Medir quantitativamente In situ Fluxos usando um Aparelho Autônomo de Velocimetria Underwater (SCUVA)

Summary

Este protocolo fornece instruções sobre como usar um equipamento autônomo de velocimetria subaquática (SCUVA), que é projetado para a quantificação in situ de animais gerados fluxos. Além disso, este protocolo aborda os desafios colocados pelas condições de campo, e inclui o movimento do operador, prevendo posição de animais, e orientação de SCUVA.

Abstract

A capacidade de medir diretamente a campos de velocidade em um ambiente fluido é necessário fornecer dados empíricos para estudos em áreas tão diversas como a oceanografia, ecologia, biologia e mecânica dos fluidos. Medições de campo introduzir desafios práticos tais como condições ambientais, a disponibilidade de animais, ea necessidade de técnicas de campo compatível com a medição. Para evitar esses desafios, os cientistas normalmente usam ambientes controlados de laboratório para o estudo animal-fluido interações. No entanto, é razoável questionar se é possível extrapolar o comportamento natural (isto é, o que ocorre no campo) a partir de medições em laboratório. Portanto, in situ medições de fluxo quantitativa são necessários para descrever com precisão natação animal em seu ambiente natural.

Nós projetamos uma auto-contido dispositivo portátil, que funciona independente de qualquer ligação com a superfície, e pode fornecer medições quantitativas dos surrou campo de fluxonding um animal. Este aparelho, um equipamento autônomo de velocimetria subaquática (SCUVA), pode ser operado por um mergulhador única em profundidades de até 40 m. Devido à complexidade inerente de condições de campo, considerações adicionais e preparação são necessárias quando comparado com medidas laboratoriais. Estas considerações incluem, mas não estão limitados a, o movimento do operador, a previsão das posições dos alvos de natação, de partículas naturais disponíveis suspenso, e orientação de SCUVA em relação ao fluxo de interesse. O protocolo a seguir destina-se para enfrentar esses desafios campo em comum e para maximizar o sucesso de medição.

