O que são sensores?

Em geral, os sensores são instrumentos de medição utilizados para captar sinais num determinado contexto de modo a fornecer informações relevantes. Os sensores são parte integrante de sistemas de medição ou sistemas de controlo, um elemento atualmente indispensável, não só no mundo da tecnologia, mas também nos negócios e na vida quotidiana.

Definição de sensor

O sensor é o primeiro elemento do percurso de medição que converte a quantidade medida num sinal de medição (Czabanowski, 2010). Por outras palavras, o sensor é o dispositivo que permite medir, convertendo o resultado desse processo num sinal passível de ser compreendido pelo dispositivo de medição.

De acordo com Czabanowski (ibidem), um sensor também pode ser designado de medidor ou transdutor. Esta última designação indica o sentido do funcionamento do sensor, ou seja, a conversão de uma quantidade fisicamente observada (ex. calor) num sinal compreensível para dispositivos de medição expressos numa “linguagem” específica de um determinado dispositivo (ex. graus Celsius) (Fig. 1).

Fig. 1. Percurso de medição – do sinal ao dispositivo de saída

Fonte: Elaboração própria, baseada em Czabanowski (2010)

A figura anterior sinaliza deliberadamente a posição do sensor em todo o processo de medição para indicar o seu importante papel na captação do sinal. De facto, os sensores são um componente integral de todo o sistema de medição, sem o qual o sistema seria de pouca utilidade. São também o primeiro elemento de todo este percurso. Além disso, o equipamento de medição e dispositivos adicionais, sem sensores eficientes, não desempenhará adequadamente a sua tarefa. O sistema de medição refere-se a todo o aparelho constituído pelos elementos de medição e dispositivos adicionais que, em conjunto, desempenham funções específicas que permitem o desenvolvimento das várias atividades (Fig. 2).

 

Fig. 2. Atividades que têm lugar em dispositivos do sistema de medição

Fonte: Elaboração própria, baseada em Czabanowski (2010)

O sinal de entrada pode ser mecânico, pneumático, luminoso ou elétrico. O processamento deste sinal consiste no seu mapeamento na chamada imagem abstrata ou no processamento da informação contida no sinal de entrada, em resultado do qual se obtém um resultado quantitativo. O resultado do processo de medição será, portanto, uma determinada quantidade expressa numa unidade de medida específica.

Processo de medição através da utilização de sensores

Os processos de medição diferem uns dos outros, tanto em função do método utilizado durante a sua implementação, como em função do método de obtenção de resultados de medição (Fig. 3).

Fig. 3. Classificação básica dos métodos de medição

Fonte: Elaboração própria, baseada em Czabanowski (2010)

A classificação do método de medição refere-se à comparação de um valor de sinal com um valor de base específico, previamente indicado. Ao utilizar uma medição, deve sempre ter presente o que ela representa, para que possa interpretar corretamente o resultado obtido. O resultado em si pode também ser obtido e capturado de várias formas. Neste caso, podemos falar de medição direta e indireta (Fig. 4).

Fig. 4. Classificação da medição no que se refere ao método de obtenção de resultados de medição

Fonte: Elaboração própria, baseada em Czabanowski (2010)

Refira-se que o método direto é mais simples do que o método indireto, permitindo uma leitura rápida e a obtenção do resultado. No caso do método indireto, é necessário converter certos valores, o que muitas vezes requer a utilização de dispositivos adicionais no processo de medição.

O curso do processo de medição depende também do tipo de sinal, ou seja, da forma em que ocorre e das alterações que nele ocorrem. Na maioria das vezes, as medições correspondem a sinais elétricos, que podem ser analógicos ou digitais, o que significa que o processo de medição exigirá o processamento do sinal de entrada.

Propriedades dos sensores

O processo de medição e o grau da sua complexidade significam que os sensores devem ser adequadamente selecionados e ter propriedades específicas (Fig. 5).

Fig. 5. Propriedades do sensor consideradas durante a sua seleção

Fonte: Skoczynski (2018)

Skoczyński refere algumas das características básicas que determinam a qualidade da medição realizada pelos sensores, designadamente: alcance (1), resolução (2) e sensibilidade (3) (Fig. 6).

