¿Cuáles son los sensores?

En general, los sensores son instrumentos de medición utilizados para capturar señales de un tipo específico del entorno que pueden proporcionarnos información importante. Los sensores son una parte integral de los sistemas de medición o sistemas de control más grandes, que ahora son un elemento indispensable utilizado no solo en el mundo de la tecnología, sino también en los negocios y la vida cotidiana.

La definición de sensor

El sensor es el primer elemento de la ruta de medición que convierte la cantidad medida en una señal de medición (Czabanowski, 2010).

En otras palabras, el sensor es el dispositivo que hace que, lo que queremos investigar o medir, pueda ser registrado por el dispositivo de medición convirtiéndolo en una señal comprensible por este dispositivo.

Según R. Czabanowski, un sensor también se puede llamar un medidor o un transductor de medición de una cantidad física. Este último nombre indica el sentido de la operación del sensor, es decir, la conversión de una cantidad observada físicamente (por ejemplo, calor) en una señal comprensible para los dispositivos de medición expresada en un “idioma” específico de un dispositivo dado (por ejemplo, grados Celsius) (Fig. 1).

Figura 1.  Ruta de medición de la señal al dispositivo de salida

Fuente:  elaboración propia basada en (Czabanowski, 2010)

El diagrama anterior delimita deliberadamente el lugar del sensor en todo el aparato de medición para indicar su importante papel en la captura de la señal. De hecho, los sensores son un componente integral de todo el sistema de medición, siendo de poca utilidad por sí solos. También son el primer elemento de toda la ruta de medición. Además, todo el equipo de medición y los dispositivos adicionales, sin sensores eficientes, no realizarán sus tareas. Vale la pena señalar que el sistema de medición es todo el aparato que consiste en dispositivos de medición y dispositivos adicionales, que a través de la cooperación de todos los elementos que cumplen funciones específicas permite la implementación de varias actividades importantes (Fig. 2).

Figura 2.  Actividades que tienen lugar en dispositivos del sistema de medición

Fuente: elaboración propia basada en (Czabanowski, 2010)

La señal de entrada, es decir, la señal del entorno, puede ser una señal mecánica, neumática, ligera o eléctrica. El procesamiento de esta señal consiste en su mapeo en la llamada imagen abstracta o en dicho procesamiento de la información contenida en la señal de entrada, como resultado de lo cual se obtiene un resultado cuantitativo. Por lo tanto, el resultado del proceso de medición y procesamiento será una cierta cantidad expresada en una unidad de medida específica.

Proceso de medición mediante sensores 

Los procesos de medición difieren entre sí, tanto dependiendo del método utilizado durante su implementación, como dependiendo del método de obtención de resultados de medición (Fig. 3).

Figura 3.  Clasificación básica de los métodos de medición

Fuente: elaboración propia basada en (Czabanowski, 2010)

Una clasificación del método de medición, denominada Core (centro) a los efectos de este curso, se refiere a la comparación de un valor de señal con un valor de referencia específico indicado. Al utilizar una medida, siempre se debe recordar de qué se trata, para que se pueda interpretar correctamente el resultado obtenido. El resultado en sí también se puede obtener y capturar de varias maneras. En este caso, podemos hablar de medición directa e indirecta (Fig. 4).

Figura 4.  Clasificación de los métodos de medición con respecto al método de obtención de los resultados de la medición

Fuente: elaboración propia basada en (Czabanowski, 2010)

Vale la pena señalar que el método directo es más simple que el método indirecto, lo que permite una lectura rápida y la obtención del resultado. En el caso del método indirecto, es necesario convertir ciertos valores, lo que a menudo requiere el uso de dispositivos adicionales en el proceso de medición.

El curso del proceso de medición también depende del tipo de señal, es decir, la forma en que se produce y los cambios que se producen en ella. Muy a menudo, en el caso de las mediciones, tratamos con señales eléctricas, que pueden ser en forma analógica o digital. Todo esto significa que el proceso de medición requerirá el procesamiento de la señal de entrada.

Propiedades de los sensores

El proceso de medición y el grado de su complejidad hacen que los sensores se seleccionen adecuadamente y tengan propiedades específicas (Fig. 5).

