Kvantitativt mäta In situ Flöden med hjälp av en fristående Underwater Velocimetry apparater (SCUVA)

Summary

Detta protokoll innehåller anvisningar om hur du använder en fristående undervattens Velocimetry apparater (SCUVA), som är avsedd för kvantifiering av in situ djur genererade flöden. Dessutom behandlar detta protokoll utmaningar som fältförhållanden, och inkluderar operatörens rörelser, förutsäga situationen för djur, och orientering i SCUVA.

Abstract

Möjligheten att direkt mäta hastigheten fält i en vätska miljö är nödvändigt att fastställa empiriska data för studier i så skilda områden som oceanografi, ekologi, biologi, och strömningslära. Fältmätningar införa praktiska utmaningar som miljöförhållanden, djur tillgänglighet och behovet av fält-kompatibla mätteknik. För att undvika dessa utmaningar, forskare använder oftast kontrollerad laboratoriemiljö för att studera djur-vätska interaktioner. Däremot är det rimligt att fråga om man kan extrapolera naturliga beteende (dvs den som sker på området) från laboratoriemätningar. Därför är in situ kvantitativa flödesmätningar behövs för att korrekt beskriva djur som simmar i sin naturliga miljö.

Vi konstruerade en fristående, bärbar enhet som fungerar oberoende av anslutning till ytan, och kan ge kvantitativa mätningar av flödet fältet surrouENDE ett djur. Denna apparat, en fristående undervattens Velocimetry apparater (SCUVA), kan skötas av en enda dykare i djup upp till 40 m. På grund av den extra inneboende svårigheterna i fältförhållanden, ytterligare överväganden och förberedelser krävs jämfört med laboratoriemätningar. Dessa överväganden inkluderar, men är inte begränsade till, operatör rörelse, förutspår ställning simning mål, som finns naturligt svävande partiklar, och orientering i SCUVA i förhållande till flödet av intresse. Följande protokollet är avsett att möta dessa gemensamma fältet utmaningar och för att maximera mätning framgång.