Marcações: (1) alcance do sensor, (2) resolução do sensor, (3) sensibilidade do sensor

Fig. 6. Alcance, resolução e sensibilidade dos sensores

Fonte: Elaboração própria, baseada em Skoczyński (2018)

• O alcance de sensores permite definir a amplitude do valor mínimo ao máximo do sinal de entrada para obter o sinal de saída. Por outras palavras, refere-se ao alcance de medição possível com o dispositivo. O que acontece quando o alcance do sensor é excedido? Esta situação pode resultar na sua danificação ou mesmo destruição.
• A resolução do sensor é a menor alteração na quantidade medida que pode ser detetada de forma fiável pelo sensor. Por outras palavras, pode dizer-se que é o valor mínimo que o sensor pode detetar.
• A sensibilidade do sensor é expressa como a relação entre a alteração do sinal de saída (final) e a alteração do sinal de entrada. Por outras palavras, é um efeito que toma a forma de uma alteração no sinal de saída como resultado de uma alteração no sinal de entrada (por exemplo, uma alteração na magnitude física do fenómeno que medimos).

Fig. 7. Grau de precisão e de exatidão de medição

Fonte: Elaboração própria, baseada em Skoczyński (2018)

O grau de precisão de uma medição é expresso em valores de desvio-padrão. Se for pequeno, podemos falar de um elevado grau de precisão. A precisão da medição será expressa como o valor mais baixo possível do erro estatístico. Assumindo que o valor correto na Figura 7 é expresso como uma linha reta (linha preta para 100), pode-se facilmente ver qual a medida que terá o valor de erro mais baixo.

Seleção de sensores

A resposta à questão de como selecionar os dispositivos de medição apropriados dependerá da finalidade da medição. Geralmente, pode-se dizer que a informação indicada no ponto anterior, relativa à precisão e exatidão dos sensores, é o elemento inicial a considerar no processo de seleção dos dispositivos apropriados. Por outras palavras, são essenciais, mas não únicas, devendo colocar-se algumas questões quanto a certas características do sistema de medição (Fig. 8).

Fig. 8. Características do sistema de medição e questões auxiliares a considerar no processo de decisão sobre a escolha do sistema mais adequado

Fonte: Elaboração própria, baseada em Czabanowski (2010)

As respostas a estas perguntas permitir-nos-ão avaliar se um determinado sistema de medição será o mais adequado para a aplicação que prevemos para ele. É a indicação do objetivo principal da aplicação do sistema de medição que favorecerá a definição dos elementos que serão fundamentais.

Fonte: Pixabay

A utilização de sensores no Centro de Processamento Eletrónico de Dados – salas de servidores

Os sensores desempenham um papel relevante na manutenção de salas de servidores. Até há pouco tempo, muitas das atividades de proteção eram realizadas com base em decisões humanas, mas neste momento todos esses processos podem ser automatizados. Desta forma, com a utilização de sensores e equipamento de medição é possível, por exemplo:

• conseguir a proteção adequada da sala contra o acesso não autorizado (sensores de movimento, vigilância por vídeo, utilização de cartões de acesso eletrónicos, etc.);
• controlar a temperatura e humidade nas salas (utilização de sensores e aparelhos de ar condicionado acoplados);
• utilizar sistemas de extinção de incêndios (funcionando automaticamente com base na informação recebida do sistema de medição e equipado com um gás inerte);
• utilizar uma rede de alimentação separada (ligação automática com base nos dados obtidos a partir dos sensores);
• proteger contra sobretensão e corrente residual (sensores que monitorizam o estado de parâmetros específicos).

