Misura quantitativamente In situ Flussi utilizzando un autorespiratore subacqueo Velocimetry (SCUVA)

Summary

Questo protocollo fornisce le istruzioni su come utilizzare un apparecchio autonomo subacqueo velocimetria (SCUVA), che è progettato per la quantificazione in situ di animali generati flussi. Inoltre, questo protocollo affronta le sfide poste dalle condizioni del campo, e comprende il movimento dell'operatore, la posizione di previsione degli animali, e l'orientamento di SCUVA.

Abstract

La possibilità di misurare direttamente i campi di velocità in un ambiente fluido è necessario fornire i dati empirici per gli studi in campi diversi come l'oceanografia, ecologia, biologia e meccanica dei fluidi. Introdurre misure di campo sfide pratiche come le condizioni ambientali, la disponibilità degli animali, e la necessità di campo compatibili tecniche di misura. Per evitare queste sfide, gli scienziati utilizzano in genere ambienti controllate di laboratorio per lo studio delle interazioni fluido-animale. Tuttavia, è ragionevole chiedersi se si può estrapolare il comportamento naturale (cioè quella che avviene in campo) da misure di laboratorio. Pertanto, in situ misure di flusso quantitativo sono necessari per descrivere accuratamente il nuoto degli animali nel loro ambiente naturale.

Abbiamo progettato un self-contained, dispositivo portatile che funziona indipendentemente da qualsiasi collegamento con la superficie, e può fornire misurazioni quantitative dei surrou campo di flussoending un animale. Questo apparecchio, un apparecchio autonomo per velocimetria subacquea (SCUVA), può essere azionato da un subacqueo solo in profondità fino a 40 m. A causa della complessità intrinseca delle condizioni di campo, le considerazioni aggiuntive e preparazione sono necessari rispetto alle misure di laboratorio. Queste considerazioni includono, ma non sono limitati a, movimento dell'operatore, prevedere la posizione dei target di nuoto, disponibile particolato naturale sospeso, e l'orientamento di SCUVA rispetto al flusso di interessi. Il seguente protocollo ha lo scopo di affrontare queste sfide campo comune e per massimizzare il successo di misura.

