Name: Ilościowy pomiar przepływów in situ przy użyciu niezależnego podwodnego aparatu do pomiaru prędkości (SCUVA) (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-10-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 22 s
Description: Poznaj metodę SCUVA do ilościowego pomiaru przepływów generowanych przez zwierzęta w środowisku naturalnym. Technika ta umożliwia badanie dynamiki płynów w oceanografii i biologii.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Badania te są wspierane przez National Science Foundation w ramach grantów przyznanych JOD (OCE-0623475), SPC (OCE- 0623534 oraz 0727544) i JHC (OCE-0727587 oraz OCE-0623508), a także przez Office of Naval Research w ramach grantu przyznanego JHC (N000140810654). KK jest wspierany przez program Postdoctoral Scholar Program w Woods Hole Oceanographic Institution dzięki funduszom zapewnionym przez Devonshire Foundation.

<ol>
	<li>Aby rozpocząć tę procedurę, należy upewnić się, że wszystkie komponenty SCUVA mają wystarczający zapas energii w akumulatorach, taśmę nagrywającą (w przypadku kamery wideo wysokiej rozdzielczości HD) i funkcjonują prawidłowo. W zależności od przepływów przeznaczonych do pomiaru, należy wybrać rozdzielczość kamery wideo oraz liczbę klatek na sekundę, które zapewnią najlepsze wyniki dla cyfrowej welocymetrii obrazu cząstek (DPIV).1,2</li>
	<li>Przygotować obudowy lasera i kamery do użycia, czyszcząc rowki uszczelniające oraz pierścienie o-ring czystym ręcznikiem lub ściereczką. Należy równomiernie nałożyć dostarczony przez producenta smar do o-ringów na pierścienie i umieścić je z powrotem w rowkach obudowy. Ponadto należy wyczyścić otwory obudowy lasera i kamery, aby zapobiec deformacji arkusza lasera i powstaniu śladów na soczewce obudowy kamery.</li>
 <li>Sprawdzić szczelność o-ringów, umieszczając obie puste obudowy w wannie z wodą. Na wierzchu obudów należy położyć obciążniki, aby je zanurzyć, ponieważ puste obudowy pływają. Po 5 do 10 minutach należy wyjąć obudowy z wanny i osuszyć ich zewnętrzną stronę ręcznikiem. Należy sprawdzić, czy wewnątrz obudów nie pojawiła się wilgoć. Podczas testu ciśnieniowego można również zastosować jednorazowe papierowe paski wskaźniki wilgotności, aby określić, czy po teście w obudowach znajduje się wilgoć.</li>
 <li>Po pozytywnym przejściu testu ciśnieniowego należy umieścić komponenty SCUVA wewnątrz obudów.</li>
 <li>Do obudowy kamery należy przymocować moduły oświetlenia wysokoprądowego (HID). Należy upewnić się, że lampy są zorientowane w taki sposób, aby oświetlały obszar bezpośrednio przed kamerą i operatorem oraz nie utrudniały chwytu uchwytów i obsługi sterowania kamerą.</li>
 <li>W środowisku o słabym oświetleniu należy upewnić się, że wiązka lasera jest prawidłowo wyrównana względem soczewki optycznej zainstalowanej w obudowie lasera. Przy prawidłowym wyrównaniu kombinacja laser/soczewka stworzy pionowy arkusz światła zorientowany prostopadle do obudowy kamery. Ze względów bezpieczeństwa, do określenia orientacji arkusza lasera należy użyć termoczułego arkusza papieru.</li>
 <li>Za pomocą akcesoriów SCUVA i sztywnego, wysuwanego ramienia należy połączyć obudowę lasera z obudową kamery. Należy upewnić się, że obudowy są mocno przymocowane i nie mogą obracać się względem siebie. Jest krytyczne, aby arkusz lasera pozostał zorientowany prostopadle do pola widzenia kamery przez cały czas trwania pomiaru.</li>
 <li>Ze względu na obecne możliwości systemu SCUVA, nurkowania pomiarowe mogą być przeprowadzane wyłącznie w miejscach o słabym oświetleniu lub w nocy, aby zapobiec zakłócaniu arkusza lasera przez światło naturalne. Dlatego zaleca się poczekać do zmierzchu lub później przed wejściem do wody.</li>
 <li>Przed wejściem do wody należy włączyć obudowę kamery. Obudowa kamery posiada wbudowany elektroniczny czujnik wilgoci, który ostrzega wizualnie (migające diody LED) w przypadku pojawienia się wilgoci wewnątrz. Czujnik działa tylko wtedy, gdy obudowa kamery jest włączona.</li>
 <li>Zanurzyć SCUVA w wodzie i przymocować aparat do siebie za pomocą linki. Po przymocowaniu do aparatu, należy zwolnić SCUVA, aby określić charakterystykę wyporności urządzenia. W zależności od wyporności, do jednej lub obu obudów należy przymocować piankę wyporną lub obciążniki ołowiane, aby zapewnić wyporność neutralną i zapobiec obrotowi aparatu w wodzie.</li>
 <li>Następnie należy włączyć laser i utrzymać aparat w bezruchu. Za pomocą wysuwanego ramienia należy ustawić laser w wystarczającej odległości od nurka, aby zminimalizować pomiar przepływów wywołanych przez nurka. Wszelkie pomiary przepływów indukowanych przez nurka w pobliżu celu wprowadzają błąd i nie są wykorzystywane w późniejszej analizie. Należy dostosować zoom kamery tak, aby pole widzenia obejmowało cel i otaczający go płyn.</li>
 <li>Utrzymując aparat w bezruchu, należy ustawić ostrość kamery wideo na arkuszu lasera, aż cząstki staną się wyraźne i ostre. Po ustawieniu ostrości na płaszczyźnie arkusza lasera, należy przełączyć kamerę w tryb manualnego ustawiania ostrości. Zapobiegnie to ponownemu ustawianiu ostrości przez kamerę na obiektach pojawiających się w polu widzenia podczas pomiaru, co skutkowałoby rozmyciem cząstek w arkuszu lasera.</li>
