La medición cuantitativa de In situ Flujos de utilizar un aparato autónomo Velocimetry Subacuático (SCUVA)

Summary

Este protocolo proporciona instrucciones sobre cómo usar un aparato autónomo de velocimetría bajo el agua (SCUVA), que está diseñado para la cuantificación de los animales in situ generados por los flujos. Además, este protocolo aborda los desafíos planteados por las condiciones del campo, e incluye el movimiento del operador, la predicción de la posición de los animales, y la orientación de SCUVA.

Abstract

La capacidad de medir directamente los campos de velocidades en un ambiente fluido es necesario proporcionar los datos empíricos de los estudios en campos tan diversos como la oceanografía, la ecología, la biología y la mecánica de fluidos. Mediciones de campo introduce cuestiones prácticas, tales como las condiciones ambientales, la disponibilidad de animales, y la necesidad de técnicas de medición de campo compatible. Para evitar estos problemas, los científicos suelen utilizar ambientes controlados de laboratorio para estudiar las interacciones animal-líquido. Sin embargo, es razonable preguntarse si se puede extrapolar el comportamiento natural (es decir, lo que ocurre en el campo) a partir de mediciones de laboratorio. Por lo tanto, in situ las mediciones de flujo cuantitativos son necesarios para describir con precisión la natación de los animales en su ambiente natural.

Se diseñó un auto-contenido, el dispositivo portátil que funciona independientemente de cualquier conexión con la superficie, y pueden proporcionar mediciones cuantitativas de la surrou campo de flujonding un animal. Este aparato, un aparato autónomo de velocimetría bajo el agua (SCUVA), puede ser operado por un buzo solo en profundidades de hasta 40 m. Debido a la complejidad inherente a las condiciones del campo, las consideraciones adicionales y la preparación son necesarios cuando se compara con las mediciones de laboratorio. Estos aspectos incluyen, pero no se limitan a, el movimiento del operador, la predicción de la posición de los objetivos de la natación, a disposición de partículas naturales en suspensión, y la orientación de SCUVA en relación con el flujo de intereses. El siguiente protocolo está diseñado para hacer frente a estos desafíos comunes sobre el terreno y para maximizar el éxito de la medida.

