Kvantitativt Måling In-situ Strømme ved hjælp af en Self-Contained Underwater Velocimetri Apparatur (SCUVA)

Summary

Denne protokol giver anvisninger på, hvordan du bruger en selvstændig undervands Velocimetri apparater (SCUVA), som er designet til kvantificering af in situ-dyr-genereret strømme. Hertil kommer, adresser denne protokol udfordringer, som markforhold, og omfatter operatør bevægelse, forudsige placeringen af ​​dyr, og orientering af SCUVA.

Abstract

Evnen til direkte at måle hastighed felter i en væske miljø er nødvendigt at give empiriske data for studier i så forskellige områder som oceanografi, økologi, biologi og fluid mekanik. Feltmålinger indføre praktiske udfordringer såsom miljøforhold, dyr tilgængelighed, og behovet for felt-kompatible måleteknikker. For at undgå disse udfordringer, forskerne typisk anvende kontrollerede laboratorie miljøer for at studere dyr væske interaktioner. Men er det rimeligt at sætte spørgsmålstegn ved, om man kan ekstrapolere naturlig adfærd (dvs. det, der forekommer i området) fra laboratoriemålinger. Derfor er in situ kvantitative flow-målinger er nødvendige for præcist at beskrive dyr der svømmer i deres naturlige miljø.

Vi designede en selvstændig, bærbar enhed, der fungerer uafhængigt af enhver forbindelse til overfladen, og kan give kvantitative målinger af flowet feltet surrounde et dyr. Dette apparat, en selvstændig undervands Velocimetri apparater (SCUVA), kan betjenes af en enkelt scuba dykker i dybder på op til 40 m. På grund af den ekstra kompleksitet, der ligger i feltforhold, yderligere overvejelser og forberedelse er påkrævet, når sammenlignet med laboratorie målinger. Disse overvejelser omfatter, men er ikke begrænset til, operatør bevægelse, forudsige stilling svømning mål, der findes naturligt suspenderede partikler, og orientering af SCUVA i forhold til strømmen af ​​interesse. Følgende protokol er beregnet til at løse disse fælles felt udfordringer og for at maksimere måling succes.

