Čo sú senzory?

Vo všeobecnosti sú senzory, resp. snímače meracie nástroje, ktoré sa používajú na zachytávanie signálov konkrétneho typu z prostredia a ktoré nám poskytujú dôležité informácie. Snímače sú neoddeliteľnou súčasťou väčších meracích systémov alebo riadiacich systémov/regulácií, ktoré sú v súčasnosti neodmysliteľným prvkom používaným nielen vo svete technológií, ale aj v podnikaní, a aj v každodennom živote.

Definícia snímača

Snímač je prvým elementom meracej cesty, ktorý prevádza meranú veličinu na merací signál (Czabanowski, 2010). Inými slovami, je to zariadenie, ktoré zabezpečuje, aby predmet nášho skúmania alebo merania dokázalo meracie zariadenie zaznamenať tým, že  ho premení na signál, ktorému dané zariadenie rozumie.

Podľa R. Czabanowski, snímačom môžeme nazývať aj meradlo alebo merací prevodník fyzikálnej veličiny. Druhý názov naznačuje zmysel senzorickej operácie, t.j. prevod fyzikálne pozorovanej veličiny (napr. tepla) na signál, ktorým meracie zariadenia rozumejú a ktoré sú vyjadrené špecifickým “jazykom” daného zariadenia (napr. jednotkou teploty, stupňami Celzia) (Obrázok 1).

Obrázok 1. Meracia cesta – od signálu po výstupné zariadenie

Zdroj: Vlastné spracovanie na základe (Czabanowski, 2010)

Vyššie uvedený graf zámerne vymedzuje miesto snímača v celom meracom aparáte, aby zdôraznil jeho dôležitú úlohu pri zachytávaní signálu. V skutočnosti sú snímače/senzory neoddeliteľnou zložkou uceleného meracieho systému, bez ktorého by našli veľmi malé samostatné využitie. Zároveň sú vždy prvým elementom na celej meracej ceste. Rovnako ani meracie zariadenie a ďalšie prístroje nedokážu plniť svoje funkcie bez účinných snímačov. Je potrebné poznamenať, že merací systém je ucelený aparát, pozostávajúci z meracích zariadení a ďalších prístrojov, ktoré v spolupráci so všetkými prvkami vykonávajúcimi konkrétne funkcie, umožňuje realizáciu niekoľkých dôležitých činností (Obrázok 2).

Obrázok 2. Činnosti prebiehajúce v zariadeniach meracieho systému

 

Zdroj: Vlastné spracovanie na základe (Czabanowski, 2010)

Vstupný signál, t.j. signál prichádzajúci z prostredia, môže byť mechanický, vzduchový, svetelný alebo elektrický. Spracovanie takého signálu spočíva v jeho zmapovaní do tzv. abstraktného obrazu alebo úprave informácie z fyzikálnej oblasti meranej veličiny takým spôsobom, že výsledkom je kvantitatívna veličina. Výsledkom merania a procesu spracovania preto bude určitá kvantitatívna hodnota vyjadrená konkrétnou meracou jednotkou.

Proces merania pomocou senzorov 

Meracie procesy sa navzájom odlišujú a závisia na použitej meracej metóde, aj na metóde získavania meracích výsledkov. (Obrázok 3).

Obrázok 3. Základná klasifikácia meracích metód

Zdroj: Vlastné spracovanie na základe (Czabanowski, 2010)

Klasifikácia metód merania, ktorú na účely tohto kurzu nazývame “jadrom“ (angl. core), sa vzťahuje sa na porovnanie hodnoty signálu s konkrétnou nameranou východiskovou hodnotou. Pri meraní je vždy potrebné si uvedomiť o aké meranie ide, aby sme mohli správne interpretovať nameraný výsledok. Samotný výsledok sa tiež dá získať a zachytiť rôznymi spôsobmi. V danom prípade hovoríme o priamom a nepriamom meraní.      (Obrázok 4).

