选择合适的硬件以降低严苛应用的系统成本

严苛应用通常包括在极端温度范围内进行测试，这可能会对硬件造成额外限制。例如，冷启动引擎测试使用可降至-40 °C的测试单元，需要连续采集温度、压力和其他各种测量数据。将不能承受该范围的硬件置于恶劣环境中可能会导致硬件中的组件无法正常工作并导致错误的数据，甚至损坏硬件。

图1。测试单元用于在发动机上进行各种测试，包括极端温度下的测试。

硬件可通过两种方式承受这些极端温度范围。第一种方法是为硬件创建一个外部外壳来保护硬件。根据硬件所处的极端温度范围，可能需要在外壳中实现加热或冷却元件，以确保组件处于安全的工作温度。另外，可考虑使用屏蔽并评估外壳反射热量的颜色。考虑到外壳设计的所有因素，设计过程可能既昂贵又耗时。

另外，也可选择用于极端温度条件的硬件。 NI硬件可承受极端温度范围，确保组件在这些范围内正常工作。外壳经过广泛的热测试和验证，以确保所选组件符合规范。该测试还使硬件符合在温度范围内工作的国际标准。

开发耐用应用程序时，另一个典型的考虑因素是测试的冲击和振动规范，以及构建能够承受冲击和振动的设置。从监控斗轮挖掘机动力传动系统的主齿轮箱到在方程式SAE赛车内部进行模拟和数字测量，需要考虑测试硬件上产生的振动和冲击值。如硬件所处环境要求苛刻，振动或冲击值过高，且无法处理这些值，可能会损坏硬件组件并导致昂贵的维修或更换成本。

图2.该高振动应用程序用于监控KWK1500s挖掘机铲斗轮的主齿轮箱。

为恶劣环境设计测试设置时，还需要比较几个选项。可设计用于振动和冲击的外壳，使硬件中的组件按照给定的规范运行。一种方法是创建一个外壳，将硬件与振动条件隔离。这可能很困难，需要大量的测试来确保硬件在振动或冲击条件下正常运行。

另外，也可选择满足这些规范的硬件。根据硬件文档，NI硬件可承受高达100 g的冲击和振动，以及10 grms的振动。根据文档安装NI硬件将完全符合国际标准，并符合产品规范。NI已通过大量测试验证这些硬件规范。 

图3.该振动测试使用NI CompactDAQ平台。

尽管在开发耐用的应用程序时，温度范围和冲击与振动规范至关重要，但进行这些测试的环境也很重要。如果环境是危险环境，且异常操作条件下存在潜在爆炸性气体或蒸汽，则尤其如此。危险环境包括化工厂或炼油厂。为这些危险环境中的应用开发测试设置时，获得设置的正确认证是此过程的重要组成部分。

在危险环境中工作的认证有UL危险环境或欧盟危险环境认证。两者都认证产品适用于可能存在爆炸性环境的危险环境。UL认证有一定程度的类别和分支。类别表示危险场所的类型，分级表示条件。类别范围为类别1至类别3，对应的场所分别涵盖气体或蒸汽环境、粉尘环境，以及潜在爆炸性氛围中的粉尘、纤维和飞散物环境。类分为两个：第1项用于正常运行条件下的材料，第2项用于异常条件下的材料。

通常，您需要在所有认证测试中运行整个测试设置，以确保其符合在恶劣环境中使用的要求。测试所有硬件是一个昂贵且密集的过程，但在这些类型的环境中操作是必需的。

图4.该流水线测试需要危险环境认证。

另一种常见的耐用应用认证是劳氏寄存器类型认证。该认证是由第三方进行的评估认证，证明产品和制造商生产质量体系符合国家和国际标准。类型批准适用于船舶与海洋应用、工业设备和工艺以及信息技术领域使用的产品。海事批准不仅是为了确保产品符合海洋环境的相应安全标准,而且也为了确保产品在海洋环境条件下能够维持其性能。

要获得该认证，硬件必须经过第三方评估硬件的整个流程。首先，第三方组必须检查硬件的所有设计，确保其符合特定的规范和代码。然后,他们必须目睹检查和测试,并派人进一步检查和验证。如全部通过，则验证并授权硬件使用劳氏注册类型批准标志。硬件认证流程繁琐且费用高昂，硬件必须声明拥有该认证。

您可能还需要防护环境中的固体颗粒和液体。如果是，常见的认证是入侵防护标志（IP评级），该标志对灰尘和水入侵防护等级进行分类。IP代码由两个数字组成。第一个数字表示对固体物体的防护，等级为0（无防护）至6（无灰尘进入）。第二个数字为外壳的液体防护等级，使用0至9（不同角度的高压热水）的换算。例如，IP65评级表示硬件防尘，不受水射流压力的影响。IP67等级表示硬件为防尘等级，可防止暂时浸入水中。如产品具有更高的第二位数IP等级（例如IP67），则无法保证其具有更低的第二位数IP等级（例如IP65）。通过不同的测试来确定防水等级，IP67等级的设备不会自动成为IP65。