 <li>Aby skalibrować SCUVA, należy umieścić obiekt o znanych wymiarach w arkuszu lasera w polu widzenia kamery wideo. Należy nagrywać przez kilka sekund. Po nurkowaniu z tej sekwencji wideo zostanie wyekstrahowany obraz w celu wyznaczenia stałej kalibracji, która przelicza rozmiar pola widzenia z pikseli na cm. Jeśli operator w dowolnym momencie zmieni rozmiar pola widzenia poprzez zmianę pozycji wysuwanego ramienia lub zmianę zoomu kamery podczas nurkowania, kroki 12 i 13 będą musiały zostać powtórzone.</li>
 <li>Nurkowanie należy rozpocząć od zejścia na głębokość roboczą. Po znalezieniu celu należy określić właściwości głównego przepływu środowiskowego. Jeśli występuje prąd, jego kierunek narzuci pozycjonowanie aparatu i nurka względem celu podczas pomiarów. Kierunek głównego przepływu otaczającego cel można wywnioskować, obserwując bąbelki wydychane przez nurka i odnotowując ich ruch boczny. Oprócz bąbelków można uwolnić niewielką ilość barwnika fluorescencyjnego (np. fluoresceiny), aby określić kierunek prądu. Ponieważ przepływ generowany przez nurka może być źródłem błędu pomiarowego DPIV, nurek nie powinien znajdować się powyżej celu względem nurtu. Ponadto arkusz lasera powinien być ustawiony równolegle do kierunku prądu, aby zmaksymalizować czas przebywania cząstek w arkuszu lasera, minimalizując tym samym błędy DPIV. Jeśli jednak prąd lub główny przepływ nie występują, pozycjonowanie nurka i SCUVA względem celu jest dowolne.</li>
 <li>Ustawić SCUVA tak, aby oświetlać i rejestrować ruch płynu otaczającego cel. W przypadku próby rejestracji przepływu wokół poruszającego się celu, należy najpierw przewidzieć jego położenie, a następnie ustawić SCUVA w przewidzianym miejscu, pozostając w bezruchu. W momencie gdy cel znajdzie się w polu widzenia kamery, należy rozpocząć nagrywanie. Jeśli cel jest nieruchomy, należy skadrować go wraz z otaczającym płynem w polu widzenia kamery wideo i rozpocząć nagrywanie, pozostając w bezruchu. Operator powinien wystrzegać się ruchów obrotowych i poza-płaszczyznowych podczas nagrywania wideo, ponieważ ruchy te prowadzą do błędnych wyników DPIV. W związku z tym pomiary zebrane podczas obrotowych i poza-płaszczyznowych ruchów nurka nie będą wykorzystywane do dalszej analizy danych.</li>
 <li>Po zakończeniu gromadzenia materiału wideo należy wyłączyć wszystkie komponenty SCUVA i przywrócić ramię lasera do pozycji schowanej. Należy wyjąć SCUVA z wody i odłączyć obudowy kamery i lasera od ramienia. Przed osuszeniem aparat należy opłukać lub namoczyć w świeżej wodzie, aby zapobiec rdzewieniu. Po wysuszeniu obudów należy wyjąć z nich komponenty oraz naładować i wymienić akumulatory, jeśli jest to konieczne przed kolejnym nurkowaniem.</li>
 <li>Podłączyć kamerę wideo do komputera i wyekstrahować wideo z taśmy HD za pomocą pakietu oprogramowania do wideo HD (np. Adobe Premiere Pro lub iMovie). Po wyekstrahowaniu wideo należy określić zakres materiału, który zostanie przekształcony w serię obrazów do analizy DPIV. Należy upewnić się, że proporcje pikseli i rozmiary wyekstrahowanych obrazów są zgodne z ustawieniami wideo HD.</li>
 <li>Obrazy te są importowane do programu do przetwarzania DPIV (np. DaVis lub MatPIV). Po prawidłowym wyborze stałej kalibracji i parametrów przechwytywania obrazu, które są wymagane przez pakiet oprogramowania DPIV, można wygenerować pola prędkości z kolejnych obrazów cząstek. W zależności od jakości i rodzaju pomiarów można również zastosować dodatkowe kroki postprocessingu.3</li>
</ol>
Reprezentatywne wyniki:
Po prawidłowym wykonaniu protokołu obrazy cząstek otaczających cel będą ostre i łatwe do rozróżnienia. Wykorzystując pola cząstek zarejestrowane in situ przez kamerę wideo SCUVA (Rycina 1A) oraz pakiet oprogramowania do przetwarzania DPIV, zostaną ujawnione pola prędkości przepływu wokół celu (Rycina 1B). Wektory w polu prędkości wskazują wielkość i kierunek lokalnej prędkości przepływu. Jeśli zgromadzono wystarczającą ilość materiału wideo, aby zapewnić serię obrazów w czasie, można również wyznaczyć szereg czasowy pól prędkości.
<img src="/files/ftp_upload/2615/2615fig1.jpg" alt="Fluorescencyjna wizualizacja przepływu, śledzenie cząsteczek w eksperymencie z dynamiki płynów, analiza pola wektorowego." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> Rysunek 1
 Zmierzone in situ pola cząsteczek (A) otaczające Aurelia labiata. Odpowiadające im pole prędkości (B) z żółtymi wektorami wskazującymi kierunek i wartość przepływu.
<img src="/files/ftp_upload/2615/2615fig2.jpg" alt="Badanie bioluminescencji; A: Przekrój poprzeczny meduzy; B: Ramiona meduzy; obrazowanie fluorescencyjne." data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 2"> Rysunek 2 Pola cząsteczek in situ otaczające Mastigias sp. oraz Solmissus sp. (odpowiednio A i B). Czerwona strzałka w A wskazuje obszar o wysokiej odblaskowości, co prowadzi do nasycenia obrazu, utrudniając odróżnienie cząsteczek od celu. Czerwona strzałka w B wskazuje obszar smużenia, który powstaje, gdy szybkość przepływu nie jest próbkowana z wystarczająco wysoką częstotliwością.

