Kvantitativt Måling In situ Flows hjelp av en selvstendig Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

Summary

Denne protokollen inneholder instruksjoner om hvordan du bruker en selvstendig undervanns velocimetry apparater (SCUVA), som er designet for kvantifisering av in situ dyre-genererte strømmer. I tillegg tar denne protokollen utfordringene feltforhold, og inkluderer operatør bevegelse, forutser plassering av dyr, og orientering av SCUVA.

Abstract

Muligheten til å direkte måle hastighet felt i en væske miljø er nødvendig for å gi empiriske data for studier i felt så forskjellige som oseanografi, økologi, biologi og fluidmekanikk. Feltmålinger innføre praktiske utfordringer som miljøforhold, dyr tilgjengelighet, og behovet for felt-kompatible måleteknikker. For å unngå disse utfordringene, forskere bruker vanligvis kontrollerte laboratorium miljøer å studere dyre-væske interaksjoner. Det er imidlertid rimelig å stille spørsmål om man kan ekstrapolere naturlig atferd (dvs. det som skjer i feltet) fra laboratoriemålinger. Derfor er in situ kvantitative flow målinger for å nøyaktig beskrive dyret svømme i sitt naturlige miljø.

Vi har konstruert en selvstendig, bærbar enhet som opererer uavhengig av enhver forbindelse til overflaten, og kan gi kvantitative målinger av flyten feltet surrounding et dyr. Dette apparatet, en selvstendig undervanns velocimetry apparater (SCUVA), kan betjenes av en enkelt dykker i dybder opp til 40 m. På grunn av den ekstra kompleksiteten iboende av feltforhold, ekstra hensyn og forberedelser er nødvendig i forhold til laboratoriemålinger. Disse betraktningene inkluderer, men er ikke begrenset til, operatør bevegelse, forutser posisjon svømming mål, tilgjengelig naturlig suspendert partikler, og retningen på SCUVA i forhold til strømmen av interesse. Følgende protokollen er ment å løse disse felles felt utfordringene og for å maksimere måling suksess.

