選擇正確的硬體以減少嚴苛應用的系統成本

嚴苛應用通常包含了極端溫度範圍內的測試作業，因此會增加更多硬體限制。 舉例來說，冷開機引擎測試會採用可下降到 -40°C、需要連續擷取資料的測試台，像是溫度、壓力或其他各種量測項目。 如果把無法承受此溫度範圍的硬體放在嚴苛的環境中，可能會造成硬體元件無法正常運作、資料錯誤或硬體損壞。

圖 1. 用來執行多種引擎測試作業的測試台，比如說極端溫度測試。

如果要讓硬體承受極端的溫度，有兩種方式。 第一個方式就是建置可保護硬體的外殼。 取決於使用硬體的極端溫度範圍本身，工程師必須在機箱上加入加熱或冷卻元件，才能確保硬體元件可維持在運作溫度。 此外也可以考慮採用保護板，並且選擇可以反射熱能的機箱顏色。 設計機箱時如果要全盤考慮到這些事情，可能要耗費不少時間與成本。

第二個方式就是選用可承受極端溫度的硬體。 NI 的機箱可確保其中元件能夠在這些限制下正常運作，因此提供了可承受極端溫度的硬體。 NI 的機箱經過多重的熱度測試與檢驗作業，確保特定元件可以根據硬體規格正常運作。 這類測試也可保障硬體符合國際標準，能夠在特定的溫度範圍內運作。

另一個開發嚴苛應用的考量就是衝擊與振動規格，才能建置出有效的測試設定。 無論是監控斗輪式挖掘機功率傳輸系統的主要齒輪箱，還是執行 Formula SAE 賽車的內部類比與數位量測作業，這些應用項目都必須考慮到測試硬體的振動與衝擊數值。 如果硬體位於嚴苛環境中，卻無法負荷此環境的高振動或衝擊指數，就會造成硬體元件損壞，或帶來昂貴的維修或更換費用。

圖 2. 這項高度振動應用必須監控 KWK-1500s 挖掘機斗輪的主要齒輪箱。

針對嚴苛環境而設計測試設定時，必須比較多個選項。 工程師可以設計出振動外殼，確保硬體元件可以根據特定的振動與衝擊規格順利運作。 另一種外殼設計方式就是隔離硬體與該環境中的振動狀況。 這種方式不僅非常昂貴，還需要執行許多測試作業，才能確保硬體可因應該環境的振動或衝擊狀況，並且維持正常運作。

此外，也可選擇提供適當規格的硬體。 如果要設計可承受振動影響的硬體，其實有很多方式。 比如說，工程師可設計內部元件的振動隔離機制，確保這些元件能夠正常運作。 NI 開發的硬體可承受高達 50 g 的衝擊與 5 g 的振動。 一旦完成硬體設計之後，建議把硬體安裝於堅硬的表面上，才能符合所有的國際標準，並且確保此產品可用於嚴苛的振動與衝擊環境。 NI 透過自家的 C 系列產品執行了所有必要的測試作業，確保相關元件可以在這類極端環境下維持正常運作。

圖 3. 使用 NI CompactDAQ 平台執行振動測試。

環境認證

開發嚴苛應用時，雖然溫度範圍與衝擊/振動規格都是重要的考量，但也要考慮到執行測試作業的環境本身。 如果要在危險地點執行測試作業，而且這些環境有可能會在異常的運作條件下出現氣體或蒸汽爆炸，這一點就會變得尤其重要。 這類危險環境可能是化學工廠或精鍊場。 針對危險環境而開發測試作業時，務必符合正確的認證項目。

取決於執行作業的地區，危險環境的運作認證包含了 UL 危險地點或 EU 危險地點認證。 這兩種項目皆可用來檢驗可用於爆炸型危險環境的產品。 UL 認證採用了 Class 與 Division 這兩種分類項目。 Class 代表危險環境的種類，Division 則代表環境狀態。 Class 包含了 Class 1 ~ Class 3 這三種危險環境，分別代表了氣體或蒸汽、粉塵、以至於同時包含粉塵、纖維與飛絮等可能會爆炸的環境。 Division 則分為兩種： Division 1 代表正常作業狀態下的材質，Division 2 代表異常狀態下的材質。

一般來說，必須針對所有的認證項目徹底測試整個系統，才能確保符合規定且可用於這些嚴苛環境。 測試所有的硬體不僅昂貴又繁瑣，但是只有這樣才可以用於這類環境。

圖 4. 根據危險地點認證來測試管線。

另一個嚴苛應用常見的認證項目就是勞氏驗船協會 (Lloyd's Register) 的 Type Approval。 這項認證是由第三方所執行的評估作業，可證實某產品是否符合國內外標準，並且檢驗製造商的生產品質系統。 Type Approval 適用於海事與近海應用、工業級廠房與程序，以及 IT 產業等。 除了可確保產品是否符合海洋環境的安全標準，Type Approval 也可確保產品可以在海洋環境中維持應有效能。

如要取得此認證，目標硬體必須交由第三方執行完整的檢驗程序。 首先，第三方必須審查完整的硬體設計，確保符合特定的規格與法規。 接著必須親身監視檢驗與測試程序，並且把硬體送至進階的審查與檢驗單位。 取得所有的核准之後，目標硬體就會受到檢驗與授權，可以使用勞氏驗船協會的 Type Approval 標示。 硬體認證過程非常昂貴繁瑣，這樣才能確定硬體已取得此認證項目。