<ol><li>Adrian, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Particle-imaging+techniques+for+experimental+fluid+mechanics%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics.</a> Ann. Rev. Fluid Mech. 23, 261-304 (1991).</li>
<li>Willert, C. E., Gharib, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+particle+image+velocimetry%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Digital particle image velocimetry.</a> Exp. Fluids. 10, 181-193 (1991).</li>
<li>Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRaffel%2C+M+%22Particle+Image+Velocimetry%3A+A+Practical+Guide%22">Particle Image Velocimetry: A Practical Guide</a>. , Springer. New York. (2007).</li>
<li>Agrawal, Y. C., Pottsmith, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+diffraction+particle+sizing+in+STRESS%5BTitle%5D)+AND+%22Cont.+Shelf+Res%22%5BJournal%5D)">Laser diffraction particle sizing in STRESS.</a> Cont. Shelf Res. 14, 1101-1121 (1994).</li>
<li>Katz, J., Donaghay, P. L., Zhang, J., King, S., Russell, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Submersible+holocamera+for+detection+of+particle+characteristics+and+motions+in+the+ocean%5BTitle%5D)+AND+%22Deep+Sea+Res%22%5BJournal%5D)">Submersible holocamera for detection of particle characteristics and motions in the ocean.</a> Deep Sea Res. 46, 1455-1481 (1999).</li>
<li>Katija, K., Dabiri, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+field+measurements+of+aquatic+animal-fluid+interactions+using+a+self-contained+underwater+velocimetry+apparatus+%28SCUVA%29%5BTitle%5D)+AND+%22Limnol.+Oceanogr.-Meth%22%5BJournal%5D)">In situ field measurements of aquatic animal-fluid interactions using a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA).</a> Limnol. Oceanogr.-Meth. 6, 162-171 (2008).</li>
</ol>

Nie zgłoszono żadnych konfliktów interesów.