Protocol

1. Per iniziare questa procedura, ci assicuriamo che tutti i componenti SCUVA essere abbastanza potente batteria, registrazione su nastro (per l'alta definizione o una videocamera HD), e funzionano correttamente. A seconda del flusso da misurare, selezionare fotocamera a risoluzione video e frame rate che danno migliori risultati per velocimetria immagine digitale di particelle (DPIV). ^1,2
2. Preparare gli alloggiamenti laser e telecamera per l'uso da pulire l'O-ring scanalature e o-ring con un panno pulito o pulire. Produttore diffusione fornito o-ring grasso in modo uniforme sulla o-ring e sostituirli nelle scanalature alloggi. Inoltre, pulire le aperture alloggiamento laser e fotocamera per evitare la deformazione lamiera laser e segna sulla lente fotocamera.
3. Controllare l'o-ring mettendo entrambi alloggiamenti vuoti in una vasca piena d'acqua. Oggetti ponderato dovrà essere posizionato sulla parte superiore del carter di sommergere dal loro alloggiamenti galleggiante quando è vuoto. Dopo 5 a 10 minuti, rimuovere gli alloggiamenti dalla vasca e t asciugamano asciuttolui fuori. Verificare se vi è tutta l'umidità all'interno della custodia. Anche considerare l'utilizzo usa e getta, strisce di umidità carta durante la prova di pressione per indicare se c'è umidità nelle sedi dopo il test.
4. Dopo le custodie superare il test di pressione, posizionare i componenti all'interno del SCUVA alloggiamenti.
5. Collegare scarica ad alta intensità (HID) baccelli luce della fotocamera. Assicurarsi che le luci sono orientate in modo tale che essi illuminano l'area direttamente davanti alla telecamera e operatore, e non interferiscono con il mantenimento presa su maniglie e il funzionamento dei comandi della fotocamera.
6. In un ambiente di scarsa luminosità, in modo che il raggio laser è correttamente allineato rispetto alla lente ottica installata nel corpo laser. Se correttamente allineati, il laser / lente aggregazione darà vita a un foglio verticale di luce che è orientato perpendicolarmente alla fotocamera. Per motivi di sicurezza, utilizzare un sensibile alla temperatura foglio di carta per determinare l'orientamento foglio laser.
Utilizzando gli allegati SCUVA e rigido, braccio estensibile, collegare l'alloggiamento laser e l'alloggiamento della telecamera tra di loro. Assicurare che le custodie sono saldamente fissati e che i corpi non è possibile ruotare gli uni rispetto agli altri. E 'fondamentale che il foglio di laser resta orientato perpendicolarmente al campo visivo della telecamera di vista durante tutta la misura.
7. A causa delle attuali capacità di SCUVA, immersioni misura può essere condotta solo in condizioni di scarsa luce o posizioni nelle ore notturne per evitare interferenze luce naturale con il foglio laser. Pertanto, consigliamo di attendere fino al tramonto o poi prima di entrare in acqua.
8. Accendere la telecamera prima di entrare in acqua. L'alloggiamento della telecamera ha un sensore di umidità elettronico che fornisce avvisi visivi (luci lampeggianti a LED) in caso di umidità nella fotocamera. Il sensore funziona solo quando l'alloggiamento della telecamera è accesa.
9. SCUVA Immergere in acqua e collegare l'apparato a se stessi utilizzandouna linea. Una volta collegato l'apparecchio, rilascio SCUVA per determinare le caratteristiche di galleggiabilità del dispositivo. A seconda delle caratteristiche di galleggiabilità, allegare schiuma galleggiabilità o portare pesi a una o entrambe le sedi per assicurare un assetto neutro e impedire la rotazione del dispositivo in acqua.
10. Successivamente, accendere il laser e tenere l'apparato fermo. Posizionare il laser utilizzando il braccio estensibile sufficientemente lontano dal subacqueo per ridurre al minimo la misura di flussi di sub-indotta. Eventuali misure di diver-indotta scorre vicino al bersaglio introdurre errori e non sono utilizzati per successive analisi. Regolare lo zoom della fotocamera fino a quando il campo di fotogrammi visualizzare la destinazione e fluido circostante.
11. Pur mantenendo l'apparato fisso, messa a fuoco la telecamera sul foglio laser finché le particelle appaiono nitide ea fuoco. Una volta che l'aereo foglio laser è a fuoco, passare la fotocamera alla modalità di messa a fuoco manuale. Ciò impedirà la fotocamera da rifocalizzazione sugli oggetti che appaiono nel campo dellavista durante la misurazione, con conseguente particelle sfocata nella scheda laser.
12. Per calibrare SCUVA, posto un oggetto di dimensioni conosciute nel foglio laser all'interno del campo della telecamera di vista. Record per alcuni secondi. Dopo l'immersione, l'immagine verrà estratta da questa sequenza video per determinare una costante di calibrazione che converte il campo visivo delle unità di pixel a cm. Se in qualsiasi momento l'operatore regola il campo visivo essere ri-posizionare il braccio estensibile o cambiare lo zoom della telecamera durante l'immersione, punti 12 e 13 dovranno essere ripetuti.
13. Iniziare l'immersione scendendo per la profondità di lavoro. Quando trova un bersaglio, l'impatto ambientale proprietà di flusso di massa devono essere determinati. Se presente, l'attuale direzione detterà apparecchi e posizionamento subacqueo relativa al target durante le misurazioni. La direzione del flusso di massa che circonda l'obiettivo si può dedurre osservando le bolle espirata dal sub e notando il loro movimento laterale. InOltre a bolle, una piccola quantità di colorante fluorescente (es. fluoresceina) può essere rilasciato per determinare la direzione della corrente. Dal sub-ha generato un flusso può essere una fonte di errore di misura DPIV, il subacqueo non deve essere posizionato a monte del bersaglio. Inoltre, il foglio laser deve essere posizionato parallelamente alla direzione della corrente in modo da massimizzare il tempo di permanenza delle particelle all'interno del foglio di laser, riducendo al minimo gli errori DPIV. Tuttavia, se nessun flusso di corrente o di massa è presente, subacqueo e posizionamento SCUVA relativo al target sono senza restrizioni.
14. Posizione di SCUVA per illuminare e registrare il movimento fluido che circonda un bersaglio. Se si tenta di registrare il flusso che circonda un oggetto in movimento prima di prevedere la posizione del bersaglio, e poi SCUVA posizione del Parlamento al luogo previsto, pur rimanendo immobile. Quando il target si muove attraverso campo visivo della telecamera di vista, iniziare la registrazione. Se il bersaglio è immobile, incorniciano il target e fluido circostante nella videocamera e# X2019; s campo di vista e iniziare a registrare, pur rimanendo immobile. L'operatore deve astenersi da movimenti di rotazione e out-of-plane durante la registrazione video poiché questi movimenti in conseguenza dei risultati erronei DPIV. Pertanto, le misurazioni raccolte durante rotazione e out-of-plane mozioni subacqueo non saranno utilizzati per ulteriori analisi dei dati.
15. Una volta collezione di video è completo, spegnere tutti i componenti di SCUVA e ripristinare il braccio laser in posizione chiusa. Rimuovere SCUVA dall'acqua e staccare la telecamera e custodie laser dal braccio. Sciacquare o immergere l'apparecchio in acqua dolce prima di asciugare per prevenire la ruggine degli apparecchi. Una volta che i contenitori vengono essiccati, rimuovere i componenti dalla alloggiamenti, e ricaricare le batterie e sostituire, se necessario, per un altro tuffo.
16. Collegare la videocamera a un computer ed estrarre il video dal nastro HD utilizzando un pacchetto software di video HD (ad esempio, Adobe Premiere Pro o iMovie). Dopo che il video è estratto, determinare l'intervallo divideo da convertire in una serie di immagini per l'analisi DPIV. Assicurare che le proporzioni pixel e le dimensioni delle immagini estratte corrispondere alle impostazioni video HD.
17. Queste immagini sono importate in un programma di elaborazione DPIV (cioè, Davis o MatPIV). Dopo la selezione corretta costante di calibrazione e parametri di acquisizione delle immagini, che sono spinto dal pacchetto software DPIV, campi di velocità possono essere generati a partire da immagini di particelle consecutive. Ulteriori fasi di post-processing, a seconda della qualità e tipi di misure, può essere applicato anche ^3.