Protocol

1. Para iniciar este procedimiento, nos aseguramos de que todos los componentes de SCUVA tendrá energía suficiente, la cinta de grabación (para la alta definición o una cámara de vídeo de alta definición), y funcionar correctamente. En función de los flujos a medir, seleccionar la resolución de la cámara de vídeo y velocidad de fotogramas que producen los mejores resultados para la velocimetría digital de imágenes de partículas (DPIV) ^1,2.
2. Prepare las viviendas láser y cámara para su uso por la limpieza de las ranuras de la junta tórica y las juntas tóricas con una toalla limpia o limpie. Fabricante de propagación siempre o-anillo de la grasa de manera uniforme en las juntas tóricas y vuelva a colocar en las ranuras de la vivienda. Además, limpiar las aberturas de la vivienda con láser y la cámara para evitar la deformación láser hoja y marcas en la lente de carcasa de la cámara.
3. Revise los empaques de anillo o-mediante la colocación de dos viviendas vacías en una bañera llena de agua. Objetos ponderada tendrá que ser colocado en la parte superior de las viviendas para sumergirlos ya que las viviendas flotan cuando están vacíos. Después de 5 a 10 minutos, retire las cubiertas de la tina y t seque con una toallaque fuera. Compruebe si hay alguna humedad en el interior de la carcasa. También considerar el uso de tiras desechables, la humedad del papel durante la prueba de presión para indicar si hay humedad en las viviendas después de la prueba.
4. Después de las cajas de pasar la prueba de presión, colocar los componentes en el interior del SCUVA viviendas.
5. Adjuntar descarga de alta intensidad (HID) las vainas ligeras, a la carcasa de la cámara. Asegúrese de que las luces están orientados de tal manera que iluminen la zona justo delante de la cámara y el operador, y no interfieren con el mantenimiento de agarre en las asas y el funcionamiento de los controles de la cámara.
6. En un entorno con poca luz, asegúrese de que el rayo láser está alineada con respecto a la lente óptica instalada en la carcasa del láser. Cuando está bien alineado, la combinación de láser / objetivo se creará una lámina vertical de la luz que está orientado perpendicular a la carcasa de la cámara. Por razones de seguridad, use una hoja sensibles a la temperatura de trabajo para determinar la orientación láser hoja. Uso de archivos adjuntos SCUVA y el brazo rígido, prorrogable, conecte la carcasa del láser y la carcasa de la cámara a la otra. Asegúrese de que las viviendas están conectados firmemente y que las viviendas no se puede girar con respecto a la otra. Es muy importante que la hoja de láser sigue siendo orientado perpendicular al campo de la cámara de vista a través de la medición.
7. Debido a las capacidades actuales de SCUVA, inmersiones medida sólo puede llevarse a cabo en lugares de poca luz o por la noche para evitar la interferencia de la luz natural con la hoja de láser. Por lo tanto, se recomienda esperar hasta la noche o más tarde, antes de entrar al agua.
8. A su vez en la carcasa de la cámara antes de entrar al agua. La carcasa de la cámara tiene un sensor integrado de humedad electrónico que proporciona avisos visuales (luces LED) en el caso de la humedad en la carcasa de la cámara. El sensor sólo funciona cuando la carcasa de la cámara está encendida.
9. Sumergir en agua SCUVA y conecte el aparato a ti mismo utilizandouna línea. Una vez conectado el aparato, en comunicado de SCUVA para determinar la flotabilidad del dispositivo. Dependiendo de las características de flotabilidad, coloque espuma de flotabilidad o llevar pesos a uno o viviendas, tanto para garantizar una flotabilidad neutra y evitar la rotación del aparato en el agua.
10. A continuación, encender el láser y mantener los aparatos fijos. La posición del láser con el brazo extensible suficientemente lejos del buzo para reducir al mínimo la medición de los diver-inducida por los flujos. Cualquier medida de buzo inducida fluye cerca de la meta de introducir un error y no se utilizan para su posterior análisis. Ajustar el zoom de la cámara hasta que el campo de los marcos de vista el objetivo y el líquido circundante.
11. Mientras se mantiene el aparato parado, el enfoque de la cámara de video en la hoja de láser hasta que las partículas aparecen nítidas y en foco. Una vez que el avión de hoja de láser es enfocado, conecte la cámara al modo de enfoque manual. Esto evitará que la cámara de volver a centrarse en los objetos que aparecen en el campo de lavista durante la medición, resultando en partículas borrosa en la hoja de láser.
12. Para calibrar SCUVA, coloque un objeto de dimensiones conocidas en la hoja de láser dentro del campo de la cámara de vídeo de vista. Registro durante varios segundos. Después de la inmersión, la imagen se puede extraer de esta secuencia de vídeo para determinar una constante de calibración que convierte el campo visual de las unidades de píxeles cm. Si en algún momento el operador ajusta el campo visual se vuelva a la posición del brazo extensible o cambiar el zoom de la cámara durante la inmersión, los pasos 12 y 13 tendrá que ser repetido.
13. Comenzar la inmersión al descender a la profundidad de trabajo. Al encontrar un objetivo, las propiedades de mayor caudal ambiental debe ser determinada. Si está presente, la dirección de la corriente dictará aparatos y posicionamiento en relación con el buzo blanco durante las mediciones. La dirección del flujo de masa que rodea el objetivo se puede inferir al observar burbujas exhalado por el buceador y observando su movimiento lateral. EnAdemás de burbujas, una pequeña cantidad de colorante fluorescente (es decir, la fluoresceína) puede ser liberado para determinar la dirección de la corriente. Desde diversidad generó un flujo puede ser una fuente de errores de medición DPIV, el saltador no debe estar ubicado aguas arriba de la meta. Además, la hoja de láser debe ser colocado en paralelo a la dirección de la corriente con el fin de maximizar el tiempo de residencia de las partículas dentro de la hoja de láser, lo que minimiza los errores DPIV. Sin embargo, si hay flujo de corriente o la mayor parte está presente, buceo y posicionamiento de SCUVA en relación con el objetivo no tienen restricciones.
14. Posición de SCUVA para iluminar y registrar el movimiento del fluido que rodea un objetivo. Si intenta registrar el flujo alrededor de un objetivo en movimiento primero predecir la ubicación de la meta, y luego SCUVA posición a la ubicación prevista, mientras que permanecer inmóvil. Como el objetivo se mueve a través del campo de la cámara de vista, comenzar a grabar. Si el objetivo no se mueve, marco el objetivo y el líquido que rodea la cámara de vídeo y# X2019; s de campo de vista y empezar a grabar sin dejar de ser inmóvil. El operador debe abstenerse de movimientos de rotación y fuera de plano durante la grabación de vídeo, ya que estos movimientos en consecuencia resultados erróneos DPIV. Por lo tanto, las medidas recogidas en rotación y fuera del plano de movimientos buzo no serán utilizados para análisis de datos.
15. Una vez que la colección de vídeo se ha completado, apague todos los componentes de SCUVA y restaurar el brazo láser para su posición retraída. Quitar SCUVA del agua y desconectar la cámara y el láser de viviendas en el brazo. Enjuague o sumerja el aparato en agua dulce antes de su secado para evitar la oxidación de los aparatos. Una vez que las viviendas se han secado, eliminar los componentes de las viviendas, y la recarga de baterías y reemplazar si es necesario para una nueva inmersión.
16. Conecte la cámara de vídeo a un ordenador y el extracto de vídeo desde la cinta de alta definición mediante el uso de un vídeo de alta definición paquete de software (por ejemplo, Adobe Premiere Pro o iMovie). Después de que el vídeo se extrae, determinar el rango dede vídeo a convertir en una serie de imágenes para el análisis DPIV. Asegúrese de que las relaciones de aspecto de píxeles y tamaños de imágenes extraídas coinciden con la configuración de vídeo HD.
17. Estas imágenes se importan a un programa de procesamiento de DPIV (es decir, Davis o MatPIV). Después de la selección adecuada de la constante de calibración y los parámetros de captura de imágenes, que se le pide desde el paquete de software DPIV, campos de velocidad pueden ser generados a partir de imágenes de partículas consecutivos. Adicionales de procesamiento de los pasos posteriores, en función de la calidad y el tipo de medidas, también se pueden aplicar ^3.