Figura 5.  Propiedades del sensor consideradas durante su selección

Fuente: (Skoczyński,  2018)

Ya que hablamos sobre sensores, W. Skoczyński menciona varias características básicas de los sensores que determinan la calidad de la medición realizada. Estos incluyen: Alcance (1), resolución (2) y sensibilidad (3) (Fig. 6).

Figura 6.  Alcance, resolución y sensibilidad de los sensores

(1) alcance del sensor, (2) resolución del sensor, (3) sensibilidad del sensor

Fuente: elaboración propia basada en (Skoczyński, 2018)

El alcance del sensor (1) permite definir a partir de qué valores mínimos a qué valores máximos de la señal de entrada es posible obtener la señal de salida. En otras palabras, es el rango de medición que posible con un determinado dispositivo. ¿Qué sucede cuando se supera el alcance del sensor? Esta situación puede resultar en su daño o incluso la destrucción del sensor.

La resolución del sensor (2) es el cambio más pequeño en la cantidad medida que puede ser detectado de forma fiable por este sensor (Skoczyński, 2018). En otras palabras, se puede decir que este es el valor que el sensor puede detectar, y si es más pequeño, el sensor no registrará ningún cambio.

La sensibilidad del sensor (3) se expresa como la relación entre el cambio en la señal de salida (final) y el cambio en la señal de entrada. En otras palabras, es un efecto que toma la forma de un cambio en la señal de salida como resultado de un cambio en la señal de entrada (por ejemplo, un cambio en la magnitud física del fenómeno que medimos).

Figura 7.  Grado de precisión y exactitud de la medición

Fuente: elaboración propia basada en (Skoczyński,  2018)

El grado de precisión de una medición se expresa en términos de valores de desviación estándar. Si es pequeño, podemos hablar de un alto grado de precisión. La precisión de la medición se expresará como el valor más bajo posible del error estadístico. Suponiendo que el valor correcto en la figura 7 se expresa como una línea recta (línea negra para 100), puedes ver fácilmente qué medida tendrá el valor de error más bajo.

Selección de sensores

La respuesta a la pregunta de cómo seleccionar los dispositivos de medición apropiados dependerá del propósito de la medición. En general, se puede decir que la información indicada en el punto anterior relativa a la precisión y exactitud de los sensores es el elemento de partida en el proceso de selección de los dispositivos adecuados. En otras palabras, son esenciales, pero no son las únicas directrices que deben seguirse. En este sentido, vale la pena hacerse algunas preguntas relacionadas con ciertas características del sistema de medición (Fig. 8).

Figura 8.  Características del sistema de medición y preguntas auxiliares en el proceso de toma de decisiones sobre la elección del sistema más óptimo

Figura 8.  Características del sistema de medición y preguntas auxiliares en el proceso de toma de decisiones sobre la elección del sistema más óptimo

Fuente: elaboración propia basada en (Czabanowski, 2010)

Las respuestas a estas preguntas nos permitirán evaluar si un determinado sistema de medición será el más óptimo para la aplicación que prevemos para él. Es la indicación del propósito principal de la aplicación del sistema de medición que favorecerá la indicación de aquellos elementos que serán clave.

Fuente: Pixabay

El uso de sensores en el Centro de Procesamiento Electrónico de Datos – en salas de servidores

Los sensores desempeñan un papel importante en el mantenimiento de las salas de servidores. Hasta hace poco, muchas de las actividades de protección se llevaban a cabo sobre la base de decisiones humanas específicas, ahora todos estos procesos pueden ser automatizados. De esta manera, con el uso de sensores y equipos de medición es posible, entre otras cosas:

• protección adecuada de la sala contra el acceso no autorizado (sensores de movimiento, videovigilancia, uso de tarjetas de acceso electrónicas, etc.),
• control de la temperatura y la humedad en las habitaciones (uso de sensores y aires acondicionados junto con ellos),
• utilización de sistemas de extinción de incendios (que funcionen automáticamente sobre la base de la información recibida del sistema de medición y equipados con un gas inerte),
• utilización de una red de alimentación independiente (encendido automático en función de los datos obtenidos de los sensores),
• sobretensión y protección contra corriente residual (sensores que supervisan el estado de parámetros específicos).