Rappresentante dei risultati:

Quando il protocollo è fatto correttamente, le immagini delle particelle circostanti l'obiettivo sarà forte e facile da distinguere. Utilizzando i campi delle particelle catturate in situ da una videocamera SCUVA (Figura 1A) e un pacchetto di elaborazione DPIV software, campi di velocità del flusso che circonda il bersaglio (Figura 1B) sarà rivelato. Vettori nel Velocity campo indicano entità e la direzione della velocità del flusso locale. Se il video è sufficiente raccolte per fornire una serie temporali di immagini, una serie storica dei campi di velocità può essere anche determinato.

Figura 1, misurato nei campi delle particelle in situ (A) che circondano Aurelia labiata. Velocità di campo corrispondente (B) con vettori gialli che indicano la direzione del flusso e la grandezza.

Figura 2 Nei campi di particelle in situ circostanti Mastigias sp. Solmissus e sp. (A e B, rispettivamente). Freccia rossa in A indica una regione di alta riflettività, che provoca la saturazione dell'immagine, il che rende difficile distinguere tra le particelle e il bersaglio. Freccia rossa in B indica una regione di striature che risulta quando la portata èNon campionati ad una frequenza abbastanza alta.

Discussion

Un vincolo potenzialità nel campo è la necessità di particelle nel flusso, che sono necessarie per realizzare l'immagine digitale velocimetria di particelle (DPIV). In acque costiere, le particelle in sospensione presenta dimensioni dell'ordine di 10 micron di diametro e concentrazioni tra 0,002 e 10 per mm ^{3. 4} studi Ulteriori holocamera utilizzando un sommergibile per il rilevamento di particelle confermare sufficiente presenza di particelle di semina per eseguire DPIV in acqua dell'oceano. ⁵ Durante mare aperto e le immersioni oceaniche delle coste, abbiamo trovato che la densità delle particelle e le dimensioni non sono un vincolo per lo svolgimento in loco DPIV.