Obrázok 4. Klasifikácia metód merania s ohľadom na spôsob získavania výsledkov merania

 

Zdroj: Vlastné spracovanie na základe (Czabanowski, 2010)

Je treba poznamenať, že priama metóda je jednoduchšia ako nepriama a umožňuje rýchle čítanie a stanovenie výsledku. U nepriamej metódy je potrebné isté hodnoty previesť, prepočítať, čo si v procese merania často vyžaduje použitie ďalších zariadení.

Priebeh meracieho procesu závisí aj na type signálu, t.j. forme, v ktorej sa vyskytuje a spôsobe, ako sa mení. Najčastejšie sa pri meraní stretávame s elektrickými signálmi, buď v analógovej alebo digitálnej podobe. Všetko to však znamená, že proces merania si vyžaduje spracovanie vstupného signálu.

Vlastnosti snímačov

Proces merania a miera jeho zložitosti adekvátne podmieňujú výber snímačov a ich špecifické vlastnosti (Obrázok 5).

Obrázok 5. Vlastnosti posudzované pri výbere snímačov

 

Zdroj: (Skoczyński, 2018)

V súvislosti so snímačmi W. Skoczyński upriamuje pozornosť na niekoľko základných charakteristík snímačov, ktoré určujú kvalitu vykonávaného merania. Sú to: rozsah (1), rozlíšenie (2) a citlivosť (3) (Obrázok 6).

Obrázok 6. Rozsah, rozlíšenie a citlivosť snímačov

Označenie: (1) rozsah snímača (2) rozlíšenie snímača (3) citlivosť snímača

Zdroj: Vlastné spracovanie na základe (Skoczyński, 2018)

 

Rozsah snímača (1) umožňuje definovať, od ktorých minimálnych po ktoré maximálne hodnoty vstupného signálu je možné získať výstupný signál. Inak povedané, je to rozsah merania, ktorý zariadenie umožňuje. Čo sa stane, keď sa prekročí rozsah snímača? Táto situácia môže viesť k poškodeniu, prípadne aj k úplnému zničeniu snímača.

Rozlíšenie snímača (2) je najmenšia zmena meranej veličiny, ktorú tento snímač dokáže spoľahlivo zistiť a zachytiť (Skoczyński, 2018). Inak sa dá aj povedať, že je to hodnota, ktorú ešte snímač dokáže zistiť a zaznamenať, a pokiaľ je nižšia, snímač nezaznamená žiadnu zmenu.

Citlivosť snímača (3) sa vyjadruje ako pomer zmeny výstupného (konečného) signálu a zmeny vstupného signálu. Inak povedané, je to následok alebo účinok, ktorý nadobúda podobu zmeny výstupného signálu v dôsledku zmeny vstupného signálu (napr. zmena hodnoty fyzikálnej veličiny meraného javu).

Obrázok 7. Miera zhodnosti (správnosti) merania a presnosť merania

Zdroj: Vlastné spracovanie na základe (Skoczyński, 2018)

Miera zhodnosti (správnosti) merania sa vyjadruje pomocou štandardných hodnôt odchýlok. Ak je malá, môžeme hovoriť o vysokej miere zhodnosti (správnosti). Presnosť merania bude vyjadrená najnižšou možnou hodnotou štatistickej chyby. Ak predpokladáme, že správna hodnota na Obrázku 7 je znázornená rovnou čiarou (čierna čiara pri hodnote 100), je ľahké vidieť, ktoré meranie bude mať najnižšiu hodnotu chyby.

Výber snímačov

Odpoveď na otázku ako vyberať vhodné meracie zariadenia bude závisieť na účele merania. Vo všeobecnosti sa dá povedať, že informácie uvedené v predchádzajúcom bode, týkajúce sa správnosti a presnosti snímačov, sú východiskom v procese výberu vhodných zariadení. Inými slovami, tieto údaje sú podstatné, avšak nie sú jediným usmernením, ktoré je potrebné zvažovať. Z tohto hľadiska je vhodné si v súvislosti s konkrétnymi charakteristikami meracieho systému položiť niekoľko otázok (Obrázok 8).

