CN106933719A - 机架气流监视***和方法 - Google Patents

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詹姆斯·威廉姆·范吉尔德
加里·R·瓦莱
詹姆士·S·斯皮塔埃尔
扎迦利·帕迪
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Abstract

本公开涉及机架气流监视***和方法。机架气流监视***配置成测量穿过具有壳体和穿孔前门以使空气能够流入壳体的内部的设备机架的气流。***包括控制模块和固定到设备机架的前门并耦合到控制模块的多个气流传感器。每个气流传感器配置成检测用于测量气流的参数并将所检测的参数传递到控制模块。控制模块配置成从在设备机架的前门处的多个气流传感器得到温度、气流速度和气流方向。

Description

机架气流监视***和方法
公开领域
本公开涉及空气冷却***，且特别是涉及目的在于监视在设备外壳或机架内的气流的方法和***。
公开背景
冷却消耗数据中心的能量支出的一大部分。这产生尽可能有效地分配在数据中心内的冷却的需要。为了达到这个目标，很多数据中心操作员依赖于气流和温度传感器来调节冷却以为服务器和用于支持服务器的机架达到足够的气流和温度。为了估计气流，一种已知的方法是假设气流与已知的气流数量(例如来自机架PDU)或估定机架功率成比例，例如125cfm/kW。虽然这种技术在整个数据中心界被广泛使用，但是这不是非常准确的。支持IT设备的设备机架可在气流中从例如40cfm/kW改变到高达300cfm/kW或更大。此外，为了最小化风扇功率，IT气流速率一般响应于入口温度和当前工作负荷而动态地改变。
估计气流的另一方法是根据实测的入口温度和出口温度连同机架功率一起计算机架气流速率。该技术涉及理解如果越过机架的净温度上升和功率都是已知的，则根据能量守恒原理(从热力学第一定律推断)气流速率也是已知的。然而，以有意义的准确度测量越过机架的温度上升非常难。由于创建具有高速度和其它“死点”的一些区的IT设备风扇的分布，测量机架排气温度特别难。该技术要求速度加权温度测量，其需要非常大量的测量位置来产生准确的测量。此外，比实际IT设备的后部更接近机架的后门进行的测量将包括大量额外的夹带空气，其不应被包括在能量/气流计算中。
公开概述
公开的一个方面目的在于配置成测量穿过具有壳体和使空气能够流入壳体的内部的穿孔前门的设备机架的气流的机架气流监视***。在一个实施方式中，***包括控制模块和固定到设备机架的前门并耦合到控制模块的多个气流传感器。每个气流传感器配置成检测用于测量气流的参数并将所检测的参数传递到控制模块。控制模块配置成从在设备机架的前门处的多个气流传感器得到温度、气流速度和气流方向。
***的实施方式还可包括在设备机架的整个前门上均匀间隔开的15个气流传感器。多个传感器可固定到设备机架的后门而不是前门。多个气流传感器可由多个缆线连接到控制模块。多个气流传感器可由电池或有线连接提供电力。控制模块可包括与设备机架和/或数据中心处理设备通信的微处理器。每个气流传感器可包括细长管、布置在管的内部内的热敏电阻器和在管的内部相邻于热敏电阻器而提供的加热器。每个气流传感器还可包括LED指示器以通知操作员特定的传感器是“热的”还是“冷的”。可使用瞬时加热和冷却方法来测量气流速率，热敏电阻器被一直加热到高于环境温度的已知增量并接着被允许以与空气速度相关的自然速率冷却。每个气流传感器还可包括加热元件以提供热源，空气方向可使用该热源来被确定。加热元件可包括电阻器。管可具有比管的直径大大约三倍的长度。管可具有0.5英寸的直径和1.5英寸的长度。***还可包括密封部件以密封在前门周围或跨服务器安装平面的间隙以确保IT气流穿过设备机架的前门流动并受到监视。