利用CompactRIO 和LabVIEW在法國阿爾卑斯山脈研究雪崩中雪流特性

　　技術(shù)人員正在“減勢土墩”上安裝設(shè)備

　　作者:

　　Florence NAAIM BOUVET - Cemagref (ETNA)

　　Hervé BELLOT - Cemagref (ETNA)

　　Frédérick Bernard - Saphir

　　行業(yè):科研

　　產(chǎn)品:實時模塊, FPGA模塊, CompactRIO

　　挑戰(zhàn):通過收集關(guān)于雪流速度和壓力的實時數(shù)據(jù)，確定雪崩中雪流規(guī)律以及雪崩阻滯屏障的有效性。

　　解決方案:

　　利用NI的LabVIEW軟件和CompactRIO硬件開發(fā)一個堅固的測量系統(tǒng)，以便在惡劣的山地條件下精確、可靠地進行快速數(shù)據(jù)采集。

　　"CompactRIO和LabVIEW之間的無縫集成，以及易于使用的軟件使產(chǎn)品成為顯而易見的應(yīng)用選擇。"

　　法國農(nóng)業(yè)與環(huán)境工程研究院(Cemagref)是一家受法國農(nóng)業(yè)和研究部監(jiān)管的研究機構(gòu)，專門進行環(huán)境科學(xué)和技術(shù)方面的研究。Cemagref的格勒諾布爾分部(Grenoble)側(cè)重研究與山地環(huán)境有關(guān)的問題。ETNA(山洪、積雪和雪崩)研究部打算著手開發(fā)一套用于預(yù)防雪崩、風(fēng)害、急流尼流、洪水和巖崩等自然山區(qū)危險的工具。

　　塔貢那茲(Taconnaz)冰川位于法國夏蒙尼的阿爾卑斯山脈的查默尼克斯(Chamonix)谷內(nèi)，是著名的“ 雪崩走廊”。塔貢那茲(Taconnaz)雪崩走廊的長度超過7500米，平均坡度是46°，并且寬度可達300米至400米。一旦頂部的冰峰掉落，則有可能在雪崩帶的各個區(qū)域造成雪崩的發(fā)生。其中，最高的可能的雪崩起始區(qū)域位于4000米高度。一旦發(fā)生百年不遇的大雪崩，總雪量估計可達180萬立方米。雪崩帶后擁有長達1100米左右的減速區(qū)域。政府計劃在減速區(qū)域中建造一條雪崩阻滯屏障，包含減勢土墩、沉積區(qū)以及側(cè)面和正面的堤壩。

　　測量雪流特性

　　ETNA研究團隊與National Instruments的系統(tǒng)聯(lián)盟商SAPHIR一起開發(fā)了一個參數(shù)事件監(jiān)測的相關(guān)方法，以減少由于錯誤引發(fā)雪崩引起的飽和風(fēng)險。ETNA已經(jīng)與SAPHIR進行了十多年的項目合作，以研究各種自然風(fēng)險的要素。

　　為了達到研究目標(biāo)，流體力學(xué)專家為塔貢那茲(Taconnaz)雪崩阻滯屏障的三個減勢土墩安裝了壓力和速度傳感器。團隊打算著手確定雪崩雪流的規(guī)律以及與雪崩阻滯屏障的相互影響。

　　研究團隊希望能夠同步獲得三個獨立測點的速度(高達60米/秒)和壓力(高達100 rpm²)，同步精度需要小于0.1秒。此外，這一應(yīng)用還要求測量系統(tǒng)必須在-30 °C環(huán)境下工作，達到100kHz/通道的采樣率，并提供自動事件檢測，事件發(fā)生前后的數(shù)據(jù)記錄與流盤等功能。

　　系統(tǒng)詳情

　　為了構(gòu)造一個堅固、可靠并且能夠經(jīng)受惡劣山地條件的測量系統(tǒng)，研究員選擇了三個配備有控制器和NI 9239 、NI 9215模擬輸入模塊的CompactRIO 機箱。每個CompactRIO機箱都通過防漏接口與控制臺連接。此外，LabVIEW軟件通過NI 9472模塊輸出的數(shù)字信號來控制數(shù)據(jù)記錄儀并且保證數(shù)據(jù)記錄儀的同步。CompactRIO和LabVIEW之間的無縫集成，以及易于使用的軟件使產(chǎn)品成為顯而易見的應(yīng)用選擇。

