CompactRIO-和LabVIEW在-法国阿尔卑斯山脉研-究雪崩中雪流特性.doc

CompactRIO 和LabVIEW在 法国阿尔卑斯山脉研 究雪崩中雪流特性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。- Herv BELLOT, Cemagref (ETNA)The Challenge: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。The Solution: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。技术人员正在“减势 土墩”上安装设备Author (s):Florence NAAIM BOUVET - Cemagref (ETNA)Herv BELLOT - Cemagref (ETNA)Frdrick Bernard - Saphir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，最高的可能的 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 rpm），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， 来确定最佳取样频 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 量的最大速度（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。1/5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。Author Information:Herv BELLOTCemagref (ETNA)2 rue de la papeterie BP 7638402 St Martin dHres FranceTel: +33 (0)4 76 76 27 27 herve. bellotcemagref. fr技术人员正在“减势 土墩”上安装设备2/5三个 CompactRIO 机箱通过防漏接口与 控制台连接。测量原理是基于同雪 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。3/54/5塔贡那兹 （Taconnaz） 雪崩走廊的长度超过 7500米，平均坡 度是46LegalThis case study (this case study) was developed by a National Instruments (NI) custom