***还可包括在服务器安装轨之间被固定在未被服务器占据的位置处的一个或多个空白面板。
公开的另一方面目的在于用于从气流传感器确定气流速度的过程，气流传感器包括热敏电阻器。在一个实施方式中，该过程包括：执行热敏电阻器的初始校准，直到热敏电阻器的稳态电压和稳态温度被达到为止；启动定时器；读取热敏电阻器的电压；计算热敏电阻器的环境温度；计算热敏电阻器的上电压阈值和下电压阈值以及上温度阈值和下温度阈值；将源电压施加到热敏电阻器，直到电压达到上电压阈值为止；读取热敏电阻器的电压；如果热敏电阻器的电压大于上电压阈值，则继续在预定时间段期间将源电压施加到热敏电阻器；如果热敏电阻器的电压小于上电压，则结束时间被记录，电压从热敏电阻器被移除，且特征冷却时间被计算；以及计算气流速度。
该方法的实施方式还可包括确定气流方向。确定气流方向可包括获取热敏电阻器的几个电压读数来确定稳态环境温度，一旦稳态环境温度被达到，就读取热敏电阻器的电压并将电压转换成温度以确立起始环境温度，将电压施加到与热敏电阻器流体连通的加热器，在短延迟之后读取热敏电阻器的电压，计算热敏电阻器的环境温度，如果热敏电阻器的温度增加高于阈值温度裕度，则气流方向被记录为“流入”，以及如果温度增加低于阈值温度裕度，则气流方向被记录为“流出”。阈值温度裕度可以是关于预期或最近测量的气流速度的变量。该过程还可包括通过使用在设备机架的前部上的多个传感器来计算总设备机架气流。
附图的简要说明
附图并未旨在按比例绘制。在附图中，在各种附图中示出的每个相同或几乎相同的部件由相似的数字表示。为了清楚的目的，不是每个部件都可在每个附图中被标记。在附图中：
图1A是具有本公开的实施方式的机架气流监视***的设备机架的透视图；
图1B是图1A所示的设备机架和机架气流监视***的透视图，设备机架的门在打开位置上；
图2是机架气流监视***的图；
图3是机架气流监视***的传感器的视图；
图4是在设备机架内的示例性气流输出的示意性表示；
图5是在设备机架内的示例性气流输出的示意性表示；
图6A-6F是在设备机架上的示例性传感器模式的示意图；
图7A-7J是在设备机架内的示例性IT分布的示意图；
图8是示出来自计算流体动力学(“CFD”)模拟的传感器预测的准确度的曲线图；
图9是示出在CFD模拟时间常数中的百分比误差和气流速度与管长度的关系的曲线图；
图10是热敏电阻器驱动电路的示意性表示；
图11是瞬时热敏电阻器加热和冷却分布的曲线图；
图12是用于从单个热敏电阻器确定温度和速度的过程流程图；
图13是用于确定在机架内的流入或流出的过程流程图；以及
图14是可用于执行在本文公开的过程和功能的计算机***的一个例子的方框图。
公开的详细描述
仅为了例证的目的，且不是限制一般性，现在将参考附图详细描述本公开。本公开在其应用中不限于在下面的描述中阐述的或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。在本公开中阐述的原理能够有其它实施方式并能够以各种方式被实践或实现。此外，在本文使用的短语和术语是为了描述的目的，且不应被视为限制性的。“包括(including)”、“包括(comprising)”、“具有”、“包含”、“涉及”及其变形在本文中的使用意指包括其后列出的项目及其等效形式以及额外的项目。
机架气流监视***的实施方式使容纳在设备机架内的IT设备的气流能够连续地被监视并报告给数据中心管理软件。虽然有在数据中心中的实测参数(例如温度、功率消耗、冷却单元特定数据等)的数量和质量上的稳定生长，穿过设备机架的气流速率不在它们当中。尽管有下面的事实也是如此：机架气流速率是影响数据中心冷却和因此影响能量消耗的最重要的变量之一。机架气流监视***能够管理并检修现有的数据中心，编译IT气流的数据库(未来设施可使用该数据库进行设计和管理)、创建数据中心的准确的热/气流模型以及通过数据中心冷却资源的控制来优化能量效率。机架气流监视***配置成使用固定到设备机架的热敏电阻器来测量气流，这导致气流测量容忍分散的IT群组、高度可变的IT气流速率和气流方向。***以确定气流方向(例如“进入”或“出来”)的能力来利用不昂贵的基于热敏电阻器的气流速度测量。