Los resultados representativos:

Cuando el protocolo se hace correctamente, las imágenes de partículas que rodea el objetivo es clara y fácil de distinguir. Utilizando los campos de las partículas capturadas in situ por la cámara de vídeo SCUVA (Figura 1A) y un paquete de procesamiento de DPIV software, los campos de velocidades de flujo que rodea el objetivo (fig. 1B) se dará a conocer. Vectores en el Velocidad de campo indican la magnitud y la dirección de la velocidad de flujo local. Si el vídeo se recogen suficientes para proporcionar una serie temporal de imágenes, una serie temporal de los campos de la velocidad también se puede determinar.

Figura 1 Medido en los campos de partículas in situ (A) en torno a Aurelia labiata. Campo de velocidades correspondiente (B) con los vectores de color amarillo que indica la dirección del flujo y la magnitud.

Figura 2 En los campos de partículas in situ alrededor Mastigias sp. Y Solmissus sp. (A y B, respectivamente). Una flecha roja indica en una región de alta reflectividad, lo que se traduce en la saturación de la imagen, por lo que es difícil distinguir entre las partículas y el objetivo. Flecha roja en la B indica una región de rayas que se produce cuando el caudal esno muestreadas a una frecuencia lo suficientemente alta.

Discussion

Una limitación potencial en el campo es la necesidad de que las partículas en el flujo, que son necesarios para implementar la velocimetría digital de imágenes de partículas (DPIV). En las aguas costeras, las partículas en suspensión presenta los tamaños del orden de 10 micras de diámetro y las concentraciones entre 0,002 y 10 por mm ^{3. 4} estudios adicionales utilizando un holocamera sumergibles para la detección de partículas confirmar la presencia suficiente de la siembra de partículas para realizar DPIV en el agua del océano. Durante ⁵ mar y el buceo océano costero, hemos encontrado que las densidades de las partículas y las medidas no son un obstáculo para llevar a cabo in situ DPIV.