Los sensores son aquellos elementos de todo el sistema de medición que se encargan de crear una señal que transporta información sobre el estado del proceso o dispositivo monitorizado (Szulewski, Śniegulska-Grądzka, Nejman,  2019). Originalmente, fueron diseñados para convertir activamente una cantidad física seleccionada (por ejemplo, su cambio), la mayoría de las veces en una cantidad eléctrica, fácil de medir y proceso adicional (transferencia)  (Szulewski, 2018). Actualmente, es deseable que los sensores no solo puedan capturar los cambios que se están produciendo, sino también generar retroalimentación sobre su base, que el sistema de medición puede utilizar en el futuro. Está relacionado con el concepto de aprendizaje automático (Szulewski, 2018). Este concepto encaja con la construcción de sistemas de inteligencia artificial que, basados en reglas y algoritmos previamente indicados, permiten detectar los llamados valores atípicos (por ejemplo, eventos que pueden, en consecuencia, amenazar el funcionamiento del sistema probado)  (Christodoulou, Szczygieł, Kłapa, Kolarz, 2018). Si el sistema fuera capaz de conocer este tipo de situaciones, en el futuro podría por sí mismo identificar posibles lugares donde se producen fenómenos indeseables, y diagnosticar sus causas, e incluso prevenirlas.

Actualmente, esta es la dirección del desarrollo de tecnología de sensores. Esto se debe en parte a la necesidad de datos detallados y, por otro lado, a una gran cantidad de datos, lo que impide un análisis rápido y sencillo. Por lo tanto, algunos de los procesos de monitoreo deben ser asumidos por máquinas. De esta manera, se crea la tecnología de sensores cognitivos. La figura 9 presenta un diagrama del funcionamiento de un sistema de análisis inteligente con el uso de sensores.

Figura 9. Diagrama del funcionamiento de un sistema de análisis inteligente con el uso de sensores

Fuente: elaboración propia basada en (Szulewski, 2018)

Cada uno de los elementos indicados en la Figura 9 (es decir, elemento de medición, elemento de computación e interfaz de comunicación) realiza funciones específicas en el sistema. El elemento de medición  mide uno o más parámetros físicos del proceso u objeto probado. Esto puede ser, por ejemplo, probar la temperatura o la humedad del aire en una sala de servidores, o probar el nivel de potencia.  El elemento computacional  analiza los valores obtenidos basándose en los parámetros previamente establecidos (valores límite). En el caso de las salas de servidores, estos pueden ser, por ejemplo, los valores de temperatura que deben mantenerse en la habitación.  El elemento de interfaz de comunicación en un sistema de medición inteligente es responsable de proporcionar retroalimentación basada en los resultados obtenidos. Por ejemplo, cuando se supera la temperatura en la sala de servidores, la información se envía al sistema de control del aire acondicionado, que gira sobre esta base. El aprendizaje de este tipo de sistemas en la sala de servidores puede basarse en muchos parámetros, cuya disposición mutua puede significar diferentes situaciones. Por ejemplo, si la temperatura del aire fuera del edificio es muy alta y permanece durante mucho tiempo, y se han reportado previamente cortes de energía, en ciertas situaciones, en la sala de servidores puede haber un corte de energía, lo que resultará en un aumento de la temperatura en la sala de servidores y el cese del funcionamiento de éstos. Por lo tanto, será necesario preparar una fuente de alimentación de emergencia.

En el aprendizaje automático, es importante poder predecir los efectos de ciertos eventos y sobre esta base indicar qué parámetros pueden ser útiles para que el sistema reaccione temprano. Por lo tanto, al construir un sistema de medición en la sala de servidores, es necesario indicar qué eventos nos gustaría evitar, y cuáles deberían ser los parámetros óptimos para el funcionamiento de todos los elementos de la sala de servidores. Sobre esta base, será posible desarrollar un conjunto de indicadores relacionados con el correcto funcionamiento de los dispositivos en la sala de servidores.

Fuente: Pixabay

Características de un sistema de medición inteligente en una sala de servidores

Como se mencionó anteriormente, los sensores inteligentes forman parte de todo el sistema de medición inteligente. El uso de un sistema de este tipo en una sala de servidores puede ser muy útil en su funcionamiento. La figura 10 muestra las características de un sistema de medición inteligente que se puede utilizar en una sala de servidores.

Figura 10.  Ejemplos de características de un sistema de medición inteligente en una sala de servidores

Fuente: elaboración propia basada en (Szulewski, 2018)

Fuente: Pixabay

¿Para qué se pueden utilizar los sensores de una sala de servidores?

