Kwantitatief meten In situ Stromen met behulp van een self-contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

Samenvatting

Dit protocol bevat instructies over hoe je een self-contained onder water velocimetry apparaten (SCUVA), die is ontworpen voor de kwantificering van de in situ dieren gegenereerde stroom te gebruiken. Daarnaast, dit protocol adressen uitdagingen van de veldomstandigheden, en omvat operator beweging, voorspellen positie van het dier, en oriëntatie van SCUVA.

Samenvatting

De mogelijkheid om direct snelheid velden te meten in een vloeistof omgeving nodig is om empirische gegevens voor studies in velden geven zo divers als oceanografie, ecologie, biologie en vloeistofmechanica. Veldmetingen voor de praktische uitdagingen, zoals de milieu-omstandigheden, dier beschikbaarheid en de behoefte aan veld-compatibele meettechnieken. Om te voorkomen dat deze uitdagingen, wetenschappers meestal gebruik gecontroleerde laboratorium omgeving van dieren-vloeistof interacties te bestuderen. Toch is het redelijk te vragen of men kan natuurlijk gedrag te extrapoleren (dat wil zeggen, dat dat voorkomt in het veld) van laboratorium metingen. Daarom worden in situ kwantitatieve debietmeting die nodig is om dieren zwemmen nauwkeurig te beschrijven in hun natuurlijke omgeving.

We ontwierpen een op zichzelf staand, draagbaar apparaat dat werkt, onafhankelijk van enig verband met het oppervlak, en kunnen kwantitatieve metingen van het stromingsveld surrounding een dier. Dit apparaat, een self-contained onder water velocimetry apparaten (SCUVA), kan worden bediend door een duiker in een diepte van 40 m. Als gevolg van de extra complexiteit die inherent is van het veld voorwaarden, bijkomende overwegingen en voorbereiding nodig zijn in vergelijking met laboratoriummetingen. Deze overwegingen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, operator beweging, voorspellen positie van zwemmen doelstellingen, de beschikbare natuurlijke zwevende deeltjes, en de oriëntatie van SCUVA ten opzichte van de doorstroming van belang. Het volgende protocol is bedoeld om deze gemeenschappelijke problemen aan te pakken en het veld te meten succes te maximaliseren.