Protocol

1. For å begynne denne prosedyren, sikrer vi at alle SCUVA komponenter har tilstrekkelig strøm, innspilling tape (for HD-eller HD-videokamera), og fungere ordentlig. Avhengig av strømmer skal måles, velg videokamera oppløsning og bildefrekvens som gir best resultater for digital partikkel image velocimetry (DPIV). ^1,2
2. Klargjør laser og kamerahus til bruk ved rengjøring av o-ringen grooves og o-ringer med et rent håndkle eller tørk. Spre produsenten leveres o-ring fett jevnt fordelt på de o-ringene og sett dem i huset sporene. I tillegg rense laser og kamera boliger åpninger for å hindre laser ark deformasjon og merker på kameraet bolig objektivet.
3. Sjekk o-ring tetninger ved å plassere både tomme husene i en balje full av vann. Vektet objekter vil trenge å bli plassert på toppen av husene for å senke dem siden husene flyter når den er tom. Etter 5 til 10 minutter, fjern husene fra badekaret og håndkle tørr than utenfor. Sjekk om det er fuktighet inne i husene. Også vurdere å bruke engangs, papir fuktighet strips under trykktest å indikere om det er fuktighet i husene etter testen.
4. Etter at husene passerer trykktest, sted SCUVA komponenter inne i husene.
5. Fest med høy intensitet utslipp (HID) lys pods til kameraet bolig. Sørg for at lysene er orientert på en slik måte at de belyse området rett foran kameraet og operatør, og ikke forstyrre med å opprettholde grep på håndtak og drift av kamera kontroller.
6. I et lite lys miljø, sikre at laserstrålen er riktig justert i forhold til den optiske linsen installert i laser bolig. Når den er riktig justert, vil laser / objektiv kombinasjonen opprette en loddrett ark av lys som er orientert vinkelrett på kamerahuset. For sikkerhet, bruk en temperatur-sensitiv papirark å bestemme laser ark orientering. Ved hjelp av SCUVA vedlegg og den stive, uttrekkbar arm, kobler laser bolig og kameraet bolig til hverandre. Sørg for at husene er godt festet og at husene ikke kan rotere med hensyn til hverandre. Det er viktig at laser arket forblir orientert vinkelrett på kameraets synsfelt hele målingen.
7. På grunn av den nåværende evner av SCUVA, kan målingen dykk kun gjennomføres i dårlig lys steder eller på natta for å hindre naturlig lys interferens med laser arket. Derfor anbefaler vi å vente til skumring eller senere før vi går i vannet.
8. Slå på kameraet huset før vi går i vannet. Kameraet boliger har en innebygd elektronisk fukt sensor som gir visuell advarslene (blinkende LED-lys) i tilfelle av fukt i kamerahuset. Sensoren fungerer bare når kamerahuset er på.
9. Fordyp SCUVA i vann og fest apparatet til deg selv å brukeen linje. Når festet til apparatet, slipper SCUVA å bestemme oppdrift egenskapene til enheten. Avhengig av oppdrift egenskaper, fest oppdrift skum eller føre vekter til ett eller begge husene for å sikre nøytral oppdrift og hindrer rotasjon av apparatet i vann.
10. Deretter slå på laseren og holde apparatet i ro. Plasser laser med uttrekkbar arm tilstrekkelig langt fra dykkeren å minimere måling av dykker-indusert strømmer. Eventuelle målinger av dykker-indusert strømmer nær målet introdusere feil og er ikke brukt for senere analyse. Justere kameraets zoom inntil synsfeltet rammer målet og omkringliggende væske.
11. Mens du holder apparatet i ro, fokus videokameraet på laseren arket til partiklene blir skarpe og i fokus. Når laseren arket flyet er i fokus, bytter kameraet til manuell fokus-modus. Dette vil forhindre at kameraet omstilling på alle objekter som vises i feltetvisning under måling, som resulterer i uklare partikler i laser arket.
12. For å kalibrere SCUVA, plassere et objekt med kjent dimensjoner i laser arket innenfor video kameraets synsfelt. Record i flere sekunder. Etter dykket, vil et bilde bli hentet fra denne videoen rekkefølge for å finne en kalibrering konstant som konverterer synsfeltet størrelse fra enheter av piksler til cm. Dersom det på noe tidspunkt operatøren justerer synsfeltet størrelse bli re-posisjonere uttrekkbar arm eller endre kameraet zoom under dykket, vil trinn 12 og 13 må gjentas.
13. Begynn dykket ved synkende til arbeidsmiljøet dybde. Ved å finne et mål, de miljømessige bulk flow egenskaper må bestemmes. Hvis stede, vil den nåværende retningen diktere apparater og dykker posisjonering i forhold til målet i løpet av målingene. Retning av bulk flow omgir målet kan utledes ved å observere bobler utåndet fra dykkeren og merke deres lateral bevegelse. Itillegg til bobler, kan en liten mengde fluorescerende fargestoff (dvs. fluorescein) frigjøres for å fastslå den nåværende retningen. Siden dykker-genererte flow kan være en kilde til DPIV målefeil, skal dykkeren ikke være plassert oppstrøms av målet. I tillegg bør laser arket plasseres parallelt med retningen av nåværende slik som å maksimere partikkel botid i laser arket, og dermed minimere DPIV feil. Men hvis ingen strøm eller bulk flow er til stede, dykker og SCUVA posisjonering i forhold til målet er ubegrenset.
14. Posisjon SCUVA å belyse og registrere jevne bevegelser rundt et mål. Hvis du forsøker å registrere flyte rundt et bevegelig mål første forutsi plasseringen av målet, og deretter posisjon SCUVA til den anslåtte plasseringen mens resterende urørlig. Som målet beveger seg gjennom kameraets synsfelt, starte innspillingen. Hvis målet er urørlig, ramme målet og omkringliggende væske i video kamera og# X2019; er synsfelt og starte opptaket mens resterende urørlig. Operatøren bør avstå fra rotasjonshastighet og out-of-plane bevegelser under videoopptak siden disse bevegelsene resultere i feilaktige DPIV resultater. Derfor målinger som samles inn under rotasjon og out-of-plane dykker bevegelser ikke skal brukes for videre dataanalyse.
15. Når video samling er komplett, slå av alle komponenter av SCUVA og gjenopprette laser armen til sin tilbaketrukket posisjon. Fjern SCUVA fra vannet og ta av kamera og laser hus fra armen. Skyll eller suge apparatet i ferskvann før tørking for å forhindre rusting av apparatet. Når husene er tørket, fjerne komponenter fra husene, og lade opp batteriene og bytt batterier hvis nødvendig for en annen dykker.
16. Koble videokameraet til en datamaskin og trekke ut video fra HD tape ved å bruke en HD video programvarepakke (dvs, Adobe Premiere Pro eller iMovie). Når videoen er pakket ut, bestemme omfanget avvideo som skal konverteres til en serie med bilder for DPIV analyse. Sørg for at pixel aspektet prosenter og hentet bildestørrelser samsvare med HD-video-innstillingene.
17. Disse bildene er importert til en DPIV prosessering program (dvs. Davis eller MatPIV). Etter riktig valg av kalibrering konstant og Image Capture parametere, som er bedt om fra DPIV programvarepakke, kan velocity felt bli generert fra påfølgende partikkel bilder. Ekstra etterbehandling trinn, avhengig av kvaliteten og typer av målinger, kan også brukes. ³

Representant Resultater:

Når protokollen er gjort riktig, vil partikkelen bildene som omgir målet være skarp og lett å skille. Bruke partikkel feltene fanget in situ av SCUVA video kamera (figur 1A) og en DPIV prosessering programvarepakke, hastighet felt av flyt rundt målet (figur 1B) vil bli avslørt. Vektorer i velocity feltet indikerer styrke og retning av den lokale strømningshastighet. Dersom tilstrekkelig videoen er samlet for å gi en tidsserie av bilder, kan en tidsserie av hastighet felt også bestemmes.

