あやしい水槽

海水魚 サンゴ 海藻  あやしい記事とピンボケ写真.そして誤字脱字...

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07月の記事一覧

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水槽と照明 その12 メタハラとLEDの比較 

前の記事で,
水槽と照明 その11 メタハラとLEDの色度
メタハラとLEDの比較対象を光源色の色度から決めたので,
それらの配光特性と光源からの距離に応じて光合成光量子束密度(PPFD)と
照度(lux)を比べてみました.

今回,スーパークールSC115シリーズとGrassyLeDioシリーズの
なかから対象としたのはこちら.
SC115-MarineBlueとLeDioPearlWhite
SC115-AquaBlueとLeDioAquaBlue


1.配光特性の比較
スーパークール,LeDioとも配光特性がメーカから公開されています.
ここでは,その配光特性をそのまま使ったのでは面白くないので,
海水に入射させて,その界面で屈折させた状態で海水中での配光特性を
再計算してみました.
空気,海水の代表屈折率はそれぞれn0=1.00,n1=1.33として,
スネルの式で単純に空気と海水の屈折率界面で光線を屈折をさせただけです.
屈折さたことによって,水中では集光性が少し高まって,
照射面積が小さくなっています.


SC115-MarineBlueとLeDioPearlWhiteの結果です.
光の広がり角から,左よりSC115散光タイプ,LeDio,SC115集光タイプとなっています.
各光源はすいめんより30cmの高さに設置してあります.
(クリックすると大きくなります)
haikou_MBvsPW.jpg

各水深毎,0cm,15cm,30cm,45cm,60cmと一般的な水槽の深さの単位に
あわせて,光合成光量子束密度と光束を記載してます.

次が,SC115-AquaBlueとLeDioAquaBlue

haikou_ABvsAB.jpg

それぞれの図中にLEDを基準として,SC115散光タイプ,集光タイプとの比較を
PPFD比,lux比,照射面積比として記載してみました.
当然ですが,消費電力150WのSC115に比べて消費電力9WのLeDioではPPFD,照度(lux)とも
かないませんが,LEDの光の指向性の高さからLEDから発した光は照射域を
効率よく照らしています.一方メタハラはランプ全体の全光束は大きいものの,
有効に水槽内を照明できる光束量は限られています.



2.同じ照射面積にするためにLeDioの必要な台数
次に,メタハラとLEDが同じPPFDや照度になるような条件を検討してみました.
水深30cmを基準にしてメタハラの照射面積と同じ面積になるようにLEDの
設置高さを変えて,その場合にLEDがメタハラと同じPPFD,照度の量にできる
LEDの台数を見積もってみました.


SC115-MarineBlue散光とLeDioPearlWhite
comp_MBvsPW_widess.jpg


SC115-MarineBlue集光とLeDioPearlWhite
comp_MBvsPW_narrowss.jpg


SC115-AquaBlue散光とLeDioAquaBlue
comp_ABvsAB_widess.jpg


SC115-AquaBlue集光とLeDioAquaBlue
comp_ABvsAB_narrowss.jpg

と,以上のような結果になりました.
広い面積を照らす散光タイプとは,特に白色に近いPearlWhite
ではその差は大きいですが,AquaBlue では水面より14cmと
やや無理がある設置高さになってますが,なかなか善戦していると思います.
照射範囲を限定すれば現状のLEDでも大電力のメタハラと同じPPFD,照度を
得ることができそうです.


しかし,SC115の配光特性に勘定していない広がっている光も,
実際の水槽を見立てて考えてみると,有効に利用されることがあります.
以前の記事
水槽と照明 その6 側面ガラスの反射光
で,水槽のガラス側面の反射光についてシミュレーションしたことが
ありますが,それによると下図のように広がる光も側面のガラスで
全反射して,水槽内を満遍なく照射することができます.

MHwide_meritss.jpg


3.PPFDの波長特性
さらにもう一歩踏み込んで,SC115とLeDioのそれぞれのPPFDの光スペクトル特性を
算出してみました.水面下30cmでの特性です.
SC115-MarineBlueとLeDioPearlWhite
PPFDat30cmMBvsPWs_20100726221912.jpg

SC115-AquaBlueとLeDioAquaBlue
PPFDat30cmABvsABs_20100726221916.jpg

上のグラフは,光合成有効放射(Photosynthetically Active Radiation, PAR)
の光波長帯域(400~700nm)での光量子束密度(PPFD)なので
直接光合成に利用される光量そのものです.
光合成色素の吸収スペクトルと照らし合わせて,各波長毎の光量子が
不足しているかどうか確認することができます.




※以上の結果は,カタログ(Web)に記載されているデータから勝手に見積もったものです.


