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成功故事
Photo: Alfred-Wegener-Institut / Marcel Nicolaus (CC-BY 4.0)

March 20, 2020

被困冰层

 

全程同船有史以来最伟大的北极研究探险队

北极冰正在消失–问题是速度有多快。夏季海冰可能会再承受100年,或者可能在十年后就消失,这将会对地球上其他地区造成灾难性后果。 为了确定答案,远征世界之顶必须揭开冰的复杂物理原理。

MOSAiC-北极气候研究多学科流动观测站

2019年9月,德国科研破冰船“北极星”号从挪威特罗姆瑟出发,准备用一年的时间穿越北冰洋,包括驻留冰中。 通常,被困在海冰中是船舶最不愿意做的事情,但是,德国破冰船将被困在北极冰层中一年之久。 这将使极地研究人员能够调查极地冬季,而“北极星”号会根据洋流中进行一次未知的航行。

MOSAiC探险队的目标是对北极作为全球变暖的中心地区进行最细致观测,并获得对更好地了解全球气候变化至关重要的基本见解。 来自20个国家的70多个研究机构参与了这次探险。
继弗里德约夫·南森(Fridtjof Nansen)于1893年至1896年乘坐木制帆船弗拉姆(Fram)进行了开创性的探险行动之后,MOSAiC探险队在一整年将把这艘现代科学考察破冰船带到北极附近,也是首次在极地冬季进行科考。

图片: Alfred-Wegener-Institut/Stefan Hendricks

“北极星”号上有一套来自Gantner Instruments的数据采集系统,用于测量船舶钢结构上的载荷,测量数据旨在更好地了解抗冰性要求,以优化未来的破冰船。

了解破冰船上由冰引起的载荷

即使对于可靠的“北极星”号和她经验丰富的船员,MOSAiC探险也构成了相当大的挑战。 海冰的存在是阻碍北极探险的主要因素。 海冰是一种复杂的材料,会在与船舶接触时产生高压。 汉堡工业大学船舶结构设计与分析研究所(TUHH)的研究人员参加了MOSAiC计划,以更好地了解抗冰性要求,以优化未来破冰船的结构设计。

冰阻力作为平均纵向力的性质
(Riska K., 破冰船设计, Course material NTNU; 2011)

应变监测系统

“北极星”号安装了应变监测系统,该系统使用Gantner Instruments Q.series X数据采集系统来长期测量在冰中冻结时作用在船钢结构上的载荷。数据采集系统从安装在破冰船船体结构上的36个应变传感器获取连续数据。剪切应变是通过全桥配置电路中的四个有源应变片测量的,而线性应变也使用全桥配置来测量,但具有两个有源和两个无源应变片进行温度补偿。应变传感器连接到Q.bloxx XL A116模块,以进行精确的低漂移信号调理。 Q.bloxx XL A116具有八个输入通道,用于全桥,半桥和四分之一桥应变。每个通道都可以单独配置,并具有可预设的信号调理功能,例如线性化,滤波,并联校准和引线补偿。

原生测试数据才有价值

MOSAiC探险队提供了一次难得的机会,可以收集宝贵的原生数据,以全面了解冰层在船体结构上引起的载荷。 选择Q.series X的关键是无需连接PC即可实现可靠的长期和独立数据记录。 由于从“北极星”到岸上没有可用的数据链接,因此数据会保存在USB闪存驱动器中,并随船员每次轮换随身携带到岸上。 USB闪存驱动器连接到Q.station X高性能边缘控制器,该控制器不断将数据文件写入闪存驱动器。 每次机组人员更换USB闪存驱动器时,所有中间测量数据都会被缓冲,然后传输到新的USB闪存驱动器中,这样就没有数据丢失,冗余测量数据会并行写入第二个USB闪存驱动器。

 

图片: TUHH Hamburg

在极尾型破冰船内部安装了应变监测系统

图片: Gantner Instruments

机柜视图包括Q.bloxx XL A1116,
Q.station X and UPS

借助Q.station X,可以应用各种数据缩减技术来减少测量数据,但产生相同的分析结果。 应变监测系统以1000 Hz的频率进行采样,但是数据以1 Hz的采样率写入USB驱动器,以最大程度地减少所需的磁盘空间。 除了捕获实际测量值外,还计算平均值,标准偏差和最小/最大值并将其存储到磁盘。 当监测系统检测到作用在结构上的冰引起的负载突然变化时,将触发基于事件的记录器,以较高的采样率记录该事件附近的应变数据。 然后,将这些高分辨率数据存储在单独的文件中,以进行快速有效的分析。

机柜内部安装的不间断电源(UPS)可确保暂时断电期间的数据连续性。 如果持续断电,UPS会在电池电量不足时向Q.station X发送触发信号。 然后停止数据记录,并终止对USB闪存驱动器的所有写操作,而不会发生任何数据损坏。 当电源恢复时,监控系统将自动启动,并从其停止的位置继续测量。

 

图片: Alfred-Wegener-Institut / Sebastian Grote (CC-BY 4.0)

应变监测系统已经运行了几个月了。随着第一组机组人员的交流,第一组数据将被成功地传输到位于汉堡的汉堡工业大学船舶结构设计与分析研究所(TUHH)。Q.series X 产品再次证明了是长期监测应用的可靠数据获取解决方案,即使是在冰中。

每小时更新的路线的极地船尾是可用的 here.

 

成功要素

什么是使这12个月的应变监测任务成功的关键?

  • 可靠和独立的数据日志记录到多个目的地
  • 相关事件的智能数据可视化
  • 方便快捷的数据传输
  • 以最短的交付时间进行设计和生产

 

Would you like to know more about Gantner Instruments’ measurement solutions in vibration and wind? Find out how the unloading process of wood pellets from ship to silo tower was monitored, in harsh weather conditions in a remote area in Canada.

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Author: Benedikt Heinz

Benedikt Heinz is Gantner Instrument's Vice President and Global Sales Manager.

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