　　應(yīng)變計用于壓力測量

　　為了測量張力，研究人員使用了基于應(yīng)變計的傳感器，其優(yōu)點是可以保留低頻信號并進行溫度補償。團隊通過確定傳感器的剛性系數(shù)以及設(shè)置預(yù)期信號帶寬的大小，來確定最佳取樣頻率。

　　為了研究測量系統(tǒng)的聯(lián)合誤差，研究團隊根據(jù)《測量不確定度表示法指導(dǎo)手冊(GUM)》對構(gòu)造函數(shù)的數(shù)據(jù)進行不確定性計算，以確保傳感器精度不受測量不確定性的影響。在本應(yīng)用實施的各種條件中，只有不到1%的測量不確定性由NI 9239造成的。

　　紅外傳感器用于速度測量

　　在測量速度方面，團隊采用了被雪崩研究機構(gòu)廣泛使用的測量原理[R01: 登特等人(1998)]。這一測量原理在過去Col du Lac Blanc和Col du Lautaret等地進行的兩次實驗中也實施過。它是基于同雪流方向一致的紅外反射傳感器產(chǎn)生的兩個信號的相互關(guān)系而得出的。

　　為了實現(xiàn)對臨時性雪流的測量方法，研究員構(gòu)建了一個全新的協(xié)議以確定計量參數(shù)。與測量有關(guān)的不確定性僅涉及在測量過程中產(chǎn)生的偏差。在有雪流的狀態(tài)下，設(shè)備上首次獲得了測量數(shù)據(jù)，結(jié)論非常令人振奮，但是對這些結(jié)論的確認還將通過在未來測量其他雪流來實現(xiàn)。

　　基于上述的各種實驗，研究團隊對附近的研究站采用這種測量技術(shù)。此外，系統(tǒng)還必須額外考慮兩個制約條件：雪崩可能施加給測量設(shè)備的壓力(設(shè)備應(yīng)能夠經(jīng)受住100噸/平方米的壓力)以及將要測量的最大速度(估計為60米/秒)。CompactRIO特別適合于解決流速的測量需要，因為它能夠在100kHz/通道下進行采樣。

　　實施

　　研究團隊將CompactRIO信號采集設(shè)備放置在了一個防護室內(nèi)，靠近位于雪崩帶三個減勢土墩坡腳下的傳感器。這三個模塊通過以太網(wǎng)(Ethernet)相互連接，并且以太網(wǎng)還可以連接到大約300米外的一個地下室，對設(shè)備進行遠程訪問。研究員可以在地下室內(nèi)加載模塊列表、對模塊進行配置并且下載已獲得的數(shù)據(jù)。

　　模塊會持續(xù)記錄循環(huán)內(nèi)存中的壓力和速度信號，并每60秒進行一次數(shù)據(jù)留盤。在壓力傳感器監(jiān)測到地質(zhì)事件期間，CompactRIO 和 LabVIEW系統(tǒng)會自動保存地質(zhì)事件發(fā)生之前60秒和之后120秒的數(shù)據(jù)。當(dāng)某個采集設(shè)備檢測到事件時，它會通過以太網(wǎng)向5號護坡上的設(shè)備發(fā)出請求，并經(jīng)由NI 9472模塊產(chǎn)生數(shù)字信號。三個設(shè)備可接收到信號，確保團隊中的每個設(shè)備記錄的特定信號能夠被同步。

　　結(jié)論

　　利用CompactRIO 和 LabVIEW構(gòu)造雪崩雪流的測量系統(tǒng)提供了性能和速度上的明確的優(yōu)點，使其成為理想的解決方案。CompactRIO的采樣率可以滿足測量雪流的特殊需要，硬件足夠堅固，能夠保證在惡劣山地條件下的可靠性。硬件和軟件平臺的靈活性允許進行未來開發(fā)，無需大量的額外投資。