Protocol

1. Till att börja detta förfarande säkerställer vi att alla SCUVA komponenter har tillräckligt med batteri, inspelning tejp (för HD-eller HD-videokamera) och fungera. Beroende på de flöden som skall mätas, välja upplösning videokamera och bildhastighet som ger bästa resultat för digital partikel bild Velocimetry (DPIV). ^1,2
2. Förbered laser och kamerahus för användning av rengöring av o-ringen spår och o-ringar med en ren handduk eller torka. Sprid tillverkare som o-ringen fett jämnt på O-ringar och ersätta dem i huset spåren. Dessutom rengör lasern och kameran bostäder öppningar för att förhindra deformation laser blad och märken på kamerahus objektiv.
3. Kontrollera O-ringar genom att placera både tomma höljen i ett badkar fullt med vatten. Vägt objekt kommer att behöva placeras på toppen av höljen att dränka dem sedan husen flyta när den är tom. Efter 5 till 10 minuter, ta bort hus från badkaret och handduk torkar than utanför. Kontrollera om det finns någon fukt inne i husen. Också överväga att använda disponibel, pappersremsor fukt under tryckprovning för att indikera om det finns fukt i husen efter provet.
4. Efter husen klara provtryckning, placera SCUVA komponenter inuti husen.
5. Fäst högintensiva urladdningslampor (HID) lätt skida till kameran bostäder. Se till att lamporna är orienterade på ett sådant sätt att de belysa området direkt framför kameran och operatören, och inte störa behålla greppet om handtagen och drift av kamerans kontroller.
6. I ett svagt ljus miljö, se till att laserstrålen är korrekt justeras i förhållande till den optiska linsen monteras i lasern bostäder. När korrekt inställd, kommer lasern / linsen kombination skapa en lodrät ark med ljus som är orienterade vinkelrätt mot kameran bostäder. För säkerhets skull använda ett temperaturkänsligt papper att bestämma laser plåt läggning. Använda SCUVA bilagor och stela, utdragbara arm, anslut laser bostäder och kameran bostäder till varandra. Se till att husen är ordentligt fastsatta och att husen inte kan rotera i förhållande till varandra. Det är viktigt att lasern bladet är orienterat vinkelrätt mot kamerans synfält under hela mätningen.
7. På grund av den nuvarande kapaciteten hos SCUVA, kan mätningen dyk endast utföras i svagt ljus platser eller på natten för att förhindra naturligt ljus interferens med laser ark. Därför rekommenderar vi att vänta tills skymningen eller senare innan vattnet.
8. Slå på kameran huset innan vattnet. Kameran bostäder har en inbyggd elektronisk fukt-sensor som ger visuell varning (blinkande lysdioder) i händelse av fukt i kameran bostäder. Sensorn fungerar bara när kameran huset är på.
9. Sänk SCUVA i vatten och fäst den apparat själv med hjälp aven linje. När ansluten till apparaten, släpp SCUVA att bestämma flytkraftsegenskaperna av enheten. Beroende på flytkraftsegenskaperna, bifoga flytkraft skum eller blyvikter till en eller båda höljen för att säkerställa neutral flytkraft och förhindra rotation av apparaten i vatten.
10. Nästa, slå på lasern och håller apparaten stilla. Placera lasern med utdragbara arm tillräckligt långt från dykaren att minimera mätning av dykare-inducerad flöden. Alla mätningar av dykare-inducerade strömmar nära målet införa felet och används inte för senare analys. Justera kamerans zoom tills synfältet ramar målet och omgivande vätska.
11. Samtidigt hålla apparaten stilla, fokusera videokameran på lasern arket tills partiklarna skarpa och i fokus. När lasern blad planet är i fokus, växlar kameran till manuell fokusering läge. Detta förhindrar att kameran fokusera på alla objekt som visas i områdetuppfattning under mätningen, vilket resulterar i suddiga partiklar i lasern arket.
12. För att kalibrera SCUVA, placera ett objekt med kända mått i lasern arket i videon kamerans synfält. Spela in några sekunder. Efter dyket kommer en bild hämtas från denna videosekvens för att avgöra en kalibrering konstant som omvandlar synfältet storlek från enheter av pixlar till cm. Om vid någon tidpunkt operatören justerar synfältet storlek på nytt placera utdragbara arm eller ändra kamerans zoom under dyket kommer åtgärder 12 och 13 behöver upprepas.
13. Börja dyket med fallande till arbetsdjup. Efter att hitta ett mål, de miljömässiga bulkflöde boenden måste fastställas. Om det finns, kommer den nuvarande inriktningen diktera apparater och dykare positionering i förhållande till målet under mätningarna. Riktningen av bulkflöde kring målet kan utläsas genom att observera bubblor utandningsluften från dykaren och noterar deras rörelse i sidled. IFörutom att bubblor kan en liten mängd fluorescerande färg (dvs. fluorescein) släpps för att bestämma strömmens riktning. Sedan dykare genererade flödet kan vara en källa till DPIV mätfel, bör dykaren inte placeras uppströms målet. Dessutom bör lasern arket placeras parallellt med strömriktningen för att maximera tiden partikel bosättning inom laser ark, vilket minimerar DPIV fel. Men om några rådande eller bulkflöde är närvarande, dykare och SCUVA positionering i förhållande till målet är fria.
14. Position SCUVA för att belysa och registrera jämna rörelser kring ett mål. Om du försöker spela in flödet kring ett rörligt mål first förutse platsen för målet, och sedan ställning SCUVA för att den förutspådda platsen samtidigt som den är orörlig. Eftersom målet rör sig genom kamerans synfält, börja spela in. Om målet är orörlig, ram målet och omgivande vätska i videokameran och# X2019, s synfält och börja spela in samtidigt som den är orörlig. Operatören bör avstå från roterande och out-of-planet motioner under videoinspelning eftersom dessa rörelser resultera i felaktiga DPIV resultat. Därför mätningar som samlas in under roterande och out-of-planet kommer dykare motioner som inte använts för vidare analys av data.
15. När videon samlingen är komplett, stänga av alla komponenter i SCUVA och återställa laser armen till sitt infällda läge. Ta SCUVA från vattnet och ta bort kameran och höljen laser från armen. Skölj eller blötlägg apparaten i sötvatten före torkning för att förhindra rost på apparaten. När lagerhus är torkade, ta bort komponenter från höljen, och ladda och byt batterier om det behövs för en annan dyk.
16. Anslut videokameran till en dator och extrahera video från HD-bandet med hjälp av ett HD-paket videoprogram (dvs. Adobe Premiere Pro eller iMovie). När videon utvinns, bestämma området förvideo ska omvandlas till en serie bilder för DPIV analys. Se till att pixel bildformat och extraheras storlekar bilden matcha HD-video inställningar.
17. Dessa bilder importeras till en DPIV ordbehandlingsprogram (dvs Davis eller MatPIV). Efter korrekt val av kalibrering konstant och bildparametrar fånga, som ombeds från DPIV programpaket kan hastigheten fält genereras från varandra partikel bilder. Ytterligare post-processing steg, beroende på kvalitet och typer av mätningar, kan också tillämpas. ³

Representativa resultat:

När protokollet är gjort på rätt sätt, kommer partikeln bilder kring målet vara skarp och lätt att urskilja. Använda partikeln fälten fångas in situ av SCUVA: s videokamera (Figur 1A) och en DPIV bearbetning programpaket, fält flödeshastigheten kring målet (Figur 1B) kommer att avslöjas. Vektorer i VelociTy fält indikerar storleken och riktningen på den lokala flödeshastigheten. Om tillräckliga video samlas för att ge en tidsserie av bilder, kan en tidsserie av hastighet fält också fastställas.