Obrázok. 8. Charakteristiky meracieho systému a pomocné otázky                                               v procese rozhodovania o výbere najoptimálnejšieho systému

 

Zdroj: Vlastné spracovanie na základe (Czabanowski, 2010)

Odpovede na tieto otázky nám umožnia posúdiť, či bude daný merací systém z hľadiska použitia, o ktorom do budúcnosti uvažujeme najoptimálnejší. Určenie hlavného účelu, na ktorý má byť merací systém používaný, rozhodne o určení prvkov, ktoré budú pre neho kľúčové.

Zdroj: Pixabay

Použitie snímačov v Centre spracovania elektronických údajov – v serverových miestnostiach

Snímače zohrávajú významnú úlohu pri obsluhe a údržbe serverových miestností. Donedávna sa mnohé ochranné činnosti vykonávali na základe konkrétnych ľudských rozhodnutí, dnes sú všetky tieto procesy automatizované. Využitím snímačov a meracích zariadení je takto možné, okrem iného:

• zabezpečiť primeranú ochranu miestnosti pred neoprávneným prístupom (využitím pohybových senzorov, dohľadom pomocou videokamier, použitím elektronických prístupových kariet a pod.),
• ovládať teplotu a vlhkosť v miestnostiach (využitím snímačov teploty a s nimi prepojených vzduchotechnických zariadení),
• využívať požiarne hasiace systémy (ktoré sú automatizované, fungujú na základe informácie získanej z meracieho systému a sú vybavené inertnými plynom),
• využívať oddelenú sieť elektrického napájania (automatické zapnutie na základe získaných údajov zo snímačov),
• zabezpečiť ochranu pred prepätím a zostatkovým prúdom (využitím snímačov, ktoré monitorujú stav určených parametrov).

Snímače predstavujú tie prvky uceleného meracieho systému, ktoré zodpovedajú za vytvorenie signálu, nesúceho informáciu o stave monitorovaného procesu alebo zariadenia (Szulewski, Śniegulska-Grądzka, Nejman, 2019). Pôvodne boli navrhnuté na aktívny prevod vybranej fyzikálnej veličiny (napr. jej zmeny), najčastejšie na ľahko merateľnú a ďalej spracovateľnú elektrickú veličinu (Szulewski, 2018). V súčasnosti sa vyžaduje, aby snímače, teda senzory nielen zachytávali prebiehajúce zmeny, ale aj sami vytvárali, generovali spätnú väzbu, ktorú môže merací systém v budúcnosti využiť. Súvisí to s tzv. strojovým učením (angl.  machine learning) (Szulewski, 2018). Tento pojem úzko súvisí aj s konštrukciou umelých inteligenčných systémov (angl. artificial intelligence systems), ktoré na základe vopred určených pravidiel a algoritmov umožňujú zistiť tzv. extrémne alebo výrazne odlišné výsledky (angl.  outliers), napríklad zaznamenať udalosti,  ktoré vo svojom dôsledku môžu ohroziť fungovanie testovaného systému (Christodoulou, Szczygieł, Kłapa, Kolarz, 2018). Keby bol systém schopný osvojiť si takýto typ situácie, v budúcnosti by sám dokázal identifikovať potenciálne miesta výskytu nežiaducich javov, diagnostikovať ich príčiny a dokonca im predchádzať.

Toto je v súčasnosti smer, ktorým sa uberá vývoj senzorových technológií. Čiastočne je to spôsobené potrebou získavania podrobných údajov, a na druhej strane aj obrovským množstvom dát, ktoré bráni ich rýchlej a jednoduchej analýze. Preto musia stroje prevziať niektoré z monitorovacích procesov a takto sa dnes vytvára kognitívna senzorová technológia. Na Obrázku 9 je znázornený diagram fungovania inteligentného analytického systému s využitím snímačov, resp. senzorov.

