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

　　技術人員正在“減勢土墩”上安裝設備

　　作者:

　　Florence NAAIM BOUVET - Cemagref (ETNA)

　　Hervé BELLOT - Cemagref (ETNA)

　　Frédérick Bernard - Saphir

　　行業:科研

　　產品:實時模塊, FPGA模塊, CompactRIO

　　挑戰:通過收集關于雪流速度和壓力的實時數據，確定雪崩中雪流規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硬件開發一個堅固的測量系統，以便在惡劣的山地條件下精確、可靠地進行快速數據采集。

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

　　法國農業與環境工程研究院(Cemagref)是一家受法國農業和研究部監管的研究機構，專門進行環境科學和技術方面的研究。Cemagref的格勒諾布爾分部(Grenoble)側重研究與山地環境有關的問題。ETNA(山洪、積雪和雪崩)研究部打算著手開發一套用于預防雪崩、風害、急流尼流、洪水和巖崩等自然山區危險的工具。

　　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，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域造成雪崩的發生。其中，最高的可能的雪崩起始區域位于4000米高度。一旦發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米左右的減速區域。政府計劃在減速區域中建造一條雪崩阻滯屏障，包含減勢土墩、沉積區以及側面和正面的堤壩。

　　測量雪流特性

　　ETNA研究團隊與National Instruments的系統聯盟商SAPHIR一起開發了一個參數事件監測的相關方法，以減少由于錯誤引發雪崩引起的飽和風險。ETNA已經與SAPHIR進行了十多年的項目合作，以研究各種自然風險的要素。

　　為了達到研究目標，流體力學專家為塔貢那茲(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，這一應用還要求測量系統必須在-30 °C環境下工作，達到100kHz/通道的采樣率，并提供自動事件檢測，事件發生前后的數據記錄與流盤等功能。

　　系統詳情

　　為了構造一個堅固、可靠并且能夠經受惡劣山地條件的測量系統，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模塊輸出的數字信號來控制數據記錄儀并且保證數據記錄儀的同步。CompactRIO和LabVIEW之間的無縫集成，以及易于使用的軟件使產品成為顯而易見的應用選擇。

　　應變計用于壓力測量

　　為了測量張力，研究人員使用了基于應變計的傳感器，其優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以及設置預期信號帶寬的大小，來確定最佳取樣頻率。

　　為了研究測量系統的聯合誤差，研究團隊根據《測量不確定度表示法指導手冊(GUM)》對構造函數的數據進行不確定性計算，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生的兩個信號的相互關系而得出的。

　　為了實現對臨時性雪流的測量方法，研究員構建了一個全新的協議以確定計量參數。與測量有關的不確定性僅涉及在測量過程中產生的偏差。在有雪流的狀態下，設備上首次獲得了測量數據，結論非常令人振奮，但是對這些結論的確認還將通過在未來測量其他雪流來實現。

　　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。此外，系統還必須額外考慮兩個制約條件：雪崩可能施加給測量設備的壓力(設備應能夠經受住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信號采集設備放置在了一個防護室內，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(Ethernet)相互連接，并且以太網還可以連接到大約300米外的一個地下室，對設備進行遠程訪問。研究員可以在地下室內加載模塊列表、對模塊進行配置并且下載已獲得的數據。

　　模塊會持續記錄循環內存中的壓力和速度信號，并每60秒進行一次數據留盤。在壓力傳感器監測到地質事件期間，CompactRIO 和 LabVIEW系統會自動保存地質事件發生之前60秒和之后120秒的數據。當某個采集設備檢測到事件時，它會通過以太網向5號護坡上的設備發出請求，并經由NI 9472模塊產生數字信號。三個設備可接收到信號，確保團隊中的每個設備記錄的特定信號能夠被同步。

　　結論

　　利用CompactRIO 和 LabVIEW構造雪崩雪流的測量系統提供了性能和速度上的明確的優點，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，無需大量的額外投資。