選擇正確的硬體，降低嚴苛用途所花費的系統成本
概觀
內容
溫度
對於嚴苛應用，通常會在極端溫度範圍內進行測試作業，因此可能會讓硬體受到更多限制。舉例來說，冷開機引擎測試會採用能降溫到 -40°C，且必須連續擷取溫度、壓力和其他各類量測結果等資料的測試單元。若將無法承受此範圍的硬體置於嚴苛環境中，硬體中的元件可能會無法正常運作，因而會產生不正確的資料，甚至會損壞硬體。
圖 1.測試單元用於執行各種引擎測試，包括在極端溫度下進行的測試。
有兩種方式可以讓硬體能夠承受如此極端的溫度範圍。第一是打造能保護硬體的外殼。您可能需要依據使用硬體時所在的環境溫度是極高或是極低，適度調整機殼的升溫或降溫功能，讓元件確實保持在安全的運作溫度範圍內。此外，您也可以考慮使用防護罩，並且評估採用能反射熱能的機殼顏色。設計機箱時若要全盤考慮到這幾點，可能得耗費不少時間與成本。
或者，您可以選擇設計就能承受極端溫度條件的硬體。 NI 硬體設計確實做到讓所有元件在溫度極限內正常運作，因此能承受極端溫度範圍。NI 的機箱經過多重熱度測試與確效，確保特定元件可以根據硬體規格正常運作。這類測試也能確保硬體符合國際標準，可以在特定的溫度範圍內運作。
衝擊與振動
開發嚴苛應用時的另 1 項常見考量即為測試的衝擊與振動規格並建立可承受衝擊與振動的設定。從監控鬥輪式挖掘機動力傳輸系統的主齒輪箱到 Formula SAE 賽車內部的類比與數位量測應用都必須考量測試硬體所產生的振動與衝擊值。如果硬體位於嚴苛環境中，卻無法負荷此類環境中的高振動或衝擊指數，就會造成硬體元件損壞，或者衍生昂貴的維修或更換費用。
圖 2.此高度振動應用正在監控 KWK 1500s 挖掘機斗輪的主要齒輪箱。
當針對嚴苛環境設計測試設置時，亦有多個選項可供比較。您可以設計耐振動與衝擊的機殼，讓硬體中的元件能夠按照特定規格運作。其中一種方法就是打造能隔絕硬體與振動條件的機殼。這項作業極為困難，且必須進行大量測試，才能確保硬體可以在振動或衝擊條件下正常運作。
或者，您也可選擇設計就能承受這類規格的硬體。在按照硬體說明文件安裝的情況下，NI 硬體能承受高達 100 g 的衝擊與 10 grms 的振動。根據說明文件安裝 NI 硬體就能完全符合國際標準，也能證明產品確實符合其規格。NI 已透過大量測試確認過這些硬體規格的效能。
圖 3.這項振動測試使用 NI CompactDAQ 平台。
環境認證
開發嚴苛的應用方式時，雖然溫度範圍與衝擊/振動規格都是重要考量，但也要考慮到執行測試作業時所處的環境。如果此環境屬於危險環境且在非正常運作條件下可能會產生爆炸性氣體或蒸汽就更是如此。危險環境可能包括化學工廠或精煉廠。當針對危險環境中的應用開發測試設置時，必須先取得測試設置的相應認證。
危險環境作業認證包括 UL 危險環境認證或歐盟危險環境認證，請以您所在的區域為準。兩種認證都能證明產品適用於可能有易爆氣體存在的危險環境。UL 認證採「類別」(Class) 和「級區」(Division) 兩種等級。「類別」(class) 表示危險環境的類型，「級區」(division) 則表示條件。類別從第 1 類 (Class 1) 到第 3 類 (Class 3)，分別對應可能有氣體或蒸氣、粉塵存在，以及同時有粉塵、纖維與飛絮的潛在易爆環境。這些類別分兩種級區：「第 1 級區」(Division 1) 表示正常運作條件下的材料，「第 2 級區」(Division 2) 則表示在異常條件下的材料。
通常，整套測試裝置皆須通過所有認證測試，才能證明系統確實符合在嚴苛環境中使用的規範。測試所有硬體既昂貴又繁瑣，但卻是在這類環境中作業必經的流程。