Potencjalnym ograniczeniem w tej dziedzinie jest konieczność obecności cząsteczek w przepływie, które są niezbędne do zastosowania cyfrowej welocymetrii obrazowej cząstek (DPIV). W wodach przybrzeżnych zawiesina materiału cząsteczkowego wykazuje rozmiary rzędu 10 μm średnicy oraz stężenia od 0,002 do 10 na mm3.4 Dodatkowe badania z wykorzystaniem zanurzalnej holokamery do detekcji cząstek potwierdzają wystarczającą obecność cząstek znacznika do przeprowadzenia DPIV w wodzie oceanicznej.5 Podczas nurkowań na otwartym morzu i w wodach przybrzeżnych oceanu stwierdzono, że gęstość i rozmiary cząstek nie stanowią ograniczenia dla prowadzenia pomiarów DPIV in situ.
Poza gęstością i rozmiarem cząstek, kolejną kwestią istotną dla pomiarów DPIV jest homogeniczność stężeń cząstek.
Jakościowo, jeśli obszar wewnątrz okna przesłuchującego wykazuje większe stężenia cząstek niż inny obszar, wartość prędkości wygenerowana przez analizę DPIV będzie przesunięta w stronę obszaru o wyższych stężeniach cząstek. W związku z tym pomiary SCUVA muszą być przeprowadzane w warunkach, w których zmienność stężenia cząstek jest zminimalizowana. Stwierdzono, że stężenia cząstek są stosunkowo stałe podczas nurkowań, w których nurek znajduje się w zawieszeniu w środkowej części kolumny wody. Jednak pola cząstek w środowiskach bentosowych mogą być niejednorodne ze względu na resuspensję cząstek wywołaną przez przepływy środowiskowe lub indukowane przez nurka w pobliżu dna morskiego. Należy zachować szczególną ostrożność, aby zminimalizować zaburzenia rozkładu cząstek podczas pomiarów w środowiskach bentosowych. Zgodnie z wiedzą autorów, formalna analiza błędów generowanych przez niejednorodne pola stężeń cząstek nie została przeprowadzona ani w warunkach laboratoryjnych, ani terenowych i powinna stanowić przedmiot dalszych rozważań w oddzielnej publikacji.
Podczas przygotowywania i przeprowadzania eksperymentów in situ zgodnie z niniejszym protokołem należy wziąć pod uwagę kilka różnych kwestii. Podczas rejestracji operator jest zobowiązany do pozostania w bezruchu i powstrzymania się od wszelkich ruchów poza płaszczyzną oraz ruchów obrotowych. W teorii prośba ta jest prosta, lecz w praktyce trudna, a wykonanie tych pomiarów z sukcesem wymaga zaawansowanych umiejętności nurkowania. Ruchy operatora poza płaszczyzną oraz ruchy obrotowe prowadzą do błędnych danych DPIV. Natomiast ruchy w płaszczyźnie mogą zostać skorygowane przy użyciu oprogramowania opracowanego w jednostce badawczej.6 Zaleca się, aby operator ćwiczył kontrolę pływalności podczas kilku nurkowań przed wykorzystaniem SCUVA w celu maksymalizacji efektywności pomiarów.
Poza kwestiami wyporności, operator powinien zwrócić uwagę na kierunek przepływu celu. Przepływy poruszające się poza płaszczyzną arkusza laserowego nie zapewnią wiarygodnych wyników DPIV, dlatego operator powinien zorientować SCUVA tak, aby najskuteczniej rejestrować te przepływy. Ponadto pozycja nurka względem celu musi zostać dobrana w taki sposób, aby zminimalizować przepływ indukowany przez nurka w pomiarach. Przepływ indukowany przez nurka wprowadza błąd do przepływu celu, a pomiary uwzględniające wpływ nurka nie powinny być wykorzystywane do dalszej analizy.
W przypadku, gdy obiekt posiada powierzchnię o wysokim współczynniku odbicia, obszar cieczy otaczający obiekt będzie silnie oświetlony, co utrudni odróżnienie poszczególnych cząstek znajdujących się w pobliżu od otaczającej cieczy (obszar wskazany czerwoną strzałką, Rysunek 2A). Do obudów lasera lub kamery można dodać filtry lub polaryzatory, aby zmniejszyć intensywność światła laserowego rejestrowanego przez sensor kamery wideo. Jeśli nie jest to możliwe ze względu na ograniczenia logistyczne i ograniczony dostęp do sprzętu, postprocessing obrazów przy użyciu oprogramowania opracowanego wewnętrznie może zapewnić wystarczającą korekcję poprzez odjęcie z obrazów podwyższonej intensywności pikseli w pobliżu obiektu. Innym czynnikiem wpływającym na jakość danych DPIV jest występowanie smug cząstek. Jeśli w polach cząstek występują obszary smugowania (wskazane czerwoną strzałką, Rysunek 2B), oznacza to, że kamera wideo rejestruje obraz przy zbyt niskiej częstotliwości klatek, aby rozdzielić te wysokie prędkości. Poprzez zwiększenie częstotliwości klatek można zredukować smugowanie cząstek. Powoduje to jednak zmniejszenie ilości światła docierającego do sensora kamery wideo i sprawia, że pole cząstek wydaje się ciemniejsze. Jeśli kamera wideo umożliwia ręczne ustawienie przysłony, należy zwiększyć otwór przysłony, aby zapobiec przyciemnieniu pola cząstek. Wyznaczenie optymalnych ustawień urządzenia może wymagać wielokrotnych zanurzeń z wykorzystaniem SCUVA przed pomyślnym zebraniem danych.

