاس نسبة إلى أن يكون الهدف selecteد وذلك لتقليل غطاس التي يسببها تدفق في القياسات. غطاس التي يسببها تدفق يدخل الخطأ إلى تدفق المستهدفة ، وينبغي ألا القياسات التي تشمل الآثار غطاس تستعمل لأجل مزيد من التحليل.
في حالة أن الهدف لديه سطح عاكس للغاية ، وسوف تكون منطقة السوائل المحيطة هدف مضاءة بقوة ، مما يجعل من الصعب التمييز بين الجزيئات الفردية في مكان قريب من السوائل المحيطة بها (المنطقة المشار إليها بواسطة السهم الأحمر ، الشكل 2A). يمكن إضافة الفلاتر أو المستقطبات إلى العلب ليزر أو الكاميرا للحد من شدة ضوء الليزر التي تلتقطها كاميرا الفيديو استشعار. يمكن إذا كان هذا غير ممكن بسبب القيود اللوجستية ومحدودية فرص الحصول على ومعدات تجهيز آخر من الصور في المنزل باستخدام برنامج التصحيح توفير ما يكفي من خلال طرح من الصور شدة بكسل مرتفعة بالقرب من الهدف. اعتبار آخر أن يؤثر على نوعية البيانات DPIV هو ما إذا كانت الشرائط الجسيمات موجودة. إذا الجسيماتوقد مناطق حقول streaking (يشار إليه السهم الأحمر ، الشكل 2B) ، وكاميرا الفيديو هو تسجيل في إطار معدل منخفض جدا لحل هذه السرعات العالية. عن طريق زيادة معدل الإطار ، يمكن تخفيض streaking الجسيمات. ومع ذلك ، فإن هذه النتائج في ضوء الحد من الوصول إلى كاميرا فيديو وأجهزة الاستشعار يجعل من نظرة باهتة مجال الجسيمات. إذا كانت كاميرا الفيديو لديه القدرة على ضبط الإعدادات يدويا الفتحة ، زيادة الإعداد الفتحة لمنع يعتم حقل الجسيمات. قد تحديد إعدادات الجهاز الأمثل تتطلب الغطس متعددة مع SCUVA قبل جمع البيانات بنجاح.
Disclosures
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgements
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
ويدعم هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم التي تمنح للدينار (OCE - 0623475) ، SPC (OCE - 0623534 و0727544) ، ومركز الرعاية الصحية بالقدس (OCE - 0727587 و 0623508 OCE) ، ومكتب البحوث البحرية التي منحت لمركز الرعاية الصحية بالقدس ( N000140810654). معتمد من قبل برنامج KK باحث ما بعد الدكتوراه في معهد وودز هول لعلوم المحيطات ، بتمويل من مؤسسة ديفونشاير.
References
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
- Adrian, R. J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Ann. Rev. Fluid Mech. 23, 261-304 (1991).
- Willert, C. E., Gharib, M. Digital particle image velocimetry. Exp. Fluids. 10, 181-193 (1991).
- Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , Springer. New York. (2007).
- Agrawal, Y. C., Pottsmith, H. C. Laser diffraction particle sizing in STRESS. Cont. Shelf Res. 14, 1101-1121 (1994).
- Katz, J., Donaghay, P. L., Zhang, J., King, S., Russell, K. Submersible holocamera for detection of particle characteristics and motions in the ocean. Deep Sea Res. 46, 1455-1481 (1999).
- Katija, K., Dabiri, J. O. In situ field measurements of aquatic animal-fluid interactions using a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA). Limnol. Oceanogr.-Meth. 6, 162-171 (2008).
Reprints and Permissions
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission