用于传感器鱼和活鱼回收的气球标签制造技术

摘要

提出了设计和制造气球标签以恢复传感器鱼和活鱼的协议，允许评估它们在水工结构中的物理状况和生物性能。该方法通过考虑球囊体积、充气/放气时间、组件选择和注入水的特性等因素来优化球囊标签性能。

摘要

当鱼类通过水电大坝的水力输送系统时，即使这些运输工具的设计对鱼类友好，例如下游旁路系统、改装溢洪道和涡轮机，它们也可能受伤和死亡。用于研究水工结构中鱼类通道条件的主要方法包括使用传感器鱼技术和活鱼进行直接原 位 测试。传感器鱼数据有助于识别物理压力源及其在鱼道环境中的位置，同时评估活鱼的伤害和死亡率。气球标签是附着在传感器鱼和活鱼外部的自充气气球，有助于它们在通过水力结构后恢复。

本文重点介绍具有不同数量的可溶解植物胶囊的球囊标签的开发，这些胶囊含有草酸、碳酸氢钠粉末和两种不同温度下的水的混合物。我们的研究确定，在18.3°C下注入5 mL水的带有三个胶囊的球囊标签始终达到所需的球囊体积。这些标签的平均充气量为 114 cm 3，标准差为 1.2 cm³。在18.3 °C注入水的球囊标签中，观察到双胶囊球囊标签达到完全充气所需的时间最长。此外，四胶囊气球标签表现出更快的充气开始时间，而三胶囊气球标签表现出更快的放气开始时间。总体而言，这种方法被证明可以有效地验证新技术的性能，改进涡轮机设计，并做出操作决策以改善鱼类通道条件。它是研究和现场评估的宝贵工具，有助于改进水工结构的设计和操作。

引言

水力发电是全球重要的可再生能源。在美国，水力发电约占可再生能源发电量的 38%，即 274 TWh¹ ，并有可能每年增加约 460 TWh²。然而，随着水电开发的增加，对水力通行过程中鱼类受伤和死亡的担忧已成为重中^{之重 3}.鱼类在通过过程中受到伤害的机制有多种，包括快速减压（气压伤）、剪切应力、湍流、撞击、气蚀和研磨⁴.虽然这些损伤机制可能不会对鱼类的整体状况产生直接影响，但它们会使它们更容易受到疾病、真菌感染、寄生虫和捕食的影响⁵.此外，与涡轮机或其他水工结构碰撞造成的直接人身伤害可能导致大量死亡，这凸显了在水电开发中减轻这些风险的重要性。

评估鱼类通道条件的最常见方法之一是通过水力结构释放传感器鱼和活鱼 ^6,7。传感器鱼是一种自主设备，旨在研究鱼类在通过水工结构（包括涡轮机、溢洪道和大坝旁路）时所经历的物理条件 ^8,9。Sensor Fish 配备 3D 加速度计、3D 陀螺仪、温度传感器和压力传感器⁹，可提供有关鱼类通道条件的宝贵数据。

气球标签是自动充气气球，附着在传感器鱼和活鱼的外部，有助于它们在通过水力结构后恢复。气球标签由装满产气化学物质（例如草酸和碳酸氢钠）的可溶解胶囊、硅胶塞和钓鱼线组成。在展开之前，通过硅胶塞将水注入球囊中。水溶解了植物胶囊，引发了化学反应，产生气体使气球充气。在该中和反应中，弱碱碳酸氢钠和弱酸草酸反应生成二氧化碳、水和草酸钠¹⁰。化学反应如下：

2氢氧化钠₃+ H2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C₂ O₄

充气的气球增加了传感器鱼和活鱼的浮力，使它们能够漂浮在水面上，以便于恢复。

实现浮选和便于检索样品（例如，传感器鱼或活鱼）所需的球囊标签数量可能因样品的体积和质量特性而异。气球标签充气的持续时间可以通过在不同温度下注水来调整。较冷的水会增加充气时间，而较暖的水会减少充气时间。气球标签已成功应用于多个地点，包括位于俄勒冈州胡德河¹¹ 的独特水平平板鱼和碎片筛网 Farmers Screen，以及老挝人民民主共和国 Nam Ngum 大坝的弗朗西斯涡轮机¹²。另一个市售的气球标签示例是 Hi-Z Turb'N Tag^13,14。Hi-Z Turb'N Tag 允许在 2 分钟到 60 分钟之间调整充气时间，具体取决于注入的水温¹³。该技术已用于许多野外地点的鱼类研究，包括涉及哥伦比亚河洛基河大坝释放的奇努克鲑鱼小鲑鱼和康涅狄格河哈德利瀑布大坝的幼年美国鲥鱼^{的研究 15,16}。这两种技术都利用酸碱化学反应来充气球囊标签以进行回收。