ilościowy pomiar przepływów in situ przy użyciu autonomicznego urządzenia do podwodnej welocymetrii (scuva)

Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

Zdolność do bezpośredniego pomiaru pól prędkości w środowisku płynnym jest niezbędna do dostarczenia danych empirycznych dla badań w dziedzinach tak różnorodnych jak oceanografia, ekologia, biologia i mechanika płynów. Pomiary terenowe niosą ze sobą wyzwania praktyczne, takie jak warunki środowiskowe, dostępność zwierząt oraz potrzeba stosowania technik pomiarowych kompatybilnych z warunkami polowymi. Aby uniknąć tych trudności, naukowcy zazwyczaj wykorzystują kontrolowane warunki laboratoryjne do badania interakcji między zwierzętami a płynem. Słuszne jest jednak pytanie, czy można ekstrapolować naturalne zachowania (tzn. te występujące w terenie) na podstawie pomiarów laboratoryjnych. Dlatego też niezbędne są ilościowe pomiary przepływu in situ, aby dokładnie opisać pływanie zwierząt w ich naturalnym środowisku.
Zaprojektowaliśmy autonomiczne, przenośne urządzenie, które działa niezależnie od jakiegokolwiek połączenia z powierzchnią i może dostarczać ilościowych pomiarów pola przepływu wokół zwierzęcia. Aparatura ta, autonomiczny podwodny aparat welocymetryczny (SCUVA), może być obsługiwana przez jednego nurka w głębokościach do 40 m. Ze względu na dodatkową złożoność wynikającą z warunków terenowych, w porównaniu z pomiarami laboratoryjnymi wymagane są dodatkowe rozważania i przygotowania. Obejmują one między innymi ruch operatora, przewidywanie pozycji pływających obiektów, dostępność naturalnych cząstek zawieszonych oraz orientację SCUVA względem badanego przepływu. Poniższy protokół ma na celu rozwiązanie tych typowych problemów terenowych i zmaksymalizowanie sukcesu pomiarowego.

Niniejszy protokół zawiera instrukcje dotyczące obsługi autonomicznego urządzenia do pomiaru prędkości przepływu pod wodą (SCUVA), które zostało zaprojektowane do kwantyfikacji przepływów generowanych przez zwierzęta in situ. Ponadto protokół ten odnosi się do wyzwań wynikających z warunków terenowych, w tym do ruchów operatora, przewidywania pozycji zwierząt oraz orientacji urządzenia SCUVA.

Ilościowy pomiar przepływów in situ przy użyciu autonomicznego urządzenia do podwodnej welocymetrii (SCUVA)

Zdolność do bezpośredniego pomiaru pól prędkości w środowisku płynnym jest niezbędna do dostarczenia danych empirycznych dla badań w dziedzinach tak zróżnicowanych jak ...