Aparte de las densidades de las partículas y tamaños, otro aspecto de gran relevancia para las mediciones DPIV es la homogeneidad de las concentraciones de partículas.

Cualitativamente, si una región dentro de una ventana de interrogación tiene una mayor concentración de partículas que el otro, la magnitud de la velocidad generada por la DAnálisis de PIV se corregirá hacia la región con mayor concentración de partículas. Por lo tanto, las mediciones de SCUVA debe llevarse a cabo donde la variabilidad concentración de partículas se reduce al mínimo. Se encontraron concentraciones thatcle son relativamente constantes durante las concentraciones de partículas son relativamente constantes durante las inmersiones en el que se suspende el buzo en medio de la columna de agua. Sin embargo, los campos de partículas en ambientes bentónicos tienen el potencial de la falta de homogeneidad debido a la resuspensión de partículas por el medio ambiente o buzo inducida fluye cerca del fondo del mar. Se debe tener cuidado para minimizar la interrupción de las partículas durante las mediciones en ambientes bentónicos. Para conocimiento de los autores, un análisis formal de los errores generados por los campos de concentración de partículas no homogénea, no ha llevado a cabo ya sea en condiciones de laboratorio o de campo, y debe ser objeto de consideración en una publicación aparte.

Diversas cuestiones deben ser considerados en la preparación yla realización de experimentos in situ utilizando el protocolo. Durante la grabación, el operador tiene instrucciones de permanecer inmóvil y se abstengan de todo fuera del avión y el movimiento de rotación. Esta petición es simple en teoría pero difícil en la práctica, y estas medidas requieren de la habilidad de buceo avanzado que se ha completado correctamente. Fuera del plano y movimientos de rotación de los resultados del operador en datos erróneos DPIV. Sin embargo, en el plano movimientos pueden ser corregidos mediante el uso de la casa de software. ⁶ Se recomienda al operador para practicar el control de la flotabilidad de varias inmersiones antes de usar SCUVA para maximizar la eficiencia de medición.

Además de las consideraciones de flotación, el operador debe estar al tanto de la dirección del flujo de destino. Flujos que viajan fuera de plano relativo a la hoja de láser no dará resultados fiables DPIV, y el operador debe orientar SCUVA para captar esos flujos más eficazmente. Además, la posición del buceador en relación con el blanco debe ser selected para reducir al mínimo el flujo inducido por buzo en las mediciones. Diver-inducidas por el flujo introduce un error en el flujo de destino, y las mediciones que incluyen los efectos buzo no debe utilizarse para su posterior análisis.

En el caso de que el destino tiene una superficie altamente reflectante, la región de líquido que rodea el objetivo será fuertemente iluminado, lo que hace difícil distinguir entre cerca de las partículas individuales de fluido que la rodea (la región indicada por la flecha roja, Figura 2A). Los filtros polarizadores o se pueden agregar a las cajas de láser o de la cámara para reducir la intensidad de la luz láser capturados por el sensor de la cámara de vídeo. Si esto no es posible debido a limitaciones logísticas y de acceso limitado a los equipos de post-procesamiento de imágenes utilizando el software de la casa puede proporcionar la corrección suficiente restando de las imágenes de las intensidades de los píxeles elevadas cerca de la meta. Otra consideración que afecta a la calidad de los datos es si DPIV rayas de partículas están presentes. Si la partículacampos tienen las regiones de rayas (indicado por la flecha roja, Figura 2B), la cámara de vídeo graba a una velocidad demasiado baja como para resolver estas altas velocidades. Al aumentar la velocidad de cuadros, rayas de partículas se pueden reducir. Sin embargo, esto se traduce en una reducción de la luz que llega al sensor de la cámara de vídeo y hace que el campo de partículas tenue mirada. Si la cámara de video tiene la capacidad de configurar manualmente los valores de apertura, aumentar el ajuste de la abertura para evitar oscurecimiento del campo de partículas. Determinar la configuración óptima del dispositivo puede requerir varias inmersiones con SCUVA antes de la recolección de datos con éxito.