Oltre a densità delle particelle e le dimensioni, un'altra preoccupazione rilevante per le misure DPIV è l'omogeneità delle concentrazioni di particelle.

Qualitativamente, se una regione all'interno di una finestra di interrogazione è concentrazioni di particelle più grande di un altro, la grandezza velocità generata dal DAnalisi PIV sarà sbilanciata verso la regione con le concentrazioni di particelle superiore. Pertanto, le misure devono essere condotte SCUVA dove la concentrazione di particelle variabilità è ridotta al minimo. Abbiamo trovato concentrazioni thatcle sono relativamente costanti durante le concentrazioni di particelle sono relativamente costanti durante le immersioni in cui è sospeso il subacqueo a metà della colonna d'acqua. Tuttavia, i campi di particelle in ambienti bentonici hanno il potenziale di disomogeneità a causa della risospensione delle particelle da flussi ambientali o sub-indotta in prossimità del fondo del mare. Si deve prestare attenzione al minimo le disfunzioni delle particelle durante le misurazioni in ambienti bentonici. A conoscenza degli autori ', un'analisi formale di errori generati da campi disomogenea concentrazione di particelle non è stata condotta sia in condizioni di laboratorio o sul campo, e dovrebbe essere un argomento da approfondire in una pubblicazione separata.

Diversi problemi diversi devono essere considerati durante la preparazione econdurre esperimenti in situ utilizzando il protocollo. Durante la registrazione, l'operatore è incaricato di rimanere fermo e astenersi da tutte le out-of-plane e il movimento di rotazione. Questa richiesta è semplice, in teoria, ma difficile nella pratica, e queste misure richiedono avanzate abilità subacquee per essere completata. Fuori dal piano e movimenti di rotazione del risultato dell'operatore in DPIV dati errati. Tuttavia, nel piano mozioni possono essere corretti utilizzando il software in-house. ⁶ Si raccomanda agli operatori di praticare il controllo dell'assetto per diverse immersioni prima di utilizzare SCUVA per massimizzare l'efficienza di misura.

Oltre a considerazioni di galleggiabilità, l'operatore deve essere consapevole della direzione del flusso di destinazione. Flussi che viaggiano fuori dal piano relativo al foglio di laser non produrrà risultati affidabili DPIV, e l'operatore deve orientare SCUVA per catturare questi flussi più efficace. Inoltre, la posizione del subacqueo rispetto l'obiettivo deve essere selected in modo da ridurre al minimo il flusso sub-indotta nelle misure. Diver-indotta flusso introduce errore al flusso di destinazione e le misure che includono effetti subacqueo non deve essere utilizzato per ulteriori analisi.

Nel caso in cui il bersaglio ha una superficie altamente riflettente, la regione del fluido che circonda l'obiettivo sarà fortemente illuminato, il che rende difficile distinguere vicina singole particelle di fluido circostante (regione indicata dalla freccia rossa, figura 2A). I filtri polarizzatori o può essere aggiunto al alloggiamenti laser o la fotocamera per ridurre l'intensità della luce laser catturati dal sensore della fotocamera video. Se questo non è possibile a causa di vincoli logistici e accesso limitato alle attrezzature, post-processing di immagini utilizzando il software in-house in grado di fornire sufficiente correzione sottraendo dalle immagini le intensità dei pixel elevato vicino al bersaglio. Un'altra considerazione che riguarda la qualità dei dati è se DPIV striature delle particelle sono presenti. Se la particellai campi sono regioni di striature (indicato dalla freccia rossa, figura 2B), la videocamera sta registrando con un frame rate troppo basso per risolvere queste alte velocità. Aumentando il frame rate, striature di particelle può essere ridotto. Tuttavia, questo si traduce in una riduzione di luce che raggiunge il sensore videocamera e rende il campo dimmer particella look. Se la videocamera ha la possibilità di impostare manualmente le impostazioni di apertura, aumentare l'impostazione di apertura per evitare oscuramento del campo delle particelle. Determinare le impostazioni del dispositivo ottimale può richiedere più immersioni con SCUVA successo prima raccolta dei dati.