开源的水下

仪器设计艾滋病西北教授对地下世界的探索

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潜水员使用灯光照亮Hoyo Negro,这是墨西哥尤卡坦半岛的水下洞穴。照片由AP照片/ Roberto Chavez ARCE通过科学

墨西哥里约热内卢的洞穴系统在地下的难以采用的黑暗中,锁定了远离所有自然光线。内部的生物适应了这种环境。盲人曾经有过眼睛,但演变为失去它们。头盔灯最多可亮起为导游的指南。但是有另一个区域,偏离了人迹罕至的地方,被更短暂的光线触动。在一个腔室中,可以看到多个小的绿色LED灯,不时闪烁。每个光连接到滴注计数传感器。传感器放置在钟围物下方。每次一滴水都击中传感器的滚筒时,都会记录DRIP时间的数据,并且LED灯作为数据记录器传感的指示灯闪烁,并且正在监测关键地下水供应的补充。

这些数据记录器由地质学家和洞穴潜水员创建Patricia betdows.是西北大学地球和行星科学教学副教授。www.18luck.inf传感器测量洞穴的“充电” - 水中的方式进入地下隧道,随后,地面水含水层。这些传感器是BEDDOWS对尤卡坦半岛洞穴系统中水平衡的一部分,以及测量水深的水平。

床榻在其他几十个不太可能的地方都有数据记录器。在潜水商店和当地房屋的屋顶上有数据记录器,可以测量降雨量、湿度和气压。传感器测量流经红树林沼泽的水流,那里的淤泥达到齐腰高,在干涸的裂缝显示水长期缺乏的死亡区域,传感器记录其他参数。流量和温度测量仪安装在水下洞穴的墙壁上和沿海的出海口。Beddows估计她在世界上至少有160个数据记录器。更令人印象深刻的是什么?Beddows部署的所有数据记录器都是从她家里的一个工作室创建的,这就是为什么她能够部署这么多的数据记录器的原因。消除了与购买商业传感器相关的高昂成本,她能够创建各种专门为特定应用设计的定制传感器。这些商用传感器的价格从1万美元到4万美元不等。寝具传感器的材料成本从20美元到200美元不等。 The data loggers she has created for The Cave Pearl Project are all开源。今年,Beddows和Edward Mallon在《传感器》杂志上发表了一篇论文,题为《洞穴珍珠记录器:一个基于arduino的灵活日志平台,用于恶劣环境中的长期监测》。到目前为止,该报纸的浏览量已超过1.4万次,下载量超过6000次。如果有人想创建自己的数据记录器,可以在网上发布一些简单的循序渐进的说明,供他们参考。这正是Beddows的学生在课堂上所做的,创建他们自己的数据记录器。

尤卡坦

让我们回来谈谈尤卡坦半岛,墨西哥地区,其中大部分研究都是她的研究。尤卡坦半岛是碳酸盐平台。通过称为硅藻的微生物产生碳酸盐,漂浮在浅海水中。这些硅藻从它们周围的水中拉出碳酸盐,最终沉入底部,堆积在一个泥泞的沉积物中,使自己陷入岩石。当全球海平面下跌约1000万年前时,尤卡坦半岛的土地出现在海洋中。海洋的盐水是在土地下面。在下雨,水也开始通过岩石向下移动。最终岩石内部有一层分层水,淡水位于较重的咸水之上。

珍珠的设备

Edward Mallon从Jaguar Cenote检索后的水位传感器的条件

当两个水混合时,咸味的混合物切成碳酸盐以雕刻洞穴。存在的洞穴越多,水越多,流动和混合,膨胀空隙。随着时间的推移,半岛被摧毁,这些洞穴系统现在包含该地区唯一的淡水。那里没有地面水,如河流或湖泊。淡水通过洞穴系统流动,向海洋流出。植被也在水循环中起着重要作用,因为一些水被树木占据并蒸发到大气中。

“我们仍在努力努力与那里有多少水的基本问题,”Beddows说。“我们发现的一件事是我们缺少了大约需要在系统中的水中的30%。”它属于系统的地方是一个谜。

Beddows说,很多出版物推断,尤卡坦半岛面积的大部分降雨正在遭受蒸发,将其归还给大气层。

贝多斯把这个想法追溯到1976年的一篇论文,当时一位地质学家提出了一个过高的估计,他把这个数字减了下来。从那以后,科学家们一直在重复这篇论文中创建的模型。Beddows的目标是用她收集的数据创建一个更精确的模型。

“我正在沿途看着每一步流动。我想知道水桌上发生了什么。我想知道水桌子变得有多高,它有多低,为什么它正在推进,“Beddows说。“我跟踪水流过洞穴。我看着混合,然后是沿海排放的所有方式。所以我从自下而上建造了,什么可以称为关键区域观测台。我正在通过系统从大气层到沿海地排放和之间的所有步骤来看待这些助焊剂的所有不同组成部分。“