Figur 1 Målt i situ partikkel felt (A) som omgir Aurelia labiata. Tilsvarende hastighet felt (B) med gule vektorer som indikerer flyten retning og størrelse.

Figur 2 In situ partikkel felt rundt Mastigias sp. Og Solmissus sp. (A og B, henholdsvis). Rød pil i A indikerer en region med høy reflektivitet, noe som resulterer i metning av bildet, noe som gjør det vanskelig å skille mellom partikler og målet. Rød pil i B indikerer en region av streaking at resultatene når strømningshastigheten erikke prøvetatt på en høy nok frekvens.

Discussion

En eventuell begrensning i feltet er behovet for partikler i flyten, som er nødvendige for å implementere digital partikkel image velocimetry (DPIV). I kystnære vann, utstillinger suspenderte partikler størrelser på størrelsesorden 10 mikrometer i diameter og konsentrasjoner mellom 0,002 og 10 per mm ^{3. 4} Ytterligere studier bruker en nedsenkbar holocamera for partikkel deteksjon bekrefte tilstrekkelig tilstedeværelse av seeding partikler til å utføre DPIV i havvann. ⁵ Under åpent hav og kyst hav dykking, har vi funnet at partikler tettheter og størrelser er ikke en begrensning for å drive in situ DPIV.

Bortsett fra partikkel tettheter og størrelser, er en annen bekymring relevant å DPIV målinger homogenitet av partikkel konsentrasjoner.

Kvalitativt, hvis en region i et avhør vindu har større partikkelkonsentrasjoner enn en annen, hastigheten størrelsesorden generert av DPIV analysen vil være partisk mot regionen med høyere partikkel konsentrasjoner. Derfor må SCUVA målingene utføres der partikkelkonsentrasjonen variasjon er minimert. Vi fant thatcle konsentrasjonene er relativt konstant under partikkel konsentrasjonene er relativt konstant under dykk hvor dykkeren er suspendert i midten av vannsøylen. Men partikkel felt i bentiske miljøer har potensial for inhomogeneity grunn Oppvirvling av partikler av miljømessige eller diver-induserte strømmer nær havbunnen. Care må tas for å minimere avbrudd av partikler under målinger i bentiske miljøer. Til forfatternes kunnskap, har en formell analyse av feil generert av inhomogene partikkelkonsentrasjon felt ikke vært utført i enten laboratorium eller felt forhold, og bør være et tema for videre behandling i en egen publikasjon.

Flere forskjellige problemstillinger bør vurderes ved utarbeidelse ogdrive in situ eksperimenter med protokollen. Mens opptaket er operatør pålagt å forbli stasjonære og avstå fra all out-of-fly og roterende bevegelse. Denne forespørselen er enkelt i teorien, men vanskelig i praksis, og disse målingene krever avansert dykking ferdigheter til å være fullført. Out-of flyet og roterende bevegelser av operatøren resultere i feil DPIV data. Kan imidlertid in-plane bevegelser korrigeres ved hjelp av in-house software. ^6. Det er anbefalt å operatøren å øve oppdriftskontroll for flere dykk før du bruker SCUVA å maksimere måling effektivitet.

Dessuten oppdrift hensyn, bør operatøren være klar over målet strømningsretningen. Strømmer som reiser ut-av-planet i forhold til laser arket vil ikke gi pålitelige DPIV resultater, og operatøren bør orientere SCUVA å fange disse strømmene mest effektivt. I tillegg må plasseringen av dykkeren i forhold til målet skal markered slik minimere dykker-indusert strøm i målingene. Diver-indusert flow introduserer feil til målet flyt, og målinger som inkluderer dykker effekter bør ikke brukes for videre analyse.

I tilfelle at målet har en svært reflekterende overflate, vil væsken regionen rundt målet være sterkt opplyst, noe som gjør det vanskelig å skille nærliggende individuelle partikler fra omkringliggende væske (region indikeres med rød pil, 2A figur). Filtre eller polarizers kan legges til laser eller kamerahus for å redusere intensiteten av laserlys fanget av videokameraet sensor. Hvis dette ikke er mulig på grunn av logistiske begrensninger og begrenset tilgang til utstyr, etterprosessering av bildene ved hjelp av in-house software kan gi tilstrekkelig korreksjon ved å trekke fra bildene den forhøyede pixel intensiteter nær målet. Et annet hensyn som påvirker kvaliteten på DPIV data er om partikkel striper er til stede. Hvis partikkelfelt har regioner av streaking (indikeres med rød pil, figur 2B), er videokameraet opptak med en bildefrekvens for lav til å løse disse høye hastigheter. Ved å øke frame rate, kan partikkel streaking bli redusert. Men dette resulterer i en reduksjon av lys når videokameraet sensor og gjør partikkel feltet ser dimmer. Hvis videokameraet har muligheten til å manuelt stille blenderåpning innstillinger, øke blenderåpningen for å hindre dimming av partikkel-feltet. Bestemme optimale innstillingene for enheten kan kreve flere dykk med SCUVA før vellykket datainnsamling.