Protocol

1. Para iniciar este procedimento, podemos garantir que todos os componentes SCUVA têm bateria suficiente, a fita de gravação (para a alta definição ou câmera de vídeo HD), e funcionar adequadamente. Dependendo do fluxo a ser medido, selecione a resolução de vídeo da câmera e taxas de quadros que produzem melhores resultados para a velocimetria de partículas digitais de imagem (DPIV) ^1,2.
2. Prepare as caixas de laser e câmera para uso com a limpeza dos sulcos o-ring e o-rings com uma toalha limpa ou limpe. Fabricante espalhou desde o-ring graxa uniformemente sobre a o-rings e substituí-los nos sulcos habitação. Além disso, limpe as aberturas de habitação a laser e câmera para evitar a deformação do laser de chapas e marcas na lente da câmera de habitação.
3. Verifique as vedações o-ring, colocando ambas as caixas vazias em uma banheira cheia de água. Objetos ponderado terá de ser colocada em cima das caixas para submergir-los desde as caixas flutuam quando vazio. Após 5 a 10 minutos, retire as caixas da banheira e t toalha secaele fora. Verificar se há alguma humidade no interior dos alojamentos. Também considerar o uso de descartáveis, tiras de papel de umidade durante o teste de pressão para indicar a existência de humidade nas caixas após o teste.
4. Após as caixas passar no teste de pressão, colocar componentes dentro do SCUVA caixas.
5. Attach de alta intensidade de descarga (HID) pods luz para o caixa da câmera. Garantir que as luzes são orientados de tal forma que iluminam a área diretamente à frente da câmera e operador, e não interferem com a manutenção da aderência em alças e operação de controles da câmera.
6. Em um ambiente de pouca luz, garantir que o feixe de laser é alinhado em relação à lente óptica instalada na habitação laser. Quando devidamente alinhados, a combinação laser / lente vai criar uma folha vertical da luz que é orientado perpendicular à carcaça da câmera. Por segurança, use uma folha sensível à temperatura de papel para determinar a laser orientação da folha. Usando anexos SCUVA eo braço rígido, prorrogável, conecte a carcaça do laser e da caixa da câmera para o outro. Garantir que as caixas são solidamente presas e que as caixas não pode girar com relação ao outro. É fundamental que a folha de laser permanece orientadas perpendicularmente ao campo da câmera de vista em toda a medição.
7. Devido à capacidade atual de SCUVA, mergulhos medição só pode ser realizado em locais com pouca luz ou à noite para evitar a interferência de luz natural com a folha de laser. Portanto, recomendamos que aguarde até o anoitecer ou mais tarde, antes de entrar na água.
8. Ligue a caixa da câmera antes de entrar na água. A caixa da câmera tem um sensor de umidade eletrônico que fornece avisos visuais (luzes LED) em caso de umidade na caixa da câmera. O sensor funciona somente quando a caixa da câmera está ligada.
9. SCUVA mergulhe na água e coloque o aparelho para si mesmo usandouma linha. Uma vez conectado ao aparelho, solte SCUVA para determinar as características de flutuabilidade do dispositivo. Dependendo das características de flutuabilidade, anexar espuma flutuação ou pesos de chumbo para uma ou ambas carcaças para garantir flutuabilidade neutra e evitar a rotação do aparelho em água.
10. Em seguida, ligue o laser e manter o aparelho fixo. Posição o laser usando o braço extensível suficientemente longe do mergulhador para minimizar a medição de fluxos de diver-induzida. Quaisquer medições de mergulhador induzida fluxos perto do alvo introduzir um erro e não são utilizados para análise posterior. Ajustar o zoom da câmera até que o campo de quadros ver o alvo e fluido circundante.
11. , Mantendo o aparelho parado, o foco da câmera de vídeo na folha de laser até que as partículas aparecem nítidas e em foco. Assim que o avião folha de laser está em foco, mudar a câmera para o modo de foco manual. Isso vai evitar que a câmera reorientando-a para todos os objetos que aparecem no campo devista durante a medição, resultando em partículas turva na folha de laser.
12. Para calibrar SCUVA, coloque um objeto com dimensões conhecidas na folha de laser dentro de campo a câmera de vídeo de vista. Gravar durante vários segundos. Após o mergulho, uma imagem será extraído a partir desta seqüência de vídeo para determinar uma constante de calibração que converte o campo de ver tamanho das unidades de pixels para cm. Se a qualquer momento o operador ajusta o campo de tamanho opinião, ser re-posição do braço extensível ou alterar o zoom da câmera durante o mergulho, as etapas 12 e 13 terão de ser repetidos.
13. Começar o mergulho descendo até a profundidade de trabalho. Ao encontrar um alvo, as propriedades de fluxo em massa ambientais precisam ser determinados. Se presente, a actual direcção vai ditar aparelhos e posicionamento mergulhador em relação ao alvo durante as medições. A direção do fluxo em massa ao redor do alvo pode ser inferido pela observação bolhas exalado do mergulhador e observando o seu movimento lateral. EmAlém de bolhas, uma pequena quantidade de corante fluorescente (ie, fluoresceína) pode ser liberado para determinar a direção atual. Desde mergulhador gerado fluxo pode ser uma fonte de DPIV erro de medição, o mergulhador não deve ser localizada a montante do alvo. Além disso, a folha do laser deve ser posicionado paralelamente à direção da corrente de forma a maximizar o tempo de residência dentro das partículas da folha de laser, minimizando erros DPIV. No entanto, se não houver fluxo de corrente ou a granel está presente, mergulhador e SCUVA posicionamento em relação ao alvo são irrestritas.
14. Posição SCUVA para iluminar e registrar o movimento fluido em torno de um alvo. Se tentar gravar o fluxo em torno de um alvo móvel primeira prever a localização do alvo, e então SCUVA posição para o local previsto, permanecendo imóvel. Como o alvo se move através do campo da câmera de vista, iniciar a gravação. Se o destino for imóvel, enquadrar o alvo e fluido que envolve na câmera de vídeo e# X2019; s campo de visão e começar a gravar, permanecendo imóvel. O operador deve abster-se de movimentos de rotação e fora do plano, durante a gravação de vídeo uma vez que estes resultam movimentos em resultados errôneos DPIV. Portanto, medidas coletadas durante a rotação e out-of-avião movimentos mergulhador não será usado para análise de dados adicionais.
15. Uma vez coleção de vídeos está completa, desligue todos os componentes do SCUVA e restaurar o braço laser para sua posição retraída. Remover SCUVA da água e retire a câmera e caixas de laser do braço. Lave ou mergulhe o aparelho em água doce antes da secagem para prevenir a ferrugem do aparelho. Uma vez que as caixas são secas, retire os componentes da caixas, e recarregar as baterias e substituir se for necessário para outro mergulho.
16. Conectar a câmera de vídeo a um computador e extrair vídeo da fita HD usando um pacote de software de vídeo HD (ou seja, Adobe Premiere Pro ou o iMovie). Depois que o vídeo é extraído, determinar o intervalo devídeo a ser convertido em uma série de imagens para análise DPIV. Garantir que as proporções de pixel e tamanhos de imagem extraída coincidir com as configurações de vídeo HD.
17. Estas imagens são importadas para um programa de processamento DPIV (ie, Davis ou MatPIV). Após a seleção adequada da constante de calibração e parâmetros de captura de imagem, que é solicitado a partir do pacote de software DPIV, campos de velocidade podem ser gerados a partir de imagens de partículas consecutivos. Adicional de pós-processamento passos, dependendo da qualidade e tipos de medições, também pode ser aplicado. ³

Resultados representativos:

Quando o protocolo é feito corretamente, as imagens de partículas em torno do alvo serão nítidas e fáceis de distinguir. Utilizando os campos de partículas capturadas in situ pela câmera de vídeo SCUVA (Figura 1A) e um pacote de software de processamento de DPIV, campos de velocidade do fluxo em torno do alvo (Figura 1B) será revelado. Vetores na velocidaty campo indicam magnitude e direção da velocidade do fluxo local. Se o vídeo é coletada suficientes para fornecer uma série temporal de imagens, uma série temporal de campos de velocidade também pode ser determinado.