Protocol

1. Til at begynde denne procedure, sikrer vi, at alle SCUVA komponenter har tilstrækkelig batteristrøm, optagelse tape (for high-definition eller HD-video kamera), og fungerer korrekt. Afhængigt af de strømme, der skal måles, video kamera opløsning og frame rates, som giver de bedste resultater for digital partikel billedet Velocimetri (DPIV) vælger. ^1,2
2. Forbered laser og kamera huse til brug for rengøring af O-ringen grooves og O-ringe med et rent håndklæde eller tørres. Spred producent forudsat o-ring fedt jævnt på o-ringe og erstatte dem i huset rillerne. Hertil kommer, rense laser og kamerahuset åbninger for at forhindre laser ark deformation og mærker på kamerahuset linse.
3. Kontrollér O-ring-forseglinger ved at placere både tomme huse i et kar fyldt med vand. Vægtet objekter bliver nødt til at blive placeret på toppen af ​​husene at oversvømme dem, da husene flyder når den er tom. Efter 5 til 10 minutter, fjerne husene fra karret og håndklæde tørre than udenfor. Kontroller, om der er fugt inde i husene. Også overveje at bruge engangs-, papir fugt strimler under trykprøvning for at indikere, om der er fugt i husene efter testen.
4. Efter kabinetter bestå trykprøvning, sted SCUVA komponenter inde i husene.
5. Vedhæft høj intensitet udledning (HID) lys bælg til kamerahuset. Sørg for, at lysene er orienteret på en sådan måde, at de belyser området direkte foran kameraet og operatør, og griber ikke ind med opretholdelse af greb på håndtag og betjening af kameraet.
6. I et svagt lys miljø, sikre, at laserstrålen er justeret korrekt i forhold til den optiske linse er installeret i laser boliger. Når korrekt justeret, vil den laser / objektiv kombinationen oprette en lodret plade af lys, der er orienteret vinkelret på kamerahuset. Af sikkerhedshensyn skal du bruge en temperatur-følsomme ark papir til at bestemme laser ark orientering. Ved hjælp af SCUVA vedhæftede filer og den stive, udtrækkelige arm, laseren hus og kamerahuset forbindelse til hinanden. Sørg for, at husene er solidt fastgjort, og at husene ikke kan rotere i forhold til hinanden. Det er vigtigt, at laser-arket er stadig orienteret vinkelret på kameraets synsfelt hele målingen.
7. På grund af den nuværende kapacitet af SCUVA, kan måling dyk kun udføres i svagt lys steder eller om natten for at forhindre naturligt lys interferens med laser ark. Derfor anbefaler vi at vente, indtil skumringen eller senere, inden du går i vandet.
8. Tænd kameraet boligbyggeri før du går i vandet. Kameraet boliger har en indbygget elektronisk fugt sensor, der giver visuelle advarsler (blinkende LED-lys) i tilfælde af fugt i kamerahuset. Sensoren fungerer kun, når kamerahuset er tændt.
9. Fordyb SCUVA i vand og fastgør apparat til dig selv ved hjælpen linje. Når tilsluttet apparatet, release SCUVA til at bestemme opdrift egenskaber af enheden. Afhængigt af opdrift egenskaber, opdrift skum vedhæfte eller blylodder til én eller begge huse for at sikre neutral opdrift og forhindre rotation af apparatet i vand.
10. Derefter tændes laseren og hold apparatet stationære. Placer laseren med udtrækkelige armen tilstrækkeligt langt fra dykkeren at minimere måling af dykker-inducerede strømme. Eventuelle målinger af dykker-induceret flyder nær målet indføre fejlen og ikke anvendes til efterfølgende analyse. Juster kameraets zoom, indtil synsfeltet rammer målet og omgivende væske.
11. Mens du holder apparatet stationære, fokus video kamera på laseren arket indtil partiklerne forekommer skarpe og i fokus. Når laseren arket flyet er i fokus, skifter kameraet til manuel fokusering. Dette vil forhindre, at kameraet skal koncentrere sig om genstande, der vises i forbindelse medse under målingen, hvilket resulterer i sløret partikler i laser ark.
12. For at kalibrere SCUVA, placere et objekt med kendte dimensioner i laser ark inden for video kameraets synsfelt. Optag i flere sekunder. Efter dykket, vil billedet blive udtrukket fra denne videosekvens til at bestemme en kalibrering konstant, der konverterer synsfelt størrelse fra enheder af pixels til cm. Hvis du på noget tidspunkt operatøren justerer synsfelt størrelse på ny position udvides armen eller ændre kameraets zoom under dykket, vil trin 12 og 13 skal gentages.
13. Begynd dykket ved faldende til arbejdsdybde. Ved at finde et mål, skal den miljømæssige bulk flow egenskaber, der skal bestemmes. Hvis til stede, vil den nuværende retning diktere apparater og dykker positionering i forhold til målet under målingerne. Retningen af ​​bulk flow omkring målet kan udledes ved at iagttage bobler udåndes fra dykkeren og bemærke deres lateral bevægelse. IUd over bobler, kan en lille mængde af fluorescerende farvestof (dvs. fluorescein) blive frigivet til at bestemme den aktuelle retning. Siden dykker-genereret flow kan være en kilde til DPIV målefejl, skal dykkeren ikke være placeret opstrøms af målet. Desuden bør laseren arket skal placeres parallelt med strømretning for at maksimere partikel opholdstid inden for laser-ark, hvilket vil minimere DPIV fejl. Men hvis nogen aktuel eller bulk flow er til stede, dykker og SCUVA positionering i forhold til målet, er ubegrænset.
14. Position SCUVA til at belyse og optage væske bevægelse omkring et mål. Hvis du forsøger at registrere flowet omkring et bevægeligt mål first forudsige placeringen af ​​målet, og derefter placere SCUVA til den forudsagte placering, mens de resterende ubevægelig. Da målet bevæger sig gennem kameraets synsfelt, begynder optagelsen. Hvis målet er ubevægelig, ramme målet og de omkringliggende væske i videokamera &# X2019 s synsfelt og begynder optagelse, mens de resterende ubevægelig. Operatøren bør afholde sig fra omdrift og out-of-plane bevægelser under videooptagelse, da disse bevægelser resulterer i fejlagtige DPIV resultater. Derfor er målinger indsamlet i omdrift og out-of-plane dykker bevægelser vil ikke blive brugt til yderligere dataanalyse.
15. Når video-samling er komplet, slukke for alle komponenter i SCUVA og genskabe laser armen til sin tilbagetrukket position. Fjern SCUVA fra vandet og tag kameraet og laser huse fra armen. Skyl eller læg apparater i ferskvand inden tørring for at forhindre rust af apparatet. Når husene er tørret, fjerne komponenter fra husene, og oplad og udskift batterierne hvis der er behov for endnu et dyk.
16. Slut videokameraet til en computer og udtrække video fra HD-bånd ved hjælp af en HD-video softwarepakke (dvs., Adobe Premiere Pro eller iMovie). Når videoen er udvundet, bestemme området medvideo, der skal omdannes til en serie af billeder til DPIV analyse. Sørg for, at pixel aspekt nøgletal og udtrukne billede størrelser matcher HD-video indstillinger.
17. Disse billeder er importeret til en DPIV behandling program (dvs. Davis eller MatPIV). Efter korrekt valg af kalibrering konstant og billedoptagelse parametre, som bliver bedt om fra DPIV softwarepakke, kan hastigheden felter skal genereres ud fra hinanden følgende partikel billeder. Yderligere efterbehandling trin, afhængigt af kvaliteten og typer af målinger, kan også anvendes. ³