Figur 1 Mätt på plats partikel fält (A) kring Aurelia labiata. Motsvarande hastighet fält (B) med gula vektorer som visar flödesriktningen och omfattning.

Figur 2 In situ partikel fälten kring Mastigias sp. Och Solmissus sp. (A respektive B). Röda pilen i A indikerar en region med hög reflektionsförmåga, vilket leder till mättnad i bilden, vilket gör det svårt att skilja mellan partiklar och målet. Röd pil i B visar en region i strimmor som uppstår när flödet ärinte ingick i urvalet på en tillräckligt hög frekvens.

Discussion

En eventuell begränsning i fältet är behovet av partiklar i flödet, som är nödvändiga för att genomföra digitala Velocimetry partikel bild (DPIV). I kustnära vatten, utställningar svävande partiklar storlekar på order av 10 mikrometer i diameter och koncentrationer mellan 0,002 och 10 per mm ^{3. 4} Ytterligare studier med hjälp av en dränkbar holocamera för partikel upptäckt bekräftar tillräcklig närvaro av sådd partiklar att utföra DPIV i havsvattnet. ⁵ Under öppet hav och kustnära hav dykning, har vi funnit att partikel densiteter och storlekar är inte ett hinder för att genomföra in situ DPIV.

Bortsett från partikel densiteter och storlekar, är en annan fråga relevant för DPIV mätningar homogenitet partikelhalterna.

Kvalitativt om en region inom ett förhör fönster har högre partikelhalter än en annan, hastigheten storleksordning som genereras av DPIV analys kommer att vara partisk gentemot regionen med högre partikelhalter. Därför måste SCUVA mätningar ske där partikelkoncentrationen variation minimeras. Vi fann thatcle koncentrationer är relativt konstant under partikelhalterna är relativt konstant under dyk där dykaren är upphängd i mitten av vattnet. Men partikel fält i bentiska miljöer har potential för homogen på grund av resuspension av partiklar av miljömässiga eller dykare-inducerade strömmar nära havet golvet. Försiktighet måste vidtas för att minimera störningar av partiklar under mätningar i bentiska miljöer. Till författarnas kännedom, har en formell analys av fel som genereras av inhomogena fält partikelkoncentration inte utförts i någon laboratorium eller fältförhållanden, och bör vara ett ämne för vidare behandling i en separat publikation.

Flera olika frågor bör beaktas vid beredning ochgenomföra in situ experiment använder protokollet. Under inspelningen, är operatören i uppdrag att stå stilla och avstå från all out-of-planet och roterande rörelse. Denna begäran är enkel i teorin men svårt i praktiken, och dessa mätningar kräver avancerad dykning skicklighet för att bli klar. Out-of plan och roterande rörelser operatören ge felaktiga DPIV data. Däremot kan i-planet motioner korrigeras genom att använda in-house mjukvara. Det rekommenderas att operatören att träna avvägning kontroll för flera dyk innan du använder SCUVA för att maximera mätning effektivitet ^6.

Förutom flytkraft överväganden bör operatören vara medveten om målet flödesriktningen. Flöden som reser utanför planet i förhållande till lasern bladet kommer inte att ge tillförlitliga DPIV resultat, och verksamhetsutövaren bör orientera SCUVA för att fånga dessa flöden mest effektivt. Dessutom måste positionen för dykare i förhållande till målet vara selected för att minimera diver-inducerad flöde i mätningarna. Diver-inducerad flöde introducerar fel till målet flöde, och mätningar som inkluderar dykaren effekter bör inte användas för vidare analys.

I händelse av att målet har en mycket reflekterande yta, kommer vätskan region som omger målet vara starkt upplyst, vilket gör det svårt att särskilja närliggande enskilda partiklar från omgivande vätskan (region indikeras med röd pil, figur 2A). Filter eller polarisationsfilter kan läggas till lasern eller kamerahus för att minska intensiteten av laserljus fångas av videokamera sensor. Om detta inte är möjligt på grund av logistiska begränsningar och begränsad tillgång till utrustning, efterbehandling av bilder med egen programvara kan ge tillräcklig korrigering genom att subtrahera från bilderna de förhöjda pixel intensitet nära målet. En annan faktor som påverkar kvaliteten på DPIV uppgifterna är om partikel strimmor är närvarande. Om partikelfält har regioner i streck (anges med röd pil, figur 2B) är videokameran spelar in med en bildhastighet för låg för att lösa dessa höga hastigheter. Genom att öka bildfrekvensen, kan partikel strimmor reduceras. Men detta resulterar i en minskning av ljus som når sensorn videokamera och gör att partikeln dimmern fältet ser ut. Om videokameran har förmågan att manuellt ställa in bländare inställningar, öka bländare för att förhindra nedtoning av partikeln fältet. Fastställande av optimala inställningarna för enheten kan kräva flera dyk med SCUVA innan framgångsrika datainsamling.