这种方法在制造方面具有成本效益和简单性，估计每个气球的材料成本仅为 0.50 美元。如本文所述，制造过程易于遵循，使任何人都可以生产气球标签。

研究方案

1. 酸/碱封装

1. 在混合杯中以 H 2 C 2 O₄（草酸）和 NaHCO₃（碳酸氢钠）的重量按 1：₂的比例混合（参见材料表）。如果酸碱粉末混合物结晶，则使用研钵和研杵将其研磨（图1A）。
2. 取回 3 号植物胶囊和半自动胶囊灌装机以开始该过程（参见 材料表）。
3. 将盖板平放在干净、干燥的表面上。使用黑色钉子将封装片对齐在盖板顶部，以将其正确固定到位（图1B）。
4. 将胶囊顶部和底部分开，除非使用预先分离的胶囊。#3 号植物胶囊在关闭时，整体尺寸为 15.9 毫米长、5.57 毫米外径 （OD）、0.30 mL 体积和 47 毫克。
5. 将胶囊顶部倒入封装片中（图1C）。以圆周运动轻轻摇晃顶部到孔中。执行此操作时，用一只手或粉末撒布器覆盖封装片壁上的间隙，以避免溢出顶部（图1D）。
   1. 填充孔后，将多余的胶囊顶部倒入干净的杯子中（图1E）。识别任何倒置的胶囊顶部并将它们翻转过来（图1F）。确保所有胶囊顶部都朝向盖板中的正确方向。确保正确的方向很重要，因为不正确的对准可能会导致胶囊顶部无法与胶囊底部正确连接。
6. 取下封装片，将填充的盖片放在一边。
7. 取出正文或“底部”床单。将其放在干净、干燥、平坦的表面上。将封装片固定在底片上，利用黑色钉子将其正确定位到位，确保正确对齐。
8. 将胶囊底部倒入封装片中，并像以前一样以圆周运动摇晃以填充孔。倒掉多余的胶囊底部。识别任何倒置的胶囊底部并将它们翻转过来。
9. 从底板上取下封装片并将其放在一边。
10. 将酸/碱粉混合物倒在填充的底板上（图1G）。使用塑料撒布器用粉末填充胶囊底部（图1H）。检查所有胶囊底部是否已填充（图1I）。去除任何未使用的酸/碱粉。
11. 将盖板放在平坦的表面上，将中间的盖板放在顶部，将其与黑色钉子对齐以确保正确贴合。确保将所有胶囊顶部与中间片上的相应孔对齐。
12. 将盖板与粘贴的中间板倒置，并将其与填充的底板对齐（图1J）。
13. 轻轻地按压盖板，将顶部和底部连接在一起，将胶囊的两侧安装在一起（图1K）。
14. 从底板上取下盖板和中间板。此时，胶囊底部和顶部应正确连接在一起。
    1. 验证每个胶囊顶部和底部是否紧密贴合;如果没有，请手动将胶囊顶部和底部压在一起以形成紧密贴合。取出填充的胶囊并将它们放入密封的可密封容器中（图1L）。
       注意： 为了安全操作，用户必须穿戴个人防护设备 （PPE） 和面部防护。应确保充分通风，并应采取预防措施，避免摄入、吸入和接触皮肤、眼睛或衣服上的物质。此外，防止灰尘的产生也很重要。有关安全性的详细信息，请参阅草酸和碳酸氢钠的安全数据表 （SDS）。为了保持酸/碱胶囊的完整性，建议将它们存放在远离阳光直射和高湿度的地方。将未使用的胶囊存放在密封的密封容器中。只要胶囊保持干燥且不受潮，就可以有效地使用它们以确保最佳功能。

2.硅胶塞制造

1. 使用熔融沉积成型 （FDM） 3D 打印机（参见 材料表），使用 补充文件 1 中提供的 STL 文件打印模板。
2. 在模板的底部放置透明包装胶带，使每个开口都密封（图2A）。
3. 将市售硅胶模具材料按 1：1 的重量比（例如，A 部分和 B 部分各 50 g）混合到混合杯中（参见 材料表）。使用一次性勺子，将化合物彻底混合约 5 分钟，或直至其变得均匀。
4. 将带有包装胶带的模板放在一张纸上。纸张将捕获模具板上任何潜在的硅胶溢出物。
5. 开始将硅胶混合物倒入每个塞孔中，确保它们都充满（图2B）。使用橡胶刮刀将硅胶涂抹到每个塞孔中（图2C）。从模板表面去除剩余的硅胶混合物。
6. 让橡胶塞干燥4小时。在确保塞子完全固化后（例如，硅胶混合物已完全干燥和硬化），从模板背面取下胶带（图2D），然后开始将塞子从模具中拉出（图2E）。
7. 去除附着在塞子上的任何多余硅胶（图 2F）。