例如，对于热通道遏制安装***，基于热通道压力测量来控制冷却气流已证明非常难(安装***有时太易泄漏而不能提供足够的热通道吸气压力解决方案)。基于本文所述的气流测量来容易和有效地控制机架气流监视***的实施方式。机架气流监视***安装和操作起来简单，并提供极大的效率。
参考附图且更特别地参考图1A和图1B，通常以10指示示例性设备机架。如所示，设备机架10具有常规结构，包括具有用铰链固定到壳体的前部的前门14的矩形壳体12。前门14包括允许气流入和流出设备机架10的穿孔面板。壳体12的侧面包括每个以16进行指示的面板，以将空气穿过壳体引到壳体的背部或后部。壳体12的背部可配置成包括具有穿孔面板的背门或后门以允许气流出设备机架10。设备机架10配置成以传统方式支持可安装在机架上的设备。在一个实施方式中，设备机架是19英寸机架。
为了测量气流，设备机架10设置有本公开的实施方式的机架气流监视***，其通常以20进行指示。机架气流监视***20能够通过如图1A所示分布在设备机架10的前门14上的多个传感器(有时被称为“气流传感器”)得到温度、气流速度和气流方向，每个传感器以22进行指示。如所示，15个气流传感器22在设备机架10的整个前门14上均匀地间隔开。如下面将更详细描述的，可提供任何数量的气流传感器22以实现所需的气流方向。而且，虽然进行参考的是气流传感器22被设置在设备机架10的前门14上，应理解，机架气流监视***20可配置成应用于设备机架的后门或背门。
参考图2，气流传感器22由缆线连接到控制模块24，并可由电池或有线连接提供电力，每个缆线以26进行指示。如所示，控制模块24定位成沿着由前门14和壳体12界定的铰链，并可在一个实施方式中安装在前门上。在某个实施方式中，控制模块24可被硬连线到适当的电源以给气流传感器22的操作和控制模块的部件提供电力。控制模块24还可包括电池以在到控制模块的电力被切断的情况下给气流传感器的操作和控制模块提供电力。控制模块24可以是配置成接收、处理和转发来自气流传感器的读数的任何适当的计算机或微处理器。在某些实施方式中，控制模块配置成通过无线连接与设置在数据中心内的主控制器28通信，主控制器具有数据中心管理软件。气流传感器22每个包括封装在管中的热敏电阻器(用于温度和速度测量)和电阻器(确定气流方向的热源)，使得只有垂直于机架断面的气流被监视，这将在下面被更详细地描述。
参考图3，在所示实施方式中，每个气流传感器22包括细长管30、布置在管的内部的热敏电阻器32和设置成在管的内部相邻于热敏电阻器的加热器34。热敏电阻器32和加热器34可通过任何适当的方式例如粘合剂或胶或通过机械紧固件而被在管的内部固定到管30。气流传感器22还包括LED指示器36以通知操作员特定的传感器是“热的”还是“冷的”。因为热敏电阻器32的电阻取决于温度，所以温度的测量通过利用在典型角色中的热敏电阻器来实现的。使用本公开的实施方式的瞬时加热和冷却方法来测量气流速率，气流传感器22的热敏电阻器32被一直加热到高于环境温度的已知的增量，并接着被允许以可与空气速度相关的自然速率冷却。应理解，不昂贵的热敏电阻器而不是昂贵的热线式风速计的使用使本公开的***20变得部署起来更实际。额外的加热器(电阻器)34提供热源，气流方向(“流入”或“流出”)可使用该热源以下面更详细描述的方式来确定。