圖 4.必須要有危險環境認證才能進行這項管線測試。
勞氏驗船協會型式認可 (Lloyd’s Register Type Approval) 是嚴苛用途常用的另一項認證。此認證是由第三方所進行的評估，證明產品符合國家與國際標準，並檢驗製造商的生產品質系統。型式認可適用於海事與離岸作業、工業廠房和製程，以及資訊科技領域所用的產品。除了能確保產品符合海洋環境安全標準之外，型式認可也能確保產品可以在海洋環境中保持應有效能。
若要取得這項認證，必須讓硬體完成由硬體評估第三方所訂立的完整流程。首先，該第三方團體必須審查完整的硬體設計，確保符合具體規格與法令。接下來，該團體必須見證檢驗與測試過程，再將硬體交給負責進一步審查與確效的單位。全數通過核准的硬體就是通過確效流程且有權使用勞氏驗船協會的型式認可標章。硬體認證流程昂貴繁瑣，卻是硬體能取得這項認證的必經之路。
您可能還需要抵禦環境中的固體粒子和液體。在這種情況下，通常會採用國際防護等級 (Ingress Protection Marking, IP) 認證，這是將產品防塵防水保護等級進行分類的標準。IP 代碼由兩個數字組成。第一個數字代表對固體的防護程度，評定等級從 0 (不具防護力) 到 6 (完全防塵)。第二個數字評估機殼對液體的防護能力，評定等級從 0 (不具防護力) 到 9 (能抗來自不同角度的高壓熱水)。舉例來說，IP65 防護等級代表硬體具備防塵功能並可避免水射流的壓力。IP67 防護等級代表硬體具備防塵功能，且暫時浸入水中時不受影響。若產品 IP 防護等級的第二個數字較大 (如 IP67)，未必表示該產品必定能達到第二個數字較小的 IP 防護等級 (如 IP65)。防水等級有多種測試標準，因此，達到 IP67 防護等級的裝置未必能達到 IP65 防護等級。
NI 提供各類有各種工業環境認證且符合相關國際標準的硬體。這些硬體已經進行過用途認證必須通過的嚴苛測試。認證項目包括硬體必須遵守在危險環境使用的規範、通過在海洋環境條件中使用的認證，以及要能防塵防水。
體積
決定硬體是否適用於嚴苛應用時，整體體積是相當重要的考量。選擇用於嚴苛環境的硬體 (如離岸或沙漠中央的油井設備) 時，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，因而需靠機箱發揮保護作用，系統體積可能會大幅增加。如果保護硬體的機箱體積過大，測試地點可能會因此受限。至於分散式的遠距用途，硬體體積當然是越小越好。
圖 5.引擎測試單元可以示範另一個必須使用輕巧型耐用硬體的用途。
此外，硬體降溫方式也是需要思考的重點。硬體可以靠許多方式降溫。主要分為被動降溫與主動降溫兩種。採用被動降溫的硬體不含活動零件，因此比較堅固耐用。如果硬體需要使用活動零件 (例如風扇) 才能在測試時適度降溫，測試地點可能會因此受限。至於主動降溫式裝置，有些高耗能機械元件也有其他必須考慮之處，例如運作溫度範圍，或是運作期間能承受的衝擊與振動規格。
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，抑或乾脆直接選用堅固耐用的硬體。
請根據用途決定應使用的硬體。舉例來說，您是要監控多項量測，還是要執行控制與監測應用？如需透過內建的 FPGA 靈活執行各種處理作業，或是要將其當成控制系統的控制器使用，NI CompactRIO 會是最佳選擇。
NI CompactDAQ