Os sensores são os elementos de todo o sistema de medição responsáveis pela criação de um sinal portador de informação sobre o estado do processo ou dispositivo monitorizado (Szulewski, Śniegulska-Grądzka, Nejman, 2019). Originalmente, foram concebidos para converter ativamente uma quantidade física selecionada (ex. a sua alteração), na maioria das vezes numa quantidade elétrica, fácil de medir e de processar (Szulewski, 2018). Atualmente, é desejável que os sensores possam não só capturar as mudanças em curso, mas também gerar feedback que o sistema de medição possa utilizar, o que está associado ao conceito de machine learning (Szulewski, 2018). Este conceito enquadra-se na construção de sistemas de inteligência artificial que, com base em regras e algoritmos previamente definidos, permitem detetar os chamados outliers (ex., eventos que podem, em consequência, ameaçar o funcionamento do sistema testado) (Christodoulou et al., 2018). Se o sistema for capaz de compreender este tipo de situação, poderá, no futuro, identificar potenciais locais onde ocorrem fenómenos indesejáveis, diagnosticar as suas causas e mesmo prevenir esses fenómenos.

Esta é, atualmente, a direção do desenvolvimento na tecnologia de sensores, nomeadamente porque são necessárias, cada vez mais, grandes quantidades de dados detalhados que não podem ser objeto de uma análise rápida e simples, mas implicam processos de monitorização por máquinas. Isto origina a tecnologia de sensores cognitivos. A figura 9 apresenta um diagrama do funcionamento de um sistema de análise inteligente com a utilização de sensores.

Fig. 9. Diagrama do funcionamento de um sistema de análise inteligente com a utilização de sensores

Fonte: Elaboração própria, baseada em Szulewski (2018)

Cada um dos elementos indicados na figura anterior (isto é, elemento de medição, elemento informático e interface de comunicação) desempenha funções específicas no sistema. O elemento de medição mede um ou mais parâmetros físicos do processo ou objeto testado. Pode referir-se, por exemplo, ao teste de temperatura ou da humidade do ar numa sala de servidores ou ao teste do nível de potência energética. O elemento informático analisa os valores obtidos com base nos parâmetros previamente definidos (valores-limite). No caso de salas de servidores, pode referir-se, por exemplo, aos valores de temperatura que devem ser mantidos na sala. O elemento de interface de comunicação num sistema de contagem inteligente é responsável por fornecer feedback com base nos resultados obtidos. Por exemplo, quando a temperatura na sala do servidor é excedida, a informação é enviada para o sistema de controlo do ar condicionado. A aprendizagem deste tipo de sistemas na sala do servidor pode ser baseada em muitos parâmetros, cuja disposição pode significar situações diferentes. Por exemplo, se a temperatura do ar fora do edifício for muito elevada e assim permanecer por muito tempo, e no caso de ter havido cortes de energia previamente comunicados, em certas situações, na sala do servidor, pode haver uma falha de energia, o que resultará tanto num aumento da temperatura, como na cessação do funcionamento dos servidores. Por conseguinte, será necessário preparar uma fonte de alimentação de emergência.

No caso da machine learning, é importante ser capaz de prever os efeitos de certos eventos e, desse modo, indicar que parâmetros podem ser úteis para que o sistema reaja atempadamente. Assim, ao construir um sistema de medição na sala do servidor, é necessário indicar que eventos gostaríamos de evitar e quais devem ser os parâmetros ideais para o funcionamento de todos os elementos da sala. Nesta base, será possível desenvolver um conjunto de indicadores relacionados com o bom funcionamento dos dispositivos.

Fonte: Pixabay

Características de um sistema de medição inteligente numa sala de servidores

Como mencionado anteriormente, os sensores inteligentes fazem parte de todo o sistema de medição inteligente. A utilização de um tal sistema numa sala de servidores pode ser muito útil para o seu funcionamento. A figura seguinte ilustra as características de um sistema de medição inteligente que pode ser utilizado numa sala de servidores.

Fig. 10. Exemplos de características de um sistema de medição inteligente numa sala de servidores

Fonte: Elaboração própria, baseada em Szulewski (2018)

Fonte: Pixabay

Para que podem ser utilizados os sensores numa sala de servidores?

