用LabVIEW在法國阿爾卑斯山脈研究雪崩中雪流特性 虛擬儀器

用LabVIEW在法國阿爾卑斯山脈研究雪崩中雪流特性 虛擬儀器

 北京瀚文網星科技有限公司

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*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，zui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，來確定很好取樣頻率。

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*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*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zui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。

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