CompactDAQ 是一種混合式量測模組化平台，內建訊號處理功能，並且提供豐富的 I/O 選項。您可以根據具體的嚴苛用途建立一套功能最完善的系統，不必為不需要的功能負擔成本，還可以隨時靈活調整，因應不斷變化的需求。CompactDAQ 與所有 C 系列模組均採用 A380 鋁合金製成，其所構成的系統堅固耐用，能承受 -20°C 到 55°C 的作業環境溫度，以及最高 30 g 的衝擊。如需要更堅固耐用的 CompactDAQ 機箱，可採用 NI cDAQ-9185 和 NI cDAQ-9189，這兩款產品都能承受 -40 °C 到 70 °C 的作業環境溫度與最高 50 g 的衝擊。
CompactDAQ 系統堅固耐用又靈活，能支援您重新設定測試系統，也能將單一測試系統搬移到不同的地點，不必根據不同的實驗室或測試台購買不同的設備。CompactDAQ 機箱使用的 C 系列 I/O 模組也十分堅固耐用，採彈簧卡榫設計，裝在機箱內部可以將模組固定到位。CompactDAQ 系統都在裝了模組的情況下進行過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。
堅固耐用的 CompactDAQ 系統版本通過了嚴苛的測試，並順利取得 UL 與歐盟危險環境認證。NI CompactDAQ 堅固耐用，不需要花太多時間進行前置作業，讓儀器能接受嚴謹的現場測試，因此能協助您迅速開始執行測試。
圖 6.cDAQ-9189 的適用溫度範圍介於 -40 °C 到 70 °C，耐 50g 衝擊和 5g 振動，適用於 CompactDAQ 系列，方便您隨時隨地進行任何量測。
NI CompactRIO
CompactRIO 結合開放的嵌入式架構與輕巧、極度堅固耐用且支援熱插拔功能的工業級 I/O 模組，並且採用 NI LabVIEW 可重設 I/O (RIO) 架構。在許多這類嵌入式用途中，體積、重量和 I/O 通道密度都是重要的設計需求。CompactRIO 運用 FPGA 裝置高效能、體積輕巧等特性，透過精巧耐用的機身發揮絕佳的控制與擷取功能，更具備工業級認證與防護等級，適用於嚴苛的極端環境。CompactRIO 的作業溫度範圍是 -40 °C 到 70 °C (-40 °F 到 158 °F)，耐衝擊等級是 50g，更符合多項國際性的安全、電磁相容以及環境認證與等級標準。
圖 7.超堅固耐用的 CompactRIO 系統發揮出色的效能與彈性。
NI FieldDAQ
FieldDAQ 結合感測器專用的訊號處理功能、連線功能與數位化功能，可以直接連接熱電偶、應變規等常見感測器與訊號。FieldDAQ 能支援您在各種不同的環境條件下，盡可能在距離感測器最近的地方準確量測。FieldDAQ 裝置的防塵防水等級最高達到 IP67 (IP65/IP66/IP67)，不但防塵，還能抗浸水和抗水射流。這些裝置可以在 -40 °C 到 85 °C 的環境中運作，同時透過被動式冷卻散熱，因此無需風扇等脆弱的活動零件。FieldDAQ 使用標準的 M12 接頭，避免連接線在運作期間脫落，甚至能承受最高 100 g 的衝擊與 10 grms 的振動條件。FieldDAQ 以 NI 的開放式軟體架構平台為基礎，進一步擴大 NI TSN 產品生態系。您可以將 FieldDAQ 與其他 TSN 產品 (例如 CompactDAQ 和 CompactRIO) 連接並同步，以此自訂系統的設定方式，也可以自訂實際訊號擷取、視覺呈現與分析流程，從而依據資料做出決策。
圖 7. FieldDAQ 是高效能 DAQ 裝置，適合應用於最極端的環境。
堅固耐用渾然天成的硬體
有些外在因素會影響系統應用於嚴苛環境中的效能，設計和建構系統時，若希望系統能承受這類外在因素，其實可以透過幾種方式做到。其中包含環境溫度範圍、硬體必須承受的衝擊與振動規格、所需的環境認證以及整體系統所需的機型與功能。