利用CompactRIO 和LabVIEW在法国阿尔卑斯山脉研究雪崩中雪流特性

技术人员正在“减势土墩”上安装设备

作者:
Florence NAAIM BOUVET - Cemagref (ETNA) 
Hervé BELLOT - Cemagref (ETNA)
Frédérick Bernard - Saphir

行业:
科研

产品:
实时模块, FPGA模块, CompactRIO

挑战:
通过收集关于雪流速度和压力的实时数据，确定雪崩中雪流规律以及雪崩阻滞屏障的有效性。

解决方案:
利用NI的LabVIEW软件和CompactRIO硬件开发一个坚固的测量系统，以便在恶劣的山地条件下精确、可靠地进行快速数据采集。

"CompactRIO和LabVIEW之间的无缝集成，以及易于使用的软件使产品成为显而易见的应用选择。"

法国农业与环境工程研究院（Cemagref）是一家受法国农业和研究部监管的研究机构，专门进行环境科学和技术方面的研究。Cemagref的格勒诺布尔分部（Grenoble）侧重研究与山地环境有关的问题。ETNA（山洪、积雪和雪崩）研究部打算着手开发一套用于预防雪崩、风害、急流尼流、洪水和岩崩等自然山区危险的工具。

塔贡那兹（Taconnaz）冰川位于法国夏蒙尼的阿尔卑斯山脉的查默尼克斯（Chamonix）谷内，是著名的“ 雪崩走廊”。塔贡那兹（Taconnaz）雪崩走廊的长度超过7500米，平均坡度是46°，并且宽度可达300米至400米。一旦顶部的冰峰掉落，则有可能在雪崩带的各个区域造成雪崩的发生。其中，较高的可能的雪崩起始区域位于4000米高度。一旦发生百年不遇的大雪崩，总雪量估计可达180万立方米。雪崩带后拥有长达1100米左右的减速区域。政府计划在减速区域中建造一条雪崩阻滞屏障，包含减势土墩、沉积区以及侧面和正面的堤坝。

测量雪流特性

ETNA研究团队与National Instruments的系统联盟商SAPHIR一起开发了一个参数事件监测的相关方法，以减少由于错误引发雪崩引起的饱和风险。ETNA已经与SAPHIR进行了十多年的项目合作，以研究各种自然风险的要素。

为了达到研究目标，流体力学专家为塔贡那兹（Taconnaz）雪崩阻滞屏障的三个减势土墩安装了压力和速度传感器。团队打算着手确定雪崩雪流的规律以及与雪崩阻滞屏障的相互影响。

研究团队希望能够同步获得三个独立测点的速度（高达60米/秒）和压力（高达100 rpm²），同步精度需要小于0.1秒。此外，这一应用还要求测量系统必须在-30 °C环境下工作，达到100kHz/通道的采样率，并提供自动事件检测，事件发生前后的数据记录与流盘等功能。

系统详情

为了构造一个坚固、可靠并且能够经受恶劣山地条件的测量系统，研究员选择了三个配备有控制器和NI 9239 、NI 9215模拟输入模块的CompactRIO 机箱。每个CompactRIO机箱都通过防漏接口与控制台连接。此外，LabVIEW软件通过NI 9472模块输出的数字信号来控制数据记录仪并且保证数据记录仪的同步。CompactRIO和LabVIEW之间的无缝集成，以及易于使用的软件使产品成为显而易见的应用选择。

应变计用于压力测量

为了测量张力，研究人员使用了基于应变计的传感器，其优点是可以保留低频信号并进行温度补偿。团队通过确定传感器的刚性系数以及设置预期信号带宽的大小，来确定较佳取样频率。

为了研究测量系统的联合误差，研究团队根据《测量不确定度表示法指导手册（GUM）》对构造函数的数据进行不确定性计算，以确保传感器精度不受测量不确定性的影响。在本应用实施的各种条件中，只有不到1%的测量不确定性由NI 9239造成的。

红外传感器用于速度测量

在测量速度方面，团队采用了被雪崩研究机构广泛使用的测量原理[R01: 登特等人（1998）]。这一测量原理在过去Col du Lac Blanc和Col du Lautaret等地进行的两次实验中也实施过。它是基于同雪流方向一致的红外反射传感器产生的两个信号的相互关系而得出的。

为了实现对临时性雪流的测量方法，研究员构建了一个全新的协议以确定计量参数。与测量有关的不确定性仅涉及在测量过程中产生的偏差。在有雪流的状态下，设备上首次获得了测量数据，结论非常令人振奋，但是对这些结论的确认还将通过在未来测量其他雪流来实现。

基于上述的各种实验，研究团队对附近的研究站采用这种测量技术。此外，系统还必须额外考虑两个制约条件：雪崩可能施加给测量设备的压力（设备应能够经受住100吨/平方米的压力）以及将要测量的较大速度（估计为60米/秒）。CompactRIO特别适合于解决流速的测量需要，因为它能够在100kHz/通道下进行采样。

实施

研究团队将CompactRIO信号采集设备放置在了一个防护室内，靠近位于雪崩带三个减势土墩坡脚下的传感器。这三个模块通过以太网（Ethernet）相互连接，并且以太网还可以连接到大约300米外的一个地下室，对设备进行远程访问。研究员可以在地下室内加载模块列表、对模块进行配置并且下载已获得的数据。

模块会持续记录循环内存中的压力和速度信号，并每60秒进行一次数据留盘。在压力传感器监测到地质事件期间，CompactRIO 和 LabVIEW系统会自动保存地质事件发生之前60秒和之后120秒的数据。当某个采集设备检测到事件时，它会通过以太网向5号护坡上的设备发出请求，并经由NI 9472模块产生数字信号。三个设备可接收到信号，确保团队中的每个设备记录的特定信号能够被同步。

结论

利用CompactRIO 和 LabVIEW构造雪崩雪流的测量系统提供了性能和速度上的明确的优点，使其成为理想的解决方案。CompactRIO的采样率可以满足测量雪流的特殊需要，硬件足够坚固，能够保证在恶劣山地条件下的可靠性。硬件和软件平台的灵活性允许进行未来开发，无需大量的额外投资。

中文：http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-13238

英文：http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-12756

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