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水槽中の流速を測る 予備テスト編 

何気なくマリンアクアリストのバックナンバーをパラパラめくっている
ときの事,ある記事に目が留まりました.
MarinAquarisut No.42 「サンゴにおける水流環境の重要性」74-77

その内容を要約すると,

・海水の流動とサンゴの代謝物排出・取り込みの速度は密接に関連
・流れ→浸透効率の向上→スムーズな物質のやりとり→サンゴの代謝の促進
・水流に応じてサンゴの光合成・呼吸が活性化
・白化が起こる高水温下での2週間以内の斃死率は
  停滞(<3cm/s)100%にくらべて流れの速い域(50cm/s)0%
・ストレスによるサンゴ白化が水流によって抑制
・サンゴ白化が水流によって回復促進
・枝状サンゴの1種であるコユビミドリイシでは流速(20cm/s)で光障害の
 程度が少ない
・水流→光障害抑制→白化抑制??

といったものです.
水流の重要性が十分に理解できます.

この記事の元ネタは文部科学省のCOEプログラムに採択されていた研究成果の
一部のようで,アブストですが,これが元ネタのようです.

[COE研究員研究概要]水流が白化からサンゴを救う?
アブストラクトのpdfファイル

これは,さらに下の研究の一部です.

[本文全ページ]琉球大学21世紀COEプログラム「サンゴ礁島嶼系の生物多様性の総合解析-アジア太平洋域における研究教育拠点形成-」最終報告書
最終報告書のpdfファイル←重たいです.
これも概要ですが,色々な研究の集大成です.ここから孫引きしていくのもイイかと.

ということで,水流の重要性が理解できて,えらく感銘を受けました(^^



流速を測る方法はいくつもありますが,高価な機材が必要で
ホビーにそれはありえません.
そこで,なんとか海水の流速を測れないかと考えていたのですが,
次の記事に載せているビデオからヒントを得ました.
ベルス復活
ベルスが水中漂う白い玉に何度も反応するというお気に入りの内容の動画ですが,
この白い玉はシュアーのSサイズで,撮影に用いたカメラは安物の
ネットワークカメラで,
器具レビュー(2)Webカメラ
こちらで紹介したものです.



コントラストの関係なのか,小さいものでも結構はっきり判別できそうな
ことから,比重が小さな餌を水中に漂わせて,その動きをビデオカメラで撮影して,
その画像と経過時間から流速を推定できないか,と考えた次第です.
今回,どのくらいこの方法が使えそうか,予備テストとして試してみました.



先ずは撮影です.
水槽の前面に30cmの間隔でビニールテープを貼付し,
普段子供の運動会の撮影にしか利用されない旧式のビデオカメラによって
水中を浮遊するメディフィッシュをドバっと投入して,その動きを撮影しました.

[高画質で再生]

流速_予備テスト [無料blog]

魚を事前に手で追い払ったのですが,真ん中で夢中で食事されている方には効果
ありませんでした.
そこそこ,白い餌の動きが読み取れます.


次に動画の再生時間が細かく読み取れて,コマ送りが自由にできる動画再生ソフトウエア
で表示させました.
説明1
上記の機能を持つ動画再生ソフトウエアを探しましたが,結局いい物を見つけられず,
灯台下暗しで「Quick Time Player」を使いました.


この様に再生時間が1/100秒まで表示できます.
説明2


ナンヨウボスにキ○ガイのように食べられまくって,流れる餌の判別も大変でしたが,
ある一つの餌の粒をガンバッテ追いかけました.
連続
黄色い○がターゲットの餌を示しています.


そして,ターゲットの一連の動きを繋げて,その距離と経過時間をまとめた
結果です.30cmの間隔をあけて貼付した黒いビニールテープの距離を基準に
各区間の距離を求めて,そのときの経過時間を示してあります.
まとめ

 区間 流速[cm/sec]
  0-1   9.02
  1-2   8.10
  2-3   6.12
  3-4   4.21
  4-5   7.27
  5-6   5.77

 全体経路の平均流速
 6.43[cm/sec]

これから,水槽前面中央の平均流速は6.4cm/secくらいと分かりました.
参考文献からすると,流速は遅いのでしょうか...


この水槽の水流は,
ろ過層からポンプアップされた水とフローを取り付けたマキシジェット500による
水槽全体を大きく循環させる水流と,Vortech MP20によるショートパルスモード
による攪拌によって行っています.
Vortechの出力は1/4くらいに絞って,あまりきれいな定常波にならないように
タイミングを調整してあります.


画像によって流速を測る方法は例えば,
粒子画像流速測定法(PIV:Particle Image Velocimetry)というありがたい方法がありますが,

ここでは,
海水水槽のための餌画像流速測定方法
Fish-food Image Velocimetry Measurement method for Reef Tank
"FIVM" と勝手に呼ぶことにします(^^


今回,水槽中の流速を測るための予備テストとして,FIVMによる方法を
実施した訳ですが,そこで感じた課題です.