现成的

Betdows使用商业传感器开始研究她的研究,其中许多非常昂贵。在她的博士学研究期间,当她需要测量洞穴中的流量时,她必须使用开发用于海洋的传感器。它们是大而沉重的,难以安装,因为它们必须使用铅重量锚定到洞穴的天花板或地板上,各种各样的水下。当水开始在传感器设置相反的方向时,她使用的第一个流量计也无法获得数据。她部署流量计的一些遗址在丛林中出现,需要很多努力运输。

即使仪器能够通过流量逆转收集数据,她仍然存在问题。安装在一个名为坑的位置的一个是一个多天的探险,史蒂夫·索维尔(Steve Bogarts)安装传感器的潜水员必须潜入到目前为止,他需要在安全地返回表面之前的水下压缩。当Bogarts在一个月后重复潜水以检索仪器时,该团队发现传感器没有记录任何数据点。电池在传感器运输的某些时候已断开连接,但没有办法讲述。“史蒂夫真的冒着生命冒险,我们没有得到任何数据,”Beddows说。

商业工具的另一个问题是它们容易发生洪水。贝多斯说:“使用它们在经济上是危险的,因为它们的设计方式无法承受我需要的不断开放和关闭,洪水导致了很多费用。”

建筑传感器

然后Betdows开始使用定制PCB或电路板电子设备构建滴水传感器,因此她可以在21个不同的网站上创建更广泛的网络监控洞穴滴水。她能够获得良好的数据,但仍然与她建造的传感器的失败率较高。“电池耗尽。腐蚀是一个恒定的问题。旁边是不可能让他们正确密封。事实证明,该仪器对洞穴中的洞穴和其他啮齿动物咀嚼电缆的洞穴非常感兴趣,“Beddows说。

随着她的研究进展,她继续购买商业仪器并以高成本的成本经历失败,限制了她可以购买的数量,从而限制了她可以做的数据抽样量。Beddows将采样与传感器的采样进行比较,以血液样本的医生。血液样本取出的一天和位置可能导致其质量和内容的变化。以同样的方式,您在洞穴系统中从地下水采取样品的位置和时间也很重要。如果您只采取一个样本,您将会错过大量数据。“即使我没有在每个数据点的质量中获得多数小数位,我实际上就可以通过在整个系统中拥有更多传感器来开始询问更大和更好的科学问题,并获得更好的答案,”Beddows说。

Beddows和马龙

Beddows和Mallon设置了一个“阿尔法”原型

虽然Betdows开始了一些自己的乐器,在丈夫Edward Mallon的帮助下,她仍然很大程度上使用商业仪器。但她正在使用和教学学生如何使用Arduinos,一种微控制器来构建乐器。她拥有的一个探索,这是10,000美元的薪水,而另外两个人正在使用它。“这对几分钟来说非常痛苦,损失了10,000美元的仪器,”Beddows说。她向她的丈夫解释了这么挫败感。“并且在那一点上曾参与了我和学生在一起的一些arduino工作。他就像'我相信我们可以做得更好!'所以在第一天结束时,他嘲笑最终成为洞穴珍珠的第一个原型,“Beddows说。从那时起,洞穴珍珠项目出生。它是由塑料杯制成的,它的电池通过乐高。它只跑了六个小时。

“他和我彻底相信,如果它不适合这两组合的话,那就不会存在这种情况,”Beddows说马龙。他们都继续投资该项目,使其开放。Mallon受到约书亚皮尔斯等人的启发,他认为3D印刷的开源硬件在科学中的规范。

洞珍珠

洞穴珍珠被命名为洞穴中的方解石形成。当从上面的水滴涂有方解石的沙子涂覆时,制造洞穴珍珠。方解石中的颗粒在水体中移动,随着时间的推移,增加更多的方解石层,最终导致豌豆尺寸的白色或棕色洞穴珍珠,可在巢中休息。

一路上,洞穴珍珠项目一直完全透明,博客帖子散步有兴趣如何构建和创建自己的洞穴珍珠数据记录器。新利国际体育娱乐洞穴珍珠的硬件被选中,并考虑到DIY Ethos。许多零件都受到在洞穴潜水和其他洞穴潜水设备期间处理的材料。设计师还考虑了这些想法如何转化为在家庭仓库购买的内容。

我们大约有15个人已经对这个网页进行了分类浏览,并且正在进行建设。”一个名叫布莱恩·戴维斯(Brian Davis)的人在Facebook上发布了他的“洞穴珍珠”(Cave Pearls)的照片,照片上他的客厅后面是壁炉。在挪威有一个人正在使用洞穴珍珠测量河口的光照水平。奇怪的是,甚至有人试图向相关方出售洞穴珍珠的版本。