Protocol

1. Om te beginnen deze procedure, zorgen wij ervoor dat alle componenten SCUVA batterij met voldoende vermogen, opname tape (voor de high-definition of HD video camera), en goed functioneren hebben. Afhankelijk van de stromen te meten, selecteer videocamera resolutie en frame rates dat de beste resultaten opleveren voor digitale particle image velocimetry (DPIV). ^1,2
2. Bereid de laser en de camera behuizingen voor gebruik door het schoonmaken van de o-ring groeven en o-ringen met een schone handdoek of vegen. Spread fabrikant verstrekte o-ring vet gelijkmatig over de o-ringen en vervang ze in de behuizing groeven. Daarnaast, het reinigen van de laser en de camera behuizing openingen om laser blad vervorming en voorkomen dat merken op de camera behuizing lens.
3. Controleer de o-ring afdichting door het plaatsen van zowel lege behuizingen in een bad vol met water. Gewogen objecten zullen moeten worden geplaatst op de top van de behuizingen onder water ze al sinds de behuizingen drijven als deze leeg is. Na 5 tot 10 minuten, verwijder de behuizingen van de kuip en een handdoek droog thij buiten. Controleer of er sprake is van vocht in de behuizing. Ook overwegen om wegwerp-, papier-vocht strips tijdens de druktest om aan te geven of er vocht in de behuizing na de test.
4. Na de behuizing passeren de druktest, plaats SCUVA onderdelen in de behuizing.
5. Bevestig high-intensity discharge (HID) licht pods op de camera behuizing. Zorg ervoor dat de lichten zijn gericht op een zodanige wijze dat ze de ruimte verlichten direct voor de camera en operator, en niet interfereren met behoud van grip op handvaten en de werking van de camera controles.
6. In een omgeving met weinig licht, ervoor te zorgen dat de laserstraal goed is ten opzichte van de optische lens geïnstalleerd in de laser behuizing uitgelijnd. Bij het goed uitgelijnd, zal de laser / lens combinatie te maken een verticale plaat van het licht dat gericht is loodrecht op de camera behuizing. Voor de veiligheid, gebruik van een temperatuurgevoelige vel papier om laser blad oriëntatie te bepalen.
7. Met behulp van SCUVA bijlagen en de stijve, uitschuifbare arm, verbind de laser behuizing en de camera behuizing aan elkaar. Zorg ervoor dat de behuizing stevig bevestigd zijn en dat de behuizing niet kan draaien ten opzichte van elkaar. Het is cruciaal dat de laser blad blijft loodrecht gericht op het gezichtsveld van de camera's gezien in de meting.
8. Door de huidige mogelijkheden van SCUVA, kan de meting duiken alleen worden uitgevoerd bij weinig licht locaties of 's nachts aan natuurlijk licht interferentie met de laser blad. Daarom adviseren wij te wachten tot de schemering of later, voordat u het water.
9. Zet de camera behuizing voordat u het water. De camera behuizing heeft een ingebouwde elektronische vochtsensor dat de visuele waarschuwingen geeft (knipperende LED-lampjes) in geval van vocht in de camera behuizing. De sensor werkt alleen als de camera behuizing op.
10. Dompel SCUVA in het water en voeg het apparaat om jezelf met behulp vaneen lijn. Eenmaal bij het toestel, laat SCUVA aan de drijfvermogen van het apparaat te bepalen. Afhankelijk van het drijfvermogen, hechten drijfvermogen schuim of lood aan een of beide behuizingen voor een neutraal drijfvermogen te waarborgen en te voorkomen dat rotatie van het apparaat in het water.
11. Schakel vervolgens de laser en houd het toestel stilstaat. Plaats de laser met behulp van de uitschuifbare arm ver genoeg van de duiker de meting van de duiker-geïnduceerde stromen te minimaliseren. Eventuele metingen van diver-geïnduceerde stromen in de buurt van het doel te introduceren fout en worden niet gebruikt voor verdere analyse. Stel de camera zoom tot aan het gezichtsveld van frames het doel en de omringende vloeistof.
12. Terwijl het apparaat stilstaat, de focus van de video-camera op de laser blad totdat de deeltjes verschijnen scherp en in focus. Zodra de laser blad vliegtuig is in focus, zet de camera op de handmatige scherpstelling. Dit voorkomt dat de camera richten op alle objecten die verschijnen op het gebied vante bekijken tijdens de meting, wat resulteert in onscherpe deeltjes in de laser blad.
13. Te kalibreren SCUVA, plaats een object met bekende afmetingen in de laser blad binnen het gezichtsveld van de video-camera's te bekijken. Record voor enkele seconden. Na de duik, zal een beeld worden verkregen van deze video-opname op een kalibratie constant dat het gezichtsveld grootte bekeerlingen uit eenheden van de pixels cm te bepalen. Indien op enig moment de operator past de grootte van het gezichtsveld opnieuw de positie van de uitschuifbare arm of het wijzigen van de camera zoom tijdens de duik, zal de stappen 12 en 13 behoeven te worden herhaald.
14. Begin de duik daalt langzaam af naar de werkdiepte. Bij het vinden van een doel, de milieu-bulk vloei-eigenschappen moeten worden bepaald. Indien aanwezig, zal de huidige richting te dicteren apparatuur en duiker positionering ten opzichte van de doelgroep tijdens de metingen. De richting van bulk stroming rond het doel kan worden afgeleid door het observeren van bubbels uitgeademd uit de duiker en gezien het feit van hun zijwaartse beweging. InNaast bellen, kan een kleine hoeveelheid van fluorescerende kleurstof (dat wil zeggen, fluoresceïne) worden vrijgegeven aan de huidige richting te bepalen. Aangezien de duiker gegenereerde stroom kan een bron van DPIV meetfouten zijn, moet de duiker niet stroomopwaarts worden geplaatst van het doel. Bovendien moet de laser blad parallel zijn geplaatst dat de richting van de stroom, om deeltjes verblijftijd in de laser blad te maximaliseren, om zo DPIV fouten. Echter, als er geen stroom of bulk stroom aanwezig is, duiker en SCUVA positionering ten opzichte van de doelgroep zijn onbeperkt.
15. Positie van SCUVA te verlichten en op te nemen de vloeiende beweging rond een doel. Als pogingen om de stroom rond een bewegend doel registreren eerste voorspellen de locatie van het doelwit, en plaats vervolgens SCUVA om de voorspelde locatie, terwijl de resterende bewegingloos. Als het doel beweegt door het gezichtsveld van de camera's te bekijken, te beginnen met opnemen. Als het doel is onbeweeglijk, frame het doel en de omringende vloeistof in de video-camera en# X2019; s gezichtsveld en beginnen met opnemen terwijl de resterende bewegingloos. De bestuurder moet zich onthouden van rotatie-en out-of-plane bewegingen tijdens de video-opname, omdat deze bewegingen resulteren in foutieve DPIV resultaten. Daarom, metingen verzameld tijdens rotatie-en out-of-plane duiker bewegingen zal niet gebruikt worden voor verdere data-analyse.
16. Zodra video collectie is voltooid, schakelt u alle onderdelen van SCUVA en het herstel van de laser arm om zijn teruggetrokken positie. Verwijder SCUVA uit het water en los van de camera en laser-behuizingen uit de arm. Spoel of genieten van de apparatuur in zoet water voor het drogen om te voorkomen dat roesten van het apparaat. Zodra de behuizingen worden gedroogd, te verwijderen componenten uit de behuizing en laad-en vervang de batterijen als dat nodig is voor een andere duik.
17. Sluit de videocamera op een computer en uittreksel video van de HD-tape met behulp van een HD-video software pakket (dat wil zeggen, Adobe Premiere Pro of iMovie). Na de video is uitgepakt, het bereik vanvideo om te zetten in een reeks van beelden voor DPIV analyse. Zorg ervoor dat de pixel-aspect-ratio's en uitgepakt beeldgrootte van de HD-video-instellingen overeenkomen.
18. Deze beelden worden geïmporteerd in een DPIV de verwerking van het programma (dat wil zeggen, Davis of MatPIV). Na de juiste keuze van de kalibratie constant en beeld vast te leggen parameters, die wordt gevraagd van de DPIV softwarepakket, kan de snelheid velden worden gegenereerd uit opeenvolgende deeltje beelden. Aanvullende post-processing stappen, afhankelijk van de kwaliteit en de soorten metingen, kunnen ook worden toegepast. ³

