選擇​正確​的​硬體​以​減少​嚴苛​應用​的​系統​成本

綜覽

如果​要​在​極端​的​環境​中​執行​穩定​的​量​測​作業,​不僅​非常​困難,​同時​也要​耗費​許多​成本。 針對​極端​的​溫度​範圍​或​危險​環境​而​建​置​監測​或​控制​系統​時,​必須​考慮​到​很多​要素。 開發​嚴苛​的​應用​項目​時,​必須​想到​溫度、​衝擊​與​振動、​環境​認證,​以及​用於​嚴苛​環境​的​硬體​機型。

目錄

  1. 溫度
  2. 衝擊​與​振動
  3. 機型
  4. 耐用​系統的​硬體​選項
  5. 更多​資源

溫度

 

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。

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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。

 

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衝擊​與​振動

 

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。

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​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。

 

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機型

 

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。

 

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耐用​系統的​硬體​選項

 

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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