Os requisitos mais importantes em salas de servidores são a fiabilidade e a capacidade de transmissão (Bartkowiak, 2011). Por este motivo, é necessário monitorizar vários parâmetros diferentes do funcionamento, tanto da sala do servidor, como dos processos que nela ocorrem (Fig. 11).

Fig. 11. Funcionamento dos sistemas de medição na sala do servidor

Fonte: Elaboração própria

A monitorização de salas de servidores inclui, entre outros aspetos (Kowalczyk, 2015):

1. Monitorização da rede:

• desempenho da rede
• estado dos dispositivos individuais
• desempenho do servidor e da aplicação
• comunicação em rede

2. Monitorização dos parâmetros físicos:

• temperatura
• humidade
• danos mecânicos em cabos ou tubos causados pelo líquido refrigerante
• estanqueidade da instalação
• fumo
• emissões de gases

3. Monitorização de energia:

• consumo de eletricidade pelo equipamento informático individual
• consumo total de eletricidade na sala do servidor

No caso da monitorização da rede, os sensores servirão principalmente para detetar falhas de dispositivos ou problemas na comunicação em rede, como por exemplo, uma queda na velocidade de transferência de dados. As razões para este tipo de falha podem resultar da sobrecarga ou falha dos servidores, perturbações na comunicação em rede devido a falha de hardware ou erro humano (Kowalczyk, 2015).

No caso de monitorização de parâmetros físicos, para além do controlo óbvio da temperatura, recomenda-se também o controlo do estado da humidade do ar. Desvios relativamente ao estado ótimo podem resultar em sobretensões (quando o ar está demasiado seco, o que provoca a acumulação de cargas elétricas) ou em curtos-circuitos (quando o ar está demasiado húmido e começa a formar-se vapor de água nos dispositivos) (Chipelectronics, 2019).

No caso de monitorização de energia, é possível comparar a quantidade de eletricidade consumida por vários dispositivos na sala do servidor, como por exemplo, o consumo de eletricidade da unidade central que recolhe os dados dos sensores para arrefecimento com o consumo de eletricidade dos dispositivos informáticos. Tipicamente, o consumo de energia de cada dispositivo é medido em fontes de alimentação ininterruptas ou em unidades de distribuição de energia (PDUs).

Fig. 12. Dispositivos e aplicações monitorizados na sala do servidor e respetivos parâmetros de estado de funcionamento

Fonte: Elaboração própria, baseada em Kowalczyk (2015)

Uma das ameaças mais graves que podem ocorrer numa sala de servidores e que pode ser facilmente detetada através de sensores é o incêndio. Quando há perigo de incêndio, é particularmente importante equipar a sala do servidor com um sistema de aviso prévio, porque mesmo uma pequena quantidade de fumo, vapores e cabos sobreaquecidos podem danificar dispositivos eletrónicos sensíveis (Bartkowiak, 2011). Durante o funcionamento dos servidores, é libertada uma potência equivalente a várias centenas de watts na superfície de um processador (Bartkowiak, 2011). Tal significa que um dos parâmetros mais sensíveis na sala do servidor será a temperatura, que deve ser a adequada para que todos os elementos do sistema do servidor possam funcionar de forma ótima e não sejam expostos a sobreaquecimento ou mesmo derretimento. Através da utilização de sistemas DC-FMS (Data Centre-Facilities Management Systems) que, pela ligação a sensores, permitem a medição e leitura da informação de temperatura enviada pelos dispositivos, torna-se possível reagir antecipadamente a uma ameaça iminente, apoiando a supervisão do funcionamento da sala do servidor. Neste caso, a sensibilidade de um sensor que mede, por exemplo, as medições de fumo, é bastante importante (Fig. 13).

Fig. 13. Categorias de sensibilidade em sistemas de deteção de fumo de acordo com a British Fire Protection Systems Association

Fonte: Elaboração própria, baseada em Bartkowiak (2011)

A medição do fumo é realizada através de um sensor que se baseia na categoria de obscurecimento, ou seja, a quantidade de fumo que bloqueia a luz em termos percentuais numa distância de um metro. Este valor é expresso em percentagem por metro (% obs./m.) (Bartkowiak, 2011).