用LabVIEW在法国阿尔卑斯山脉研究雪崩中雪流特性 虚拟仪器

用LabVIEW在法国阿尔卑斯山脉研究雪崩中雪流特性 虚拟仪器

 北京瀚文网星科技有限公司

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*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，zui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，来确定很好取样频率。

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*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*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zui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。

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