課題
(1)対象ターゲットが多いと識別が困難
(2)奥行き方向の移動量に起因する測定誤差
(3)サンゴ,ライブロック近傍で生じる乱流の取り扱い
   測定できるのは結局広い区画の層流
(4)生体に餌を横取りされる
(5)裏面など観察が困難な場所の測定
(6)画像を取得したあとのデータ解析がかなり面倒

冒頭で紹介した参考文献では流速をどのように測定しているのかは
分かりませんが(高価なドップラー式測定器なんかを使っているのでしょうか?)
たぶんサンゴ近傍ではなく,開けた空間(水中)の平均流速を測っているのではと
予想しています.(3)はあまり問題にはならなそう.
(2)は奥行きへの移動に関しては,たとえば30°の傾きで奥に移動した場合でも,
その距離は1.2倍程にしかなりません.
参考文献では流速を,<3cm/sec,10cm/sec,20cm/secと比較していて,
このオーダから見ても測定誤差として扱ってもよさそうです.

(5)の裏面や陰の測定は他の測定結果から推測するとして,
実際のところ(6)のデータ処理が一番の問題だと感じてます.

このネタ,次回に続くか自信ありません(^^;


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水槽と照明 その11 メタハラとLEDの色度  

ようやく花粉シーズンが終えようとしています.次は秋ですか.
このところ,画面をこするハイカラな持ち運び式受話器の
せいで突然発生する出張に怯えながら,アクアモチベーションも
吹き飛ばされた感じです.早くブームも収束してほしい...

アクアでやりたいこともいろいろあって,作業したいところですが,
突然の出張とこの暑さでやる気ダウン.
現在の所のTO DOリストは,
 (1)水換えシステムの構築 
 (2)ろ過槽の製作
 (3)SPSまたはレフジューム水槽の構想
と,こんなところでしょうか.
先立つものも,モチベーションも,なんだか無々づくしです.

机上の検討ばかりで,まったく役に立っていない水槽と照明シリーズですが,
そろそろ,実際との相関を取りながら,使える情報として発展させてゆこうと
思います.
まあ,趣味なので気楽に行きますよ(^^



さて,先の記事の
水槽と照明 その8 LED照明の光合成光量子束密度(PPFD)
で,LEDとメタハラの比較を検討してみようとのことで,
まずはLEDのPPFDを算出したところで放置していました.

当初,それぞれメタハラとLEDの代表特性例として
スーパークールのMarinBlueとLeDioのAqua400UVの
比較を行うつもりでしたが,この2つを同じ土俵で
比較するのはフェアじゃないような気がしてきて,
頓挫してました.

この記事,
水槽と照明 その9 光源色の可視化
でメタハラとLEDの光源色を算出した訳ですが,その色の
見え方がまるで異なるので,これらを比較してもしょうがないだろうと
思っていた訳です.

照明器具を購入する際には,水槽をどんな色にライトアップしたいかと
いうことが,数ある色味の中から選択する判断基準になるのでしょうから,
得たい照明色になるようなランプを,メタハラなり蛍光灯なりLEDのどれかから
選ばれるのではないかと思います.
そこで,光源色ができるだけ近いもの同士を比較対象として選択するために,
スーパークールとGrassy LeDioのシリーズから各製品の光源色を
光スペクトル特性から算出してみました.


メタハラ(スーパークール)の色度と光源色です.
光源色比較_メタハラ_20100726

お次はLED(Grassy LeDio)の色度と光源色です.
光源色比較_LED_20100726
(2010.07.26 PPF, lumen, powerの値を修正しました)


それぞのチャート,図は左から,
 ・光スペクトル特性,
 ・xy色度図上の位置(←で示した点がその光源の色度です),
 ・可視化した光源色(左側が最大の明るさを示しています)
となっています.

また,
それぞれのデータところには,PPF,lumen,powerを記載しました.
これらの特性は光の総量で,単位面積あたりの値ではありません.
単位面積あたりの値にするには,配光特性から得た照射面積で
割ることで得られます.単位面積あたりに変換した場合には
次のような光の単位になります.
PPF → PPFD
lumen → lux
power → irradiation

計算方法は先の記事で行ったものに準じています.



xy色度図上にマッピングして,比較しました.
光源色比較_xy色度図_20100726完成
自前で書いたxy色度図なのでショボイです(^^

このxy色度図上では,
SC115-MarineBlueとLeDioPearlWhite
SC115-AquaBlueとLeDioAquaBlueがおおよそ一致しました.

SC115-MarineBlueとLeDioPearlWhiteは相関色温度13000Kあたり,
SC115-AquaBlueとLeDioAquaBlueは色温度では表現できないエリアに
位置していて青色の470から480nmの純色に近い色味になっているようです.