Los requisitos más importantes para las salas de servidores son la fiabilidad y las capacidades de transmisión (Bartkowiak, 2011). Por esta razón, es necesario supervisar una serie de parámetros diferentes del funcionamiento tanto de la sala de servidores como de los procesos que tienen lugar en la sala de servidores (Fig. 11).

Figura 11.  Funcionamiento de los sistemas de medición en la sala de servidores

Fuente: elaboración propia

La monitorización de las salas de servidores incluye, entre otros (Kowalczyk, 2015):

1. Monitoreo de red, incl.:

• rendimiento de la red,
• el estado de los dispositivos individuales,
• rendimiento del servidor y de las aplicaciones,
• comunicación de red,

2. Monitoreo de parámetros físicos, incl.:

• temperatura
• humedad
• daños mecánicos a los cables o tuberías del refrigerante,
• estanqueidad de la instalación,
• humo
• emisiones de gases,

3. Monitoreo de energía, incl.:

• la proporción de electricidad consumida por los equipos informáticos individuales,
• consumo total de electricidad en la sala de servidores.

1) En el caso de la supervisión de la red, los sensores servirán principalmente para detectar fallos del dispositivo o problemas en la comunicación de la red, por ejemplo, una caída en la velocidad de transferencia de datos. Las razones de este tipo de falla incluyen: sobrecarga o fallo de servidores, interrupciones en la comunicación de red debido a fallos de hardware o errores humanos (Kowalczyk, 2015).

2) En el caso de la monitorización de parámetros físicos, además del control de temperatura obvio, también se recomienda controlar el estado de la humedad del aire. Las desviaciones del estado óptimo en este sentido pueden resultar en sobretensiones (cuando el aire está demasiado seco, lo que provoca la acumulación de cargas eléctricas) o cortocircuitos (cuando el aire está demasiado húmedo y el vapor de agua comienza a formarse en los dispositivos) (Chipelectronics, 2019).

3) En el caso de la supervisión de energía, puede comparar la cantidad de electricidad que consumen varios dispositivos en la sala de servidores, por ejemplo, cuánta electricidad consume la unidad central que recopila datos de los sensores para enfriarse con la cantidad de electricidad consumida por los dispositivos TIC. Por lo general, la cantidad de energía que consume cada dispositivo se mide en fuentes de alimentación ininterrumpidas o en unidades de distribución de energía (PDU).

Figura 12.  Dispositivos y aplicaciones monitoreados en la sala de servidores y sus parámetros de estado de funcionamiento

Fuente: elaboración propia basada en (Kowalczyk, 2015)

Una de las amenazas más graves que pueden ocurrir en una sala de servidores, y que se pueden detectar fácilmente mediante sensores, es el fuego. Cuando hay un peligro de incendio, un elemento importante es equipar la sala de servidores con un sistema de alerta temprana, porque incluso una pequeña cantidad de humo y vapores de componentes y cables sobrecalentados pueden dañar los dispositivos electrónicos sensibles (Bartkowiak, 2011). Durante el funcionamiento de los servidores, se libera una potencia de varios cientos de vatios en la superficie de un procesador (Bartkowiak, 2011). Esto significa que uno de los parámetros más sensibles en la sala de servidores será asegurar y mantener la temperatura adecuada, de modo que todos los elementos del sistema del servidor puedan funcionar de manera óptima y no estar expuestos al sobrecalentamiento o fusión, o como resultado, a la ignición o al polvo. Mediante el uso de sistemas DC-FMS (Data Center-Facilities Management Systems), que, al conectarse a sensores que permiten medir y leer la información de temperatura enviada por los dispositivos, es posible reaccionar temprano ante una amenaza potencialmente inminente. De esta manera, apoyan la supervisión del funcionamiento de la sala de servidores. En este caso, la sensibilidad de un sensor que mide, por ejemplo, las mediciones de humo, es bastante importante (Fig. 13).

Figura 13.  Categorías de sensibilidad en los sistemas de detección de humo según la Asociación Británica de Sistemas de Protección contra Incendios

Fuente: elaboración propia basada en (Bartkowiak, 2011)

La medición del humo se lleva a cabo utilizando un sensor de humo, que se basa en la categoría de oscurecimiento, que es la cantidad de humo que bloqueará la luz como un porcentaje en una distancia de un metro. Este valor se expresa como un porcentaje por metro (% obs./m.) (Bartkowiak, 2011 ) .