Obrázok 9. Diagram fungovania inteligentného analytického systému s využitím snímačov

 

Zdroj: Vlastné spracovanie na základe (Szulewski, 2018)

Každý z prvkov zobrazených na Obrázku 9 (t.j. merací prvok, výpočtový prvok a komunikačné rozhranie) vykonáva v systéme určené funkcie. Merací prvok meria jednu alebo viacero fyzikálnych parametrov testovaného procesu alebo predmetu. Môže to byť napríklad testovanie teploty alebo vlhkosti vzduchu v serverovej miestnosti alebo testovanie výkonovej úrovne. Výpočtový prvok analyzuje získané hodnoty na základe vopred nastavených parametrov (medzných, hraničných hodnôt). V prípade serverových miestností, to môžu byť napríklad hodnoty teplôt, ktoré sa majú v miestnostiach dodržiavať. Komunikačné rozhranie je v inteligentnom meracom systéme prvok, ktorý je zodpovedný za poskytnutie spätnej väzby na základe zaznamenaných výsledkov.

Keď sa napríklad prekročí povolená teplota v serverovej miestnosti, informácia sa pošle do systému ovládania vzduchotechniky, ktorý sa takto automaticky zapne. Zisťovanie u týchto typov systémov v serverových miestnostiach môže byť založené na mnohých ukazovateľoch alebo parametroch, ktorých vzájomné pôsobenie môže viesť k rôznym situáciám – ak je napríklad vonkajšia teplota vzduchu mimo budovy veľmi vysoká a ostáva takáto dlhšiu dobu, a už predtým boli nahlásené viaceré výpadky v dodávke elektriny, za istých okolností môže v serverovni tiež dôjsť tiež k výpadku elektriny, čoho následkom môže byť zvýšenie teploty v miestnosti, ale zároveň aj výpadok a porucha v prevádzke serverov. Bude preto potrebné pripraviť záložný zdroj napájania pre núdzové prípady.

Pri strojovom učení je dôležité vedieť predvídať následky istých udalostí a na základe toho určiť, ktoré parametre sú dôležité, aby ich systém sledoval a včas na zareagoval. Pri budovaní meracieho systému v serverovni je teda potrebné určiť, akým udalostiam sa chcem vyhnúť a aké by mali byť optimálne parametre pre fungovanie všetkých prvkov v tejto miestnosti. Až na základe toho bude možné vypracovať súbor ukazovateľov na riadnu  prevádzku zariadení v serverovej miestnosti.

Zdroj: Pixabay

Vlastnosti inteligentného meracieho systému v serverovej miestnosti

Ako sme už uviedli, inteligentné snímače sú súčasťou uceleného inteligentného meracieho systému. Využitie takého systému v serverovej miestnosti môže byť veľmi užitočné pri jej prevádzke. Obrázok 10 znázorňuje charakteristiky inteligentného meracieho systému, ktorý sa dá využiť v serverovej miestnosti.

Obrázok 10. Príklady vlastností inteligentného meracieho systému v serverovej miestnosti

 

Zdroj: Vlastné spracovanie na základe (Szulewski, 2018)

Zdroj: Pixabay

Na čo sa dajú využiť snímače v serverovej miestnosti?

Najdôležitejšími požiadavkami na serverovne sú spoľahlivosť a prenosové možnosti (Bartkowiak, 2011). Z tohto dôvodu je potrebné monitorovať množstvo rôznych parametrov fungovania týchto miestností, aj v nich prebiehajúcich procesov  (Obrázok 11).

Obrázok 11. Fungovanie meracích systémov v serverovej miestnosti

Zdroj: Vlastné spracovanie

Monitorovanie serverovej miestnosti okrem iného zahŕňa (Kowalczyk, 2015):

1. Monitorovanie siete, vrátane:

• výkonnosti siete,
• stavu jednotlivých zariadení,
• výkonu servera a aplikácií,
• sieťovej komunikácie.

2. Monitorovanie fyzikálnych parametrov, vrátane:

• teploty,
• vlhkosti,
• mechanického poškodenia káblov alebo potrubia chladiacou kvapalinou,
• tesnosti inštalácie,
• dymu,
• emisií plynov.