Repræsentative resultater:

Når protokollen er udført korrekt, vil partiklen billederne omkring målet være skarpe og nemme at skelne. Brug af partikel felter fanget på stedet SCUVA video kamera (Figur 1A) og et DPIV behandling softwarepakke, hastighed områder af flow omkring målet (Figur 1B) vil blive afsløret. Vektorer i VelociTy felt angiver størrelse og retning af den lokale strømningshastighed. Hvis der er tilstrækkelig video er indsamlet til at give en tidsserie af billeder, kan en tidsserie af hastigheden felter også bestemmes.

Figur 1 Målt på stedet partikel felter (A) omkring Aurelia labiata. Tilsvarende hastighed felt (B) med gule vektorer angiver strømretning og størrelsesorden.

Figur 2 In situ partikel markerne omkring Mastigias sp. Og Solmissus sp. (A og B, henholdsvis). Rød pil i A angiver en region med høj refleksivitet, hvilket resulterer i mætning af billedet, hvilket gør det vanskeligt at skelne mellem partikler og målet. Rød pil i B indikerer en region i striber, som resultater, når strømningshastighedenikke indgik i stikprøven med en høj nok frekvens.

Discussion

En potentiel begrænsning på området er behovet for partikler i det flow, som er nødvendige for at gennemføre digital partikel billede Velocimetri (DPIV). I kystnære vand, udstiller svævestøv størrelser på rækkefølgen af 10 ìm i diameter og koncentrationer mellem 0,002 og 10 per mm ^{3. 4} Yderligere undersøgelser ved hjælp af et undervandsfartøj holocamera for partikelfysik detektion bekræfter tilstrækkelig tilstedeværelse af såning partikler til at udføre DPIV i havvand. ⁵ Under åbent hav og kystnære hav dykning, har vi fundet, at partikel-tætheder og størrelser ikke er en hindring for gennemførelse af in situ DPIV.