3.气球标签组装

1. 小心地将穿孔工具（例如，直牙镐）插入硅胶塞（图 3A）（参见 材料表）。将穿刺工具插入15G注射器针头，然后从硅胶塞上取下穿刺工具，仅将15G针留在里面（图3B）。穿孔工具将在硅胶塞内形成一个狭缝，而无需切割或去除任何材料。
2. 将一根 50 磅重的钓鱼线（见 材料表）切成 150 毫米的长度。将钓鱼线穿过15G注射器针头并插入硅胶塞中（图3C）。
   1. 在小心地将鱼塞和鱼线握在一起的同时，从鱼塞的主体上取下15G注射器针头，将鱼线留在鱼塞内（图3D）。确保鱼线长度均匀在塞子的两侧。
3. 将两个充满酸/碱粉的胶囊插入乳胶球囊中（图3E）（参见 材料表）。使用橡皮筋膨胀工具（即去势带钳）扩大球囊开口，然后小心地将一个硅胶塞插入球囊开口（图3F），将钓鱼线的两端留在球囊外。
4. 将两个 O 形圈（1.6 mm 宽，8.1 mm 内径，参见 材料表）放在橡皮筋膨胀工具上并展开它们。将乳胶球囊的颈部插入两个扩展的O形圈（图3G）。小心地将两个O形圈从橡皮筋膨胀工具上拉开，使它们紧紧缠绕在气球的颈部，以塞子为中心（图3H）。

4. 将气球标签连接到传感器鱼帽上

1. 将钓鱼线的一端穿过传感器鱼盖上的一个小孔（参见 材料表），然后将其穿过鱼盖中心的大孔（图 4A）。
2. 将钓鱼线的两端绑在一起，在盖子顶部和气球底部之间留出约 13 到 26 毫米的距离。绑鱼线时，使用四个反手结相互叠放。
3. 将额外的钓鱼线连接起来，因为将其切得太靠近结可能会导致结解开（图 4B）。
4. 用手指抓住绳结两侧的钓鱼线并尽可能用力拉动来测试绳结。注意不要把气球拉得太近，因为它可能会无意中将钓鱼线穿过橡胶塞。

结果

进行了一项研究以确定制造气球标签的最佳方法，重点是注入气球的水的体积和温度。该研究检查了各种输入参数，包括充气开始时间、完全充气时间、通气开始时间和充气时气球的体积。该研究在环境温度为21°C的办公桌上进行。

该研究共准备了 360 个气球标签。标签分为 36 组，每组包含 10 个气球标签。这些套装根据胶囊的数量进行分类，包括两个、三个或四个胶囊。在18...

讨论

这项研究得出的结论是，与两胶囊和四胶囊球囊标签相比，在 18.3 °C 下注入 5 mL 水的三胶囊球囊标签具有更慢的起始充气时间，并且体积始终更大。当球囊标签在12.7 °C下注水时，平均体积较小，充气时间较长。三胶囊首先开始放气，然后是四胶囊，最后是两胶囊。与每个水温相关的充气和通货紧缩期在现场可能会有所帮助。对于需要更长充气时间的研究，较冷的水可能会导致气球标签的充气速?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D Printed Silicone Stopper Plate	NA	NA
ARC800 Sensor Fish	ATS	NA
FDM 3D printer	NA	NA
Manual Capsule Filler Machine CN-400CL (Size #3)	Capsulcn	NA
Mold Star 15 SLOW	Smooth-On	NA
Oil-Resistant Buna-N O-Ring	McMaster-Carr	SN: 9262K141
Oxalic Acid, 98%, Anhydrous Powder (C2H2O4)	Thermo Scientific	CAS: 144-62-7
Rubber Band Expansion Tool	iplusmile	NA
Separated Vegetable Cellulose Capsules (Size #3)	Capsule Connection	NA
Smiley Face YoYo Latex balloon	YoYo Balloons, Etc.	NA
Sodium Bicarbonate Powder (CHNaO3)	Sigma	CAS: 144-55-8
Spectra Fiber Braided Fishing Line (50 lbs.)	Power Pro	NA