其中一个最大的挑战涉及选择用于数据记录器的材料。Beddows和Mallon必须在他们找到最适合水下部署的人之前经过多种类型的环氧树脂。它们还具有用于将数据记录器锚定到不同的表面和由于生物污染而导致的故障的问题。即使他们的目前的设置,从水中取出的单位也有大量的生物生长,在它们可以重新部署之前需要用酸清洁。

另一个问题是校准不同单位,具有温度串等传感器。校准最终在燃烧的水和冷冻水浴中完成。大量的传感器在抵达时死了,需要抛出。测试所有传感器和组件是一个大的时间沉降。“我们购买商业设备时我们从很多这一点免疫接种,”Beddows说。如果它不起作用,则会测试每个组件并抛弃。“但是用类似构建数据记录器的东西,你是这个过程,”Betdows说。在任何建筑物发生之前都花了大量时间测试每个组件。虽然单位比商业数据传感器便宜得多,但需要花费大量时间来创造它们。

但数据传感器允许容易且廉价的检测和校正发生故障部件,而不是不必更换整个昂贵的单元。用户能够测试以查找坏组件并以低成本替换它。

为未来创造

每个单元在现场进行多轮实验和测试,以微调其设置。4月,测试了两种不同的alpha单位。一个是垂直流量计,用于在尤卡坦半岛北部的浅水区沿海排放量使用,没有商业仪器的采样情况。目的是从排放孔获得总流量。这些组件真正DIY,由一个大型黄色化学漏斗组成,该漏斗连接到叶轮,该叶轮看起来像风扇,以及属于它下方的大型篷布,由岩石和砖块锚定。具有读出数据的LCD屏幕的组件通过电线连接。

不幸的是,来自微孔的流动,垒球的圆周,太强而无法被篷布含量。除此之外,小岩石陷入叶轮,瘫痪运动。三个潜水潜水员试图将原型固定到位,这是不够的。

“我面前有三个煤渣块垫着防水布,我爬了起来,”贝多斯说。“当我这么做的时候,上升的水的压力把防水布卷了起来,我放在防水布上的树块滚到了我的脸上。我向后游着,这三个煤渣水泥块正朝我的脸游过来,我一看,娜塔莉发现了样品的问题。”

Beddows和Mallon很快想出了改进它的办法。一种是在放电孔的每个壁之间楔入一根金属杆,然后将数据记录器安装在该杆上。他们还在研究不同的厨房物品,比如扩茶器和炒锅升降机,用来防止岩石进入叶轮。他们说通常需要三个原型才能得到一个他们想要的效果。

它们设置的其他数据记录器是能够测量来自大列而不是单个钟乳分离器中的塌方中的多个滴度的音量。设定了PVC管道的框架,用砖块握住砖块,砖块与拉链连接。该框架持有帆布购物袋,该购物袋作为水的漏斗,在那里将通过叶轮引导到下面的滴水传感器上。其中两个数据记录器是设置并留下的。

Beddows与学生

Beddows帮助学生在课堂上制作数据记录器

基于问题的解决方案

在她的一门课上,Beddows正在教下一代科学家创建他们自己的数据记录器。他们通过一种方法工作,她使用的是基于问题的学习,他们提出他们想要回答的问题,他们想要收集什么样的数据,然后设计他们的数据记录器来完成这项工作。“当你真正经历基于问题的学习时,这是有点痛苦的。而不是给你所有的组件和严格的指令,你必须问它在做什么?为什么会这样?这是我所期望的吗?”Beddows说。

她的学生有各种各样的项目。人们想要测量蜂箱中的温度和湿度。另一名学生想要创建一个可以检测到水下洞穴中的光的传感器。一名学生正在研究一个传感器,该传感器会发现冰川运动,让研究人员知道冰川何时形成或融化。

Madeleine Lucas不知道课程是什么时候课程。“我意识到它正在编码,就像建筑电子产品一样,我以前从未这样做过,因为我只是一个二年级学生。所以它有点令人震惊,但是一旦我开始进入它,我意识到这是我绝对可以做的事情,这是我想继续做的事情,“她说。

一名学生是一个剧院专业,第二次乘坐课程。她想创建一个传感器,以查看内部树温度,土壤温度和外部温度,以补充类,枫糖浆的民族生物学。她说,使用电子产品帮助她在剧院中的灯光接线。

Beddows说,她为班级的目标是赋予学生更多的分析思考。“即使本课程中的人再次建立乐器,即使他们再也没有触及任何主要电子元件,部分目标是他们将被赋予更好的数据用户。”

“我真的很高兴看到这在哪里以及与教学的研究需求和研究投资之间的相互相互作用,然后开发人们的材料,以便在短时间内学习如何建设这些。包括没有先前电子或编码经验的人,“Beddows说。

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