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest pomiar ruchu płynu wywołanego przez ciała ruchome lub stacjonarne w naturalnym środowisku polowym. Jest to realizowane przy użyciu sprzętu do nurkowania scuba, który jest rozmieszczany przez nurka w bezpiecznych granicach głębokości. W pierwszej kolejności nurek identyfikuje cel i dopływa do niego.Po wyrównaniu aparatury względem celu i ustawieniu płaszczyzny wiązki lasera, nurek włącza oświetlenie i rozpoczyna nagrywanie wideo, aby zarejestrować kolejne pola cząstek w czasie po zakończeniu nurkowania. W celu uzyskania pól prędkości wokół celu, filmy zostają pobrane i przetworzone. Uzyskano wyniki analizy, które obrazują przepływy w naturalnym środowisku polowym po transporcie płynu przez pływające zwierzęta.Główną zaletą wykorzystania sprzętu do nurkowania w porównaniu z laboratoryjnymi technikami pomiarowymi, takimi jak cyfrowa analiza obrazu cząstek, symetria FLOS czy DPIV, jest możliwość pomiaru ruchów płynów w naturalnym środowisku polowym. Pozwala to na udzielenie odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu oceanografii i biologii dotyczące wydajności pływania zwierząt, interakcji drapieżnik-ofiara oraz ekologii. Metodę tę można zastosować do pomiaru przepływu wokół pływających zwierząt, polipów koralowców lub w badaniach interakcji bentonicznych.Może być ona również wykorzystywana do pomiaru przepływów wokół struktur stworzonych przez człowieka. Wizualna demonstracja tej metody jest kluczowa, ponieważ pomiary terenowe są trudne do opanowania i wymagają znajomości technik pomiarowych oraz umiejętności nurkowania z aparatem scuba w nocy. Aby rozpocząć tę procedurę, należy przygotować taśmę nagrywającą w wysokiej rozdzielczości (HD).Upewnij się, że wszystkie komponenty S scuba mają wystarczający zapas energii w bateriach i funkcjonują prawidłowo. Przygotuj obudowy lasera i kamery do użycia, czyszcząc rowki uszczelniające oraz pierścienie O-ring czystym ręcznikiem lub ściereczką, a następnie równomiernie nałóż dostarczony przez producenta smar do pierścieni O-ring i zamontuj je z powrotem w rowkach obudowy. Dodatkowo oczyść otwory obudowy lasera i kamery, aby zapobiec deformacji płaszczyzny lasera oraz powstawaniu smug na soczewce obudowy kamery.Następnie przygotuj układ do testu szczelności, umieszczając jednorazowe papierowe paski pomiaru wilgotności w obudowach. Sprawdź uszczelki typu O-ring, umieszczając puste obudowy w kuwecie wypełnionej wodą. Na wierzchu obudów należy położyć obciążniki, aby całkowicie je zanurzyć.Ponieważ obudowy wypływają na powierzchnię po 5 do 10 minutach, gdy są puste, należy wyjąć je z kuwety i osuszyć ręcznikiem. Osuszyć zewnętrzną stronę. Sprawdzić, czy wewnątrz obudów znajduje się wilgoć, kontrolując paski wskaźnikowe wilgotności.Po przejściu obudów testu ciśnienia należy umieścić w nich komponenty sprzętu do nurkowania. Do obudowy kamery przymocuj moduły lamp o wysokiej intensywności wyładowań. Upewnij się, że lampy są skierowane w taki sposób, aby oświetlały obszar bezpośrednio przed kamerą i operatorem, ale nie utrudniały uchwytu rączek ani obsługi elementów sterujących kamerą.W środowisku o słabym oświetleniu można użyć arkusza papieru wrażliwego na temperaturę, aby określić orientację płaszczyzny laserowej. Gdy wiązka lasera jest prawidłowo wyrównana względem soczewki optycznej zainstalowanej w obudowie lasera, kombinacja soczewek laserowych wytworzy pionową płaszczyznę światła zorientowaną prostopadle do obudowy kamery. Używając uchwytów do nurkowania oraz ramienia sztywnego lub wysuwanego, połącz ze sobą obudowę lasera i obudowę kamery. Upewnij się, że obudowy są mocno przymocowane i nie mogą obracać się względem siebie.Kluczowe jest, aby płaszczyzna wiązki lasera pozostawała zorientowana prostopadle do pola widzenia kamery. Ze względu na obecne możliwości pomiarów podwodnych, nurkowania mogą być przeprowadzane wyłącznie w miejscach o słabym oświetleniu lub w nocy, aby zapobiec zakłócaniu światła laserowego przez światło naturalne. Dlatego zaleca się wejście do wody o zmierzchu lub później.Przed wejściem do wody włącz obudowę kamery. Obudowa kamery posiada wbudowany elektroniczny czujnik wilgoci, który wyświetla ostrzeżenia wizualne w przypadku pojawienia się wilgoci wewnątrz obudowy. Czujnik działa tylko wtedy, gdy obudowa kamery