Representatieve resultaten:

Wanneer het protocol correct is gedaan, zal het deeltje beelden rond het doel scherp zijn en gemakkelijk te onderscheiden. Met behulp van het deeltje velden gevangen in situ door video's SCUVA camera (figuur 1A) en een DPIV processing software-pakket, de snelheid van de stroming gebied rondom de doelgroep (Figuur 1B) zal worden onthuld. Vectoren in de VelociTy veld aan te geven omvang en richting van de lokale stroomsnelheid. Als er voldoende video wordt verzameld om een ​​tijdreeks van de beelden te leveren, kan een tijdreeks van de snelheid velden ook worden bepaald.

Figuur 1 Gemeten in situ deeltje velden (A) rond Aurelia labiata. Overeenkomstige snelheidsveld (B) met geel vectoren geeft de stroomrichting en grootte.

Figuur 2 In situ deeltje velden rondom Mastigias sp. Solmissus en sp. (A en B, respectievelijk). Rode pijl in A wijst op een gebied van hoge reflectie, wat resulteert in verzadiging van het beeld, waardoor het moeilijk is onderscheid te maken tussen deeltjes en het doel. Rode pijl in B geeft een regio strepen die ontstaat wanneer het debiet isniet voor de steekproef op een voldoende hoog frequentie.

Discussie

Een potentiële beperking in het veld is de noodzaak voor deeltjes in de stroom, die nodig zijn om digitale particle image velocimetry (DPIV) uit te voeren. In kustwater, zwevende deeltjes vertoont maten op de orde van 10 micrometer in diameter en concentraties tussen 0,002 en 10 per mm ^{3. 4} Aanvullende studies met behulp van een dompelpomp holocamera voor deeltjesdetectie bevestigen voldoende aanwezigheid van zaaien deeltjes tot DPIV uit te voeren in het oceaanwater. ⁵ Tijdens de open zee en de kust oceaan duiken, hebben we ontdekt dat deeltjes dichtheden en afmetingen niet een beperking voor het uitvoeren van in situ DPIV.

Afgezien van deeltjes dichtheden en maten, een andere zorg die relevant zijn voor DPIV metingen is de homogeniteit van deeltjes concentraties.