以上の結果から,
SC115-MarineBlueとLeDioPearlWhite
SC115-AquaBlueとLeDioAquaBlue
の組合せで配光特性を考慮した比較をしてみたいと思います.


最後に.
これらのデータはあくまでもカタログ(Web)に掲載されている
スペックから算出したものです.
当然のごとく,カタログのスペックは代表特性でありますので,
製品のバラツキにより差が生じたり,さらにはカタログの
スペックは通常何らかの処理が加えられたデータであることが多く,
実際には異なった結果になることも多くあるかと思います.

特に,光スペクトル特性は,画像データを自前のツールを使って
読み取っているのでその精度は高が知れてます.
なので,参考程度に見て頂けたらと思います.


あと,スーパークールの色度算出結果を見て思ったのですが,
MarineBlueとSunWhiteのメーカのカタログ(Web)の光スペクトル
特性のチャートが入れ違いになっているのじゃないかということです.
色度上ではSunWhiteよりMarineBlueの方が白みが強くなってます.
光スペクトル特性からは,MarineBlueのほうが緑や黄色の
成分が多く見えます.緑や黄色の成分が多いということは
白色に近いと言えます.
緑や黄色の成分が多いと照度としては高くなりますが,
配光特性ではSunWhiteのほうが照度が高いので妥当な結果に
思えます.
よって,違っているのは光スペクトル特性のチャートのみのようです.



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水槽と照明 その10 光合成光量子束密度(PPFD) の単位変換
水槽と照明 その9 光源色の可視化
水槽と照明 その8 LED照明の光合成光量子束密度(PPFD)
水槽と照明 その7 事例(4)
水槽と照明 その7 事例(3)
水槽と照明 その7 事例(2)
水槽と照明 その7 事例(1)
水槽と照明 その6 側面ガラスの反射光
水槽と照明 その5 蛍光灯照明のモデリング
水槽と照明 その4 メタハラの特性
水槽と照明 その3 ガラス蓋と光損失
水槽と照明 その2 光線追跡
水槽と照明 その1 海水の光の吸収
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6月の水温と室温 

もう6月もおしまいですね.今年も半年が過ぎようとしてます.
先月も書いたこのネタですが,
5月の水温と室温
マンスリーネタとして使えそうなので,
調子に乗って今月も書きます(^^

アクアトロニカを使って,
 ・水槽の水温
 ・水槽設置環境の室温(リビングの室温)
 ・ろ過槽設置環境の室温(地下倉庫の室温)
のデータを残していますので,
6月の中で最も暑かったのではないかと思う日の
温度チャートを見てみます.

室温と水温_20100630s

この日の室温は水槽の水温を終日越えています.
室温(赤線)は朝6:00を境に上昇し始めて,
PM3:00に最高温度31.7℃をマークしています.
その後,子供たちが帰宅後エアコンを付けたようで,
室温が下がっています.
PM6:00頃からまた室温がまた上昇し始めていますが,
嫁さんが帰宅したと思われ,子供達を一喝後,
エアコンの設定温度を上げた形跡が見られます(^^;

水槽の水温は1℃の幅で周期的に変動しています.
水槽用クーラはZR-130なので,クーラのON/OFFの
温度幅が大きいですね.

ZR-130は地下倉庫内に設置していますが,
その動作にあわせて室温も激しく上下してます.

ZR-130の稼動は10回/日くらいで,一回の稼動時間は1時間くらい.
つまり,1日に10時間くらいZR-130が稼動しているようです.
90cm水槽立上げ録 その10 水槽システム構成図
ZR-130の一回の稼動時間が長く思えますが,
この上の記事の図のようにクーラで冷やした海水を
直接水槽へ供給するのではなく,ろ過槽に戻して
ろ過槽の水温を一定にして,その海水を水槽へ
供給するので,間接的な冷却になっていることから,
水温を下げるのに必要な時間も長くなっているのかなと思います.

水温を急激に下げるのも生体には良くないとは思いますが,
この辺りはメインポンプの流量と合わせて改良の余地があると
考えています.


水槽の水温のヒストグラムです.
室温と水温_ヒストグラム_20100630s
水槽クーラの水温制御は単純なリミットサイクルなので,
水温の分布は正規分布にはならずに,真ん中で2つに
割れる傾向の分布になっています.
1日の平均水温は26.1℃でした.

これから夏に掛けてさらに暑くなるわけですが,
どこまで室温が上昇して,水槽クーラの稼働率が
増加するでしょうか.

このところ,嫁さんに電気代が高くなった原因が水槽を大きくしたせい
じゃないかと勘ぐられていて,いつ怒られるかとドキドキです(^^

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