jest włączona.Kolejnym krokiem jest wejście do wody i rozpoczęcie konfiguracji sprzętu oraz eksperymentu zgodnie z opisem w protokole pisemnym. Po ustawieniu sprzętu należy skalibrować system scuba, rejestrując obiekt o znanych wymiarach w płaszczyźnie lasera. Po zakończeniu nurkowania można wyznaczyć stałą kalibracyjną w celu przeliczenia rozmiaru pola widzenia z pikseli na centymetry po odnalezieniu celu.Należy określić właściwości głównego przepływu środowiskowego. W przypadku jego występowania, kierunek prądu będzie determinował rozmieszczenie aparatury i nurka względem celu. Podczas pomiarów kierunek głównego przepływu wokół celu można wywnioskować, obserwując wydychane przez nurka pęcherzyki powietrza i odnotowując ich ruch boczny.W celu określenia aktualnego kierunku nurtu można również uwolnić niewielką ilość barwnika fluorescencyjnego. Ponieważ przepływ generowany przez nurka może być źródłem błędów w pomiarach DPIV, nurek nie powinien znajdować się powyżej docelowej pozycji. Płaszczyzna wiązki lasera powinna być ustawiona równolegle do kierunku nurtu, aby zmaksymalizować czas przebywania cząstek wewnątrz wiązki, minimalizując tym samym błędy DPIV.Następnie ustaw urządzenie scuba w taki sposób, aby oświetlić i zarejestrować ruchy płynu wokół celu. Rozpocznij nagrywanie w momencie, gdy cel przesuwa się przez pole widzenia kamery; podczas nagrywania wideo unikaj ruchów obrotowych oraz ruchów poza płaszczyzną. Po wyłączeniu wszystkich elementów urządzenia scuba i przywróceniu ramienia laserowego do pozycji wysuniętej, wyjmij urządzenie scuba z wody i odłącz obudowy kamery oraz lasera od ramienia.Przed osuszeniem opłucz lub namocz urządzenie w świeżej wodzie, aby zapobiec korozji sprzętu. Po wyschnięciu obudów wyjmij z nich komponenty, naładuj i w razie potrzeby wymień baterie. Przed kolejnym nurkowaniem podłącz kamerę wideo do komputera i wyeksportuj wideo z taśmy HD, korzystając z oprogramowania do wideo HD.Po wyekstrahowaniu wideo określ zakres nagrania, który zostanie przekonwertowany na serię obrazów do analizy DPIV. Upewnij się, że proporcje pikseli oraz rozmiary wyekstrahowanych obrazów są zgodne z ustawieniami wideo HD. Zaimportuj te obrazy do programu przetwarzającego A-D-P-I-V z kalibracji sprzętu do nurkowania przeprowadzonej przed zanurzeniem.Wprowadź stałą kalibracyjną i wybierz parametry przechwytywania obrazów, o które prosi pakiet oprogramowania DPIV. Następnie wygeneruj pola prędkości z następujących po sobie obrazów cząsteczek. W przypadku prawidłowego obrazowania można również zastosować dodatkowe kroki postprocessingu, w zależności od jakości i rodzajów pomiarów.Obrazy cząstek otaczających cel powinny być ostre i łatwe do rozróżnienia, jak pokazano na tym obrazie pola cząstek in situ wokół aurelii; przy zastosowaniu pakietu oprogramowania A-D-P-I-V ujawnione zostały tutaj pola prędkości przepływu wokół celu. Żółte wektory w polu prędkości wskazują wartość oraz kierunek lokalnej prędkości przepływu. Jeśli zgromadzono wystarczającą ilość materiału wideo, aby uzyskać serię czasową obrazów, można również wyznaczyć serię czasową pól prędkości.Nieprawidłowe obrazowanie może skutkować nieczytelnymi polami cząstek w cju. Przedstawiono tutaj pole cząstek otaczające missi. Czerwona strzałka wskazuje obszar o wysokiej odblaskowości, co prowadzi do nasycenia obrazu, utrudniając odróżnienie cząstek od celu.Kolejny przykład niewłaściwego obrazowania jest widoczny w tym polu cząstek; czerwona strzałka wskazuje obszar smugowania, który powstaje, gdy szybkość przepływu nie jest próbkowana z wystarczająco wysoką częstotliwością. Po opanowaniu tej procedury pomiary można przeprowadzić w czasie od jednej do dwóch godzin, w zależności od czasu trwania nurkowania podczas stosowania tej techniki pomiarowej; niezwykle ważne jest jednak utrzymanie właściwej wyporności neutralnej oraz posiadanie wystarczającej wiedzy na temat lokalnych warunków nurkowania przed wejściem do wody. Należy pamiętać, że praca z laserami jest niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zawsze przestrzegać odpowiednich środków ostrożności, takich jak prawidłowe wyrównanie laserów.Po wykonaniu tej procedury można wykorzystać post-processing w programie MATLAB, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak wydajność energetyczna i natężenia przepływu.