NI 提供了豐富的硬體，具備多種工業級環境認證，同時符合適用的國際標準。 這些硬體已經過應用認證所需的嚴苛測試。 認證內容包含了硬體可用於危險環境，甚至可用於海洋環境。

針對嚴苛應用而選擇硬體時，整體機型可說是重要考量。 選擇用於嚴苛環境的硬體時，比如說近海或沙漠內陸的油井設備，測試系統的體積相當重要。 如果硬體材質無法承受嚴苛環境，而且必須備有保護機箱時，系統體積就會大幅增加。 如果保護硬體的機箱體積過大，可能會因此限制測試地點。 至於分散式的遠端應用項目，硬體體積當然是越小越好。

圖 5. 舉例來說，引擎測試台通常需要小體積的耐用硬體。

除此之外也要考慮到硬體的冷卻功能。 硬體的冷卻方式有很多， 主要分為被動與主動冷卻。 採用被動冷卻的硬體沒有移動式零件，所以比較堅固耐用。 如果硬體需要移動式零件才能在測試過程中冷卻下來，可能會因此限制了測試地點， 比如說冷卻運作中硬體的風扇。 至於主動式冷卻裝置，有些高耗能機械元件也必須考慮到其他事項，比如說運作溫度範圍，或是運作期間可承受的衝擊與振動規格。

應用環境與其他外在因素的影響，都會決定是否需要開發系統外殼，還是乾脆直接選用耐用的硬體。 只要選用 NI CompactDAQ 與 CompactRIO 等 NI 系列產品，幾乎就可以確定自己的硬體可以承受嚴苛的極端環境，不必額外執行辛苦的測試程序。

接著要根據應用內容來選擇合適的產品。 比如說，是否需要監控多項量測作業，或是要執行控制與監測應用？ 如果應用需求包含了輕鬆串流波形資料，以利監控或用於後續處理，NI CompactDAQ 可說是理想選擇。 如果必須透過內建的 FPGA 靈活執行各種處理作業，或是充當控制系統的控制器，就要選用 CompactRIO。

NI CompactDAQ 是一種混合式量測的模組化平台，具備內建的訊號處理功能，以及豐富的 I/O 選項。 工程師可針對嚴苛應用打造出最佳化系統，不必承擔非必要的功能成本，還可以隨時靈活調整以便因應不斷變化的需求。 NI CompactDAQ 與所有 C 系列模組均採用 A380 鋁合金製成，堅固的系統可承受 -20°C ~ 55°C 作業環境溫度與高達 30 g 的衝擊。 NI cDAQ-9188XT 屬於耐用版本的 NI CompactDAQ 機箱，可承受 -40°C ~ 70°C 作業環境溫度與高達 50 g 衝擊。有了 NI CompactDAQ 等高彈性的堅固系統，即可重新設定並隨意移動單一測試系統，不必為了各種實驗或測試台需求而購買不同的設備。 用於 NI CompactDAQ 機箱的 C 系列模組也很堅固，同時具備彈簧卡筍，安裝至機箱時即可固定到位。 NI CompactDAQ 系統都在已安裝模組的情況下接受衝擊與振動規格測試，所以不必擔心模組是否會在特定情況下脫落。 乙太網路 NI CompactDAQ 機箱系統也經過嚴苛的測試，並且取得了 UL 與 EU 危險地點認證。 NI CompactDAQ 的堅固特性可讓使用者迅速開始執行測試作業，同時縮短嚴苛環境下的測試準備時間。

圖 6. cDAQ-9188XT 具有 -40°C ~ 70°C 溫度範圍、50 g 衝擊與 5 g 振動，這是 NI CompactDAQ 系列前所未有的規格，有助於執行各種量測作業，不受地點限制。

NI CompactRIO 為開放的嵌入式架構，搭配精巧且可熱插拔的工業級 I/O 模組，並具備 NI LabVIEW 可重設 I/O (RIO) 架構。就許多嵌入式應用而言，體積、重量、I/O 通道密度都是重要的設計需求。 CompactRIO 運用 FPGA 裝置的高效能與小體積等特性，可透過精巧耐用的機身提供絕佳的控制與擷取功能，並且通過工業級認證與評比，適用於嚴苛的極端環境。 CompactRIO 具備了 -40°C ~ 70°C (-40°F ~ 158°F) 作業環境溫度範圍、50 g 衝擊，以及多項國際級安全、電磁相容性 (EMC)、環境認證與評比。

圖 7： 堅固耐用的 NI CompactRIO 系統，提供絕佳的效能與彈性。

專為耐用度而打造的硬體

如果要針對嚴苛環境設計並打造出合適的系統，並且承受會影響系統本身的外在要素，其實有很多方式。 必須深入研究的重點包含了環境溫度範圍、硬體必須承受的衝擊與振動規格、必要的環境認證，以及整體系統所需的規格與功能種類。 建置可滿足上述需求的系統時，只要選用專為耐用度而打造的硬體，比如說 NI CompactDAQ 與 CompactRIO 系統，即可縮短作業時間，同時省去繁瑣的工作，不必執行相關測試來確保系統是否符合環境規格，或是能否在硬體專用機箱內正常運作。

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