Figura 1 Medido em campos de partículas in situ (A) em torno de Aurelia labiata. Campo de velocidade correspondente (B) com vetores amarelo indicando a direção de fluxo e magnitude.

Figura 2 Em campos de partículas em torno situ Mastigias sp. Solmissus e sp. (A e B, respectivamente). A seta vermelha indica em uma região de alta refletividade, que resulta em saturação da imagem, tornando-se difícil distinguir entre as partículas eo alvo. Seta vermelha em B indica uma região de estrias que resulta quando a vazão énão amostrados a uma freqüência alta o suficiente.

Discussion

Uma restrição de potenciais no campo é a necessidade de partículas no fluxo, que são necessárias para implementar velocimetria de imagens digitais de partículas (DPIV). Em águas costeiras, partículas em suspensão apresenta tamanhos da ordem de 10 m de diâmetro e concentrações entre 0,002 e 10 por mm ^{3. 4} estudos adicionais usando um holocamera submersível para a detecção de partículas confirmar presença suficiente de semear partículas para realizar DPIV na água do oceano. ⁵ Durante mar aberto e mergulho oceano costeiro, descobrimos que densidades de partículas e tamanhos não são uma restrição para a realização in situ DPIV.

Além de densidades de partículas e tamanhos, outra preocupação relevante para medições DPIV é a homogeneidade das concentrações de partículas.

Qualitativamente, se uma região dentro de uma janela de interrogatório tem maiores concentrações de partículas do que outra, a magnitude da velocidade gerada pelo DAnálise PIV será feito em direção a região com maiores concentrações de partículas. Portanto, as medidas SCUVA deve ser conduzido onde a variabilidade de concentração de partículas é minimizado. Encontramos concentrações thatcle são relativamente constante durante as concentrações de partículas são relativamente constantes durante os mergulhos, onde o mergulhador está suspenso no meio da coluna de água. No entanto, os campos de partículas em ambientes bentônicos têm o potencial de heterogeneidade devido à ressuspensão de partículas pela legislação ambiental ou mergulhador induzida fluxos próximo ao fundo do mar. Cuidados devem ser tomados para minimizar a interrupção das partículas durante as medições em ambientes bentônicos. Ao conhecimento dos autores, uma análise formal de erros gerados por campos de concentração não homogênea de partículas não foi realizado em condições tanto de laboratório ou de campo, e deve ser um assunto para uma análise mais aprofundada em uma publicação separada.

Várias questões diferentes devem ser considerados na preparação erealização de experimentos in situ utilizando o protocolo. Durante a gravação, o operador é instruído a permanecer estacionária e abster-se de todos os out-of-plano eo movimento de rotação. Este pedido é simples na teoria, mas difícil na prática, e estas medidas requerem habilidades de mergulho avançado para ser concluída com êxito. Fora do plano e os movimentos de rotação do resultado operador em dados errados DPIV. No entanto, no plano movimentos podem ser corrigidas usando in-house software. ⁶ Recomenda-se o operador para a prática de controle de flutuabilidade para vários mergulhos antes de utilizar o SCUVA para maximizar a eficiência de medição.

Além de considerações de flutuabilidade, o operador deve estar ciente da direção do fluxo alvo. Fluxos que viajam fora do plano-em relação à folha de laser não irá produzir resultados confiáveis ​​DPIV, eo operador deve orientar SCUVA para captar esses fluxos de forma mais eficaz. Além disso, a posição do mergulhador em relação ao alvo deve ser selected modo a minimizar mergulhador induzida por fluxo nas medições. Diver-induzida do fluxo apresenta erro para o fluxo de destino e medidas que incluem efeitos de mergulhador não deve ser usado para análise posterior.

No caso em que o alvo tem uma superfície altamente reflexiva, a região fluido que envolve o alvo será fortemente iluminado, tornando-se difícil distinguir nas proximidades partículas individuais do fluido circundante (região indicada pela seta vermelha, Figura 2A). Filtros ou polarizadores podem ser adicionados para as caixas de laser ou câmara para reduzir a intensidade da luz do laser capturada pelo sensor da câmera de vídeo. Se isso não for possível devido a limitações logísticas e de acesso limitado a equipamentos, pós-processamento de imagens usando in-house software pode proporcionar a correção suficiente subtraindo-se a partir das imagens da intensidade dos pixels elevado perto do alvo. Outra consideração que afeta a qualidade de dados é DPIV se estrias de partículas estão presentes. Se partículascampos têm regiões de estrias (indicado por seta vermelha, Figura 2B), a câmera de vídeo é a gravação em um frame rate muito baixo para resolver estas altas velocidades. Ao aumentar a taxa de quadros, estrias partícula pode ser reduzida. No entanto, isso resulta em uma redução de luz que chega ao sensor da câmera de vídeo e faz com que a partícula dimmer olhar campo. Se a câmera de vídeo tem a capacidade de definir manualmente as configurações de abertura, aumentar o ajuste de abertura para evitar escurecimento do campo de partículas. Determinar as configurações do dispositivo ideal pode exigir múltiplos mergulhos com SCUVA antes da coleta de dados bem sucedida.