3. Monitorovanie výkonu, vrátane:

• pomerného podielu elektrickej energie spotrebovanej jednotlivými zariadeniami IT,
• celkovej spotreby elektrickej energie v serverovni.

Ad 1) V prípade monitorovania siete budú snímače slúžiť predovšetkým na zisťovanie porúch zariadení alebo problémov v sieťovej komunikácii, napr. zistenie poklesu rýchlosti prenosu dát. Tieto typy porúch sú zapríčinené preťažením alebo poruchou serverov, prerušením sieťovej komunikácie v dôsledku zlyhania hardvéru alebo ľudského omylu (Kowalczyk, 2015).

Ad 2) V prípade monitorovania fyzikálnych parametrov sa okrem samozrejmej kontroly teploty odporúča kontrolovať aj stav vlhkosti vzduchu. Odchýlky od optimálneho stavu v danom prípade môžu viesť k prepätiu (keď je vzduch príliš suchý, čo spôsobí nahromadenie elektrických nábojov), alebo k skratom (keď je vzduch príliš vlhký a na zariadeniach sa začne vytvárať vodná para) (Chipelectronics, 2019).

Ad 3) V prípade monitorovania výkonu je možné porovnávať spotrebu elektrickej energie na rôznych zariadeniach v serverovej miestnosti, napr. koľko elektrickej energie spotrebuje centrálna jednotka zbierajúca údaje zo snímačov na chladenie s množstvom elektrickej energie, ktorú spotrebujú zariadenia IT. Zvyčajne sa množstvo energie, ktoré spotrebujú jednotlivé zariadenia, meria buď na nepretržitých zdrojoch napájania, alebo na jednotkách rozvodu elektriny (PDU).

Obrázok 12. Zariadenia a aplikácie monitorované v serverovej miestnosti a parametre ich prevádzkového stavu

Zdroj: Vlastné spracovanie na základe (Kowalczyk, 2015)

Jednou z vážnejších hrozieb, ktoré sa môžu v serverovniach vyskytnúť a ktoré možno ľahko odhaliť pomocou senzorov, je požiar. V prípade nebezpečenstva požiaru je dôležitým prvkom vybavenie serverovne systémom včasného varovania, pretože aj malé množstvo dymu a pár z prehriatych komponentov a káblov môže poškodiť citlivé elektronické zariadenia (Bartkowiak, 2011). Počas prevádzky serverov sa na povrchu jedného procesora uvoľňuje výkon niekoľko stoviek wattov (Bartkowiak, 2011). To znamená, že jedným            z najcitlivejších parametrov v serverovej miestnosti bude zabezpečenie a udržiavanie vhodnej teploty tak, aby všetky prvky serverového systému mohli optimálne pracovať a neboli vystavené prehriatiu alebo roztaveniu, prípadne v dôsledku toho vznieteniu alebo zaprášeniu. Prostredníctvom systémov DC-FMS (Data Centre-Facilities Management Systems), ktoré vďaka pripojeniu k snímačom umožňujú meranie a čítanie informácií            o teplote odosielaných zariadeniami, je možné včas reagovať na potenciálne hroziace nebezpečenstvo. Týmto spôsobom tieto systémy uľahčujú dohľad nad prevádzkou serverovej miestnosti. V danom prípade je pomerne dôležitá aj citlivosť snímača, ktorý meria výskyt dymu (Obrázok 13).

Obrázok 13. Kategórie citlivosti v systémoch detekcie dymu podľa Britskej asociácie systémov požiarnej ochrany

 

Zdroj: Vlastné spracovanie na základe (Bartkowiak, 2011)

Meranie dymu sa vykonáva pomocou snímača dymu, ktorý je založený na kategórii zatienenia, čo je množstvo dymu, ktoré v percentách zakryje svetlo na vzdialenosť jedného metra. Táto hodnota sa vyjadruje v percentách na meter (% obs./m) (Bartkowiak, 2011).