Kwalitatief, als een regio binnen een ondervraging venster heeft een grotere deeltjes concentraties dan de andere, de snelheid grootte gegenereerd door de DPIV analyse zal worden bevooroordeeld aanzien van de regio met een hogere deeltjes concentraties. Daarom moet SCUVA metingen worden uitgevoerd wanneer deeltjesconcentratie variabiliteit is geminimaliseerd. We vonden thatcle concentraties zijn relatief constant gedurende deeltjes concentraties relatief constant tijdens duiken waarbij de duiker wordt opgeschort in het midden van de waterkolom. Echter, deeltje velden in benthische omgevingen hebben het potentieel voor inhomogeniteit als gevolg van resuspensie van deeltjes door milieu-of duiker-geïnduceerde stroomt de buurt van de zeebodem. Zorg moet worden genomen om verstoring van de deeltjes te minimaliseren tijdens de metingen in benthische omgevingen. De auteurs 'kennis, heeft een formele analyse van de fouten die door niet-homogene deeltjesconcentratie velden die niet zijn uitgevoerd in zowel laboratorium-of veldomstandigheden, en moet een onderwerp voor verdere behandeling in een aparte publicatie.

Verschillende kwesties moeten worden overwogen bij de voorbereiding enhet uitvoeren van in situ experimenten met behulp van het protocol. Tijdens de opname, is de exploitant opgedragen om stil blijven staan ​​en van alle out-of-vliegtuig en roterende beweging refrein. Dit verzoek is eenvoudig in theorie, maar in de praktijk moeilijk, en deze metingen vereisen geavanceerde duiken vaardigheid om met succes worden afgerond. Out-of vliegtuig en rotatie bewegingen van de gebruiker resulteren in foutieve DPIV gegevens. Echter, in het vlak bewegingen worden gecorrigeerd met behulp van in-house software. ⁶ Het wordt aanbevolen om de operator om controle over het drijfvermogen praktijk voor een aantal duiken voor het gebruik van SCUVA de meting efficiëntie te maximaliseren.

Naast het drijfvermogen overwegingen, moet de exploitant zich bewust zijn van de beoogde doorstroming richting. Stromen die reizen out-of-plane ten opzichte van de laser blad zal niet toegeven betrouwbare DPIV resultaten, en de exploitant dient oriënteren SCUVA om deze stromen te vangen het meest effectief. Daarnaast moet de positie van de duiker ten opzichte van de doelgroep te selected, om diver-geïnduceerde stroom in de metingen te minimaliseren. Diver-geïnduceerde stroom introduceert fout naar het doel flow, en metingen dat de duiker effecten zijn mogen niet worden gebruikt voor verdere analyse.

In het geval dat het doel een sterk reflecterende oppervlak heeft, zal de vloeistof regio rond de doelgroep sterk worden verlicht, waardoor het moeilijk naar het nabijgelegen individuele deeltjes te onderscheiden van de omringende vloeistof (regio aangegeven met rode pijl, figuur 2A). Filters of polarisatoren kunnen worden toegevoegd aan de laser of camera behuizing om de intensiteit van het laserlicht gevangen genomen door de video-camera sensor te verminderen. Indien dit niet mogelijk is te wijten aan logistieke problemen en de beperkte toegang tot apparatuur, post-processing van de beelden met behulp van in-house software kan bieden voldoende correctie door het getal van de beelden die de verhoogde pixel intensiteiten in de buurt van het doel. Een andere overweging dat de kwaliteit van DPIV gegevens van invloed op is de vraag of deeltje strepen aanwezig zijn. Als deeltjevelden hebben de regio's strepen (aangegeven met rode pijl, figuur 2B), is de video-camera opname op een frame rate te laag is om deze hoge snelheden op te lossen. Door het verhogen van de frame rate, kunnen deeltjes strepen worden verminderd. Echter, dit resulteert in een vermindering van licht die op de video-camera sensor en maakt het deeltje veld kijken dimmer. Als de video-camera heeft de mogelijkheid om handmatig in te stellen diafragma-instellingen, verhoging van de diafragma-instelling om te voorkomen dat het dimmen van het deeltje veld. Het bepalen van de optimale instellingen van het apparaat kunnen meerdere duiken met SCUVA voor succesvolle verzamelen van gegevens.