quantitatively-measuring-situ-flows-using-self-contained-underwater

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Ilościowe pomiary przepływu in situ za pomocą samodzielnego aparatu pomiarowego prędkości podwodnej (SCUVA)

Opisano system echoskopowej welocymetrii obrazowej cząstek (EPIV), który umożliwia pozyskiwanie dwuwymiarowych pól prędkości w płynach nieprzezroczystych optycznie lub przez geometrie nieprzezroczyste optycznie, oraz przedstawiono pomiary walidacyjne w przepływie w rurze.

Echo Particle Image Velocimetry

Wprowadzamy VacuSIP, prostą, nieinwazyjną i niezawodną metodę czystego i dokładnego punktowego pobierania próbek wody. System został opracowany i oceniony pod kątem jednoczesnego zbierania wody wdychanej i wydychanej przez dozowniki zawiesiny bentosowej in situ, w celu czystego pomiaru usuwania i wydalania cząstek stałych i rozpuszczonych związków.

VacuSIP, ulepszona metoda InEx do pomiaru in situ cząstek stałych i rozpuszczonych związków przetwarzanych przez aktywne podajniki zawiesiny

Rękopis przedstawia protokół przeprowadzania eksperymentów z transportem osadów pod obciążeniem pokładowym, gdzie poruszające się cząstki są śledzone za pomocą analizy obrazu. Przedstawiono tu obiekt doświadczalny, procedury realizacji przebiegu i przetwarzania danych, a na koniec wyniki proof-of-concept.

Śledzenie cząstek lagrange'a na podstawie obrazu w eksperymentach z obciążeniem łóżka

Wraz z postępem technologicznym i wzrostem oczekiwań użytkowników końcowych, wzrosło zapotrzebowanie i wykorzystanie danych o wyższej rozdzielczości czasowej do szacowania ładunku zanieczyszczeń. Protokół ten opisuje metodę ciągłego monitorowania jakości wody in situ w celu uzyskania danych o wyższej rozdzielczości czasowej w celu podejmowania świadomych decyzji dotyczących zarządzania zasobami wodnymi.

Ciągły monitoring dopływu składników pokarmowych i osadów w rolniczych zlewniach

Opisujemy nową metodę liczenia ryb oraz szacowania względnej obfitości (MaxN) i gęstości ryb za pomocą obrotowych systemów kamer stereo-video. Pokazujemy również, jak wykorzystać odległość od kamery (odległość Z) do oszacowania wykrywalności specyficznej dla gatunku.

Opracowanie nowych metod ilościowego określania zagęszczenia ryb za pomocą podwodnych narzędzi stereo-wideo

Pomiary oparte na obrazach są coraz bardziej praktyczną, nieinwazyjną metodą pobierania próbek środowiska morskiego. Przedstawiamy protokół z badania za pomocą kamery zrzutowej, które szacuje liczebność i rozmieszczenie przegrzebka morskiego (Placopecten magellanicus). Omówiliśmy, w jaki sposób protokół ten można uogólnić w celu zastosowania do innych makrobezkręgowców bentosowych.

Metody badań obrazowych makrobezkręgowców bentosowych i ich siedlisk na przykładzie badania przegrzebka atlantyckiego za pomocą kamery opadowej

Technika opisana tutaj oferuje tanią i stosunkowo prostą metodę jednoczesnego pomiaru kinematyki cząstek i turbulencji w przepływach o niskich stężeniach cząstek. Turbulencje są mierzone za pomocą prędkości obrazu cząstek (PIV), a kinematyka cząstek jest obliczana na podstawie obrazów uzyskanych za pomocą szybkiej kamery w nakładającym się polu widzenia.

Jednoczesny pomiar turbulencji i kinematyki cząstek z wykorzystaniem technik obrazowania przepływowego

Urządzenie przepływowe do wykorzystania metody biodepozycji do ilościowego określania filtracji i żerowania małży zostało zmodyfikowane do użytku na statku. Dwuwymiarowy stół przegubowy zbudowany wokół urządzenia izoluje aparaturę od ruchu łodzi, umożliwiając w ten sposób dokładne ilościowe określenie zmiennych filtracji małży w morskich zakładach akwakultury skorupiaków.

Projektowanie i stosowanie aparatury do ilościowego oznaczania zawiesiny małży zasilających morze

Celem protokołu jest umożliwienie wizualizacji szczegółowych pól przepływu oraz określenie naprężeń bliskich granicy ścinania i normalnych w równowagowym otworze płuczkowym wywołanym przez wibrujący rurociąg.

Wizualizacja pola przepływu wokół rurociągu wibracyjnego w obrębie równowagowego otworu płuczącego

Udostępniamy szczegółowy protokół do przeprowadzania podwodnych badań fotogrametrycznych struktury na podstawie ruchu w celu wygenerowania modeli 3D i ortomozaik.

Podstawa terenowa do monitorowania ekosystemów bentosowych za pomocą fotogrametrii struktury z ruchu

Ten protokół obejmuje czteroetapową metodologię badań obrazowania dużych obszarów, używaną do wyodrębniania wskaźników złożoności strukturalnej, składu społeczności i demografii populacji dla społeczności raf koralowych. Jakość zebranych zobrazowań i zintegrowany dostęp do zobrazowań źródłowych są traktowane priorytetowo na każdym etapie protokołu.

Pomiar struktury, składu i zmian środowiska podwodnego za pomocą obrazowania wielkopowierzchniowego

Poznaj metodę SCUVA do ilościowego pomiaru przepływów generowanych przez zwierzęta w środowisku naturalnym. Technika ta umożliwia badanie dynamiki płynów w oceanografii i biologii.

Ilościowy pomiar przepływów in situ przy użyciu autonomicznego urządzenia do podwodnej welocymetrii (SCUVA)

Przeglądaj więcej filmów