Bortset fra partikel tætheder og størrelser, er et andet anliggende relevant for DPIV målinger homogenitet partikel koncentrationer.

Kvalitativt, hvis en region i et forhør vindue har større partikel koncentrationer end en anden, hastigheden størrelsesorden genereres af DPIV analyse vil være forudindtaget over for regionen med højere partikel koncentrationer. Derfor skal SCUVA målingerne foretages, hvor partikel koncentrationen variabilitet er minimeret. Vi fandt thatcle koncentrationer ligger relativt konstant i løbet af partikel koncentrationer er relativt konstant i løbet dyk hvor dykkeren er suspenderet i midten af ​​vandsøjlen. Men partikel felter i benthiske miljøer har potentiale for inhomogenitet på grund af resuspension af partikler fra miljø-eller dykker-induceret flyder tæt ved havet gulvet. Der skal udvises forsigtighed for at minimere forstyrrelser af partikler under målingerne i bentiske miljøer. Til forfatternes viden, har en formel analyse af fejl genereret af inhomogene partikelkoncentration felter ikke er blevet gennemført i enten laboratorium eller markforhold, og bør være et emne for videre behandling i en særskilt publikation.

Flere forskellige spørgsmål bør overvejes i forbindelse med udarbejdelsen oggennemføre in situ eksperimenter brug af protokollen. Mens optagelsen, er operatøren bedt om at forblive stationære og afstå fra alle ud-af-fly og roterende bevægelse. Denne anmodning er enkel i teorien, men vanskeligt i praksis, og disse målinger kræver avanceret dykkerfærdigheder skal være afsluttet med succes. Out-of fly og roterende bevægelser af den erhvervsdrivende resultere i fejlagtige DPIV data. Dog kan in-plane bevægelser korrigeres ved hjælp af in-house software. ⁶ Det anbefales, at operatøren til at praktisere opdrift kontrol for flere dyk før du bruger SCUVA at maksimere målingen effektivitet.

Udover opdrift overvejelser, skal føreren være bekendt af målet flowretningen. Strømme, der rejser ud-af-plane i forhold til laser ark vil ikke give pålidelige DPIV resultater, og driftslederen bør orientere SCUVA at fange disse strømme mest effektivt. Desuden skal placeringen af ​​dykker i forhold til målet skal selected henblik på at minimere dykker-induceret flow i målingerne. Diver-induceret flow introducerer fejl til målet flow, og målinger, der omfatter dykker virkninger bør ikke bruges til yderligere analyse.

I tilfælde af, at målet har en meget reflekterende overflade, vil væsken området omkring målet være stærkt belyste, hvilket gør det vanskeligt at skelne nærliggende enkelte partikler fra de omkringliggende væske (område angivet med rød pil, figur 2A). Filtre eller polarisatorer kan føjes til laseren eller kamera huse for at reducere intensiteten af ​​laserlys fanget af videokamera sensor. Hvis dette ikke er muligt på grund af logistiske begrænsninger og begrænset adgang til udstyr, efterbehandling af billeder ved hjælp af in-house software kan give tilstrækkelig korrektion ved at trække fra de billeder, det forhøjede pixel intensiteter nær målet. Et andet forhold, der påvirker kvaliteten af ​​DPIV data er, om partikel striber er til stede. Hvis partikelfelter har regionerne i striber (angivet med rød pil, figur 2B), er den video kamera optagelse på et frame rate for lav til at løse disse høje hastigheder. Ved at øge frame rate, kan partikel striber reduceres. Men dette resulterer i en reduktion af lys, der når videokamera sensoren og gør partikel feltet ser lysdæmper. Hvis videokameraet har muligheden for manuelt at indstille blænde-indstillinger, øge blændeindstilling at forhindre dæmpning af partiklen feltet. Bestemmelse af optimale enhedens indstillinger kan kræve flere dyk med SCUVA, før succesfuld dataindsamling.