NI为各种硬件提供符合相关国际标准的行业环境认证。该硬件已通过严格的测试，以验证应用程序。认证范围包括硬件在危险环境中的合规使用，以及硬件在海洋环境条件下的认证和防尘防水。

在为严苛应用选择硬件时，整体外形是一个重要的考虑因素。在要求苛刻的环境中（例如，海上石油钻井平台或沙漠中部）决定使用何种硬件时，测试系统的占用空间很大。如果硬件构建的材料无法承受恶劣的环境，并且需要外壳进行保护，这将显著增加系统的占用空间。如保护硬件所需的外壳占用空间过大，可能会限制进行测试的位置。对于分布式和远程应用程序，需要最小化硬件的大小。

图5.引擎测试单元是另一种应用范例，通常要求坚固耐用、占用空间小。

此外，还要考虑硬件如何自我冷却。硬件可通过多种方式冷却。主要有被动冷却和主动冷却两种方式。由于没有活动部件，被动冷却的硬件可能更耐用。如硬件需要运动部件（例如，风扇）在测试时正确冷却，可能会限制进行测试的位置。对于主动冷却设备，需要考虑能耗高的机械组件，例如，设备可以运行的温度范围，设备在运行过程中可以承受的冲击和振动规范。

了解应用程序所处的环境类型以及其他外部因素对设置的影响可确定是开发系统的外壳，还是选择坚固耐用的硬件。

使用何种硬件取决于应用程序。例如，您是监控各种测量还是执行控制和监控应用程序？如需灵活地在内置FPGA上执行任何处理或在控制系统中将其作为控制器使用，NI CompactRIO是最佳选择。

NI CompactDAQ

CompactDAQ是一款混合测量模块化平台，具有内置信号调理和多种I/O选项。您可以完全为耐用的应用程序创建优化的系统，而无需为不需要的功能付费，还可以灵活地适应随时间变化的需求。CompactDAQ和所有C系列模块均由A380铸铝制成，可承受-20 °C至55 °C的工作温度和高达30 g的冲击。对于更耐用的CompactDAQ机箱，NI cDAQ-9185和NI cDAQ-9189可承受-40 °C至70 °C的工作温度和高达50 g的冲击。 

使用CompactDAQ等耐用、灵活的系统，您可以重新配置单个测试系统并将其移动至各地，而无需为每个实验室或测试台购买不同的设备。CompactDAQ机箱中使用的C系列I/O模块同样坚固耐用，其弹簧加载锁扣设计用于在机箱中安装时锁定到位。冲击和振动规范全部在已安装模块的CompactDAQ系统上进行测试，因此模块在指定条件下不会脱落或未停靠。 

坚固耐用的CompactDAQ系统也经过了严格的测试并获得UL和欧盟危险环境认证。CompactDAQ坚固耐用的特性可帮助您快速开始测试，因为现场测试中仪器的准备时间更少。

图6.cDAQ-9189为CompactDAQ系列提供-40 °C～70 °C、50 g冲击和5 g振动的温度范围，因此可在任何位置进行测量。

NI CompactRIO

CompactRIO将开放式、小型化和坚固耐用的嵌入式架构与热插拔工业I/O模块集成在一个平台上。平台基于NI LabVIEW可重配置I/O (RIO)架构。尺寸、重量和I/O通道密度是诸多嵌入式应用中的关键性设计需求。CompactRIO利用FPGA设备性能卓越、体积小的优势,在紧凑耐用的封装中提供前所未有的控制和采集功能,该封装经过严格的工业认证和评级,适用于恶劣的工业环境。CompactRIO可提供-40 °C～70 °C的温度范围、50 g额定冲击，以及各种国际安全、电磁兼容性和环境认证及评级。

图7.超坚固的CompactRIO系统可提供高水平的性能和灵活性。

NI FieldDAQ

FieldDAQ结合了传感器特定的信号调理、连接和数字化，可直接与热电偶、应变计等常见传感器和信号交互。使用FieldDAQ，可在全量程环境条件下，尽可能靠近传感器进行精确测量。FieldDAQ设备的防护等级高达IP67 (IP65/IP66/IP67)，因此这些设备具有防尘和抗水浸和抗喷雾性。这些设备可在-40 °C至85 °C的环境中运行，同时通过被动冷却散热，消除了风扇等易碎运动部件。FieldDAQ使用标准M12连接器，以防止线缆在运行过程中分离，即使在高达100 g的冲击和10 grms的条件下也是如此。FieldDAQ基于NI开放、以软件为中心的平台构建，可扩展NI TSN产品生态系统。通过将FieldDAQ与其他TSN产品（如CompactDAQ和CompactRIO）连接和同步，以及采集、可视化和分析真实信号以做出数据驱动决策的方式，可自定义系统的设置。

图7. FieldDAQ设备是高性能DAQ设备，适用于最极端的环境。

在恶劣和苛刻的环境中，有多种方式可设计和构建系统，以抵御影响系统的外部因素。要研究的一些重要主题包括环境中的温度范围、硬件需要承受的冲击和振动规范、所需的环境认证以及整个系统所需的外形和功能类型。

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