如上面提到的，来自机架气流监视***20的气流传感器22的气流和温度测量可无线地传输到数据中心管理软件，例如由Schneider Electric提供的用于数据中心的Operations、或专用计算机或移动应用。除了穿过设备机架10的净IT气流和进入的气流的平均温度以外，气流和温度的分布可被显示为如图4和图5所示，其示出具有六十个气流传感器的设备机架10。图4示出在设备机架10内的示例性气流输出，其中正数相应于流入设备机架内的空气，而负数相应于流出设备机架的空气。图4示出在所描绘的例子中，一些气流通过前端面离开设备机架10(由负号指示)，即在与所预期或期望的方向相反的方向流动。图5示出在设备机架10内的示例性温度输出。
空间分布数据给数据中心操作员评估冷却的均匀性并例如选择相应地将IT设备定位在特定的设备机架位置上的机会。在设备机架的前端面上的气流和温度分布可被示为精确地相应于气流传感器的数量(例如在图4和图5的例子中的60个传感器)或在设备机架的前端面上基于实测值***值。使用准确的IT气流测量和已知的设备机架功率，也可基于能量平衡来计算并报告准确的净设备机架温度升高。
除了经由(远程)软件对气流和温度数据的显示以外，机架气流监视***10配置成通过LED指示器36或上面所述的某个其它类型的本地显示器来提供实测数量的视觉指示。例如，每个气流传感器22配置有LED指示器36，每个LED指示器配置成以“黄色”点亮以识别在所推荐的和最大可允许的值之间的温度，并配置成以“红色”或“绿色”点亮以分别识别更热或更冷的温度。
在某些实施方式中，测量穿过设备机架10的前门14(与后门相对)的气流，因为引出的气流比驱动或强制气流平滑和均匀得多，以及因为在前门和服务器的前端面(服务器安装平面)之间的设备机架的前部可与泄漏气流隔离而没有极大的困难。***可设置有配置成密封在前门周围或跨服务器安装平面的任何间隙的密封部件。图1B示出沿着前门14的外边界提供的密封物38以当前门关闭时密封在前门和壳体12之间的间隙。提供对间隙的密封以确保所有IT气流穿过设备机架10的前门14，并因此受到监视。在实践中，可在改装情形中使用简单的挡风雨条和带来实现有效的密封。密封部件也可包括安装在所有被未占据的设备机架U位置上的空白面板。图1A和图1B示出设置在设备机架的侧面上的两个侧面板，每个侧面板以16进行指示。空白面部可安装在设备机架10的前部处的服务器安装板上，并挡住否则将被IT设备的前端面占据的区域。图1A和图1B示出设置在设备机架的顶部处的空白面板40。
在配置***时，考虑几个因素，包括但不限于将气流传感器限制到实际和经济的数量，只测量进入或离开(垂直于)前门的气流的分量，以及确定这个气流的方向(“进入”或“出来”)。在确定传感器分布中，CFD建模可用于确定在准确度和传感器计数之间的良好平衡。创建位于不同的但代表性的数据中心环境中的设备机架的模型(例如具有一定范围的气流速率的活地板冷却、具有一定范围的气流速率的基于行的冷却、相对于其它设备机架的位置和定向等)。在图6A-6F中示出示例性气流传感器放置，图6A示出使用60个气流传感器的机架气流监视***的实施方式，图6B示出使用20个气流传感器的机架气流监视***的实施方式，图6C示出使用30个气流传感器的机架气流监视***的实施方式，图6D示出使用15个气流传感器的机架气流监视***的实施方式，图6E示出使用5个气流传感器的机架气流监视***的实施方式，以及图6F示出使用10个气流传感器的机架气流监视***的实施方式。
对于每个环境，模拟在图6A-6F和7A-7J中所示的传感器分布和IT群组的组合。在图7A-7J中，较暗的阴影部分指示IT设备气流的位置，而较亮的阴影部分指示零气流，例如空白面板、在IT设备的前部上的“死”区域等。在图6A-6F中所示的位置处在CFD模型中创建“虚拟传感器”。虚拟传感器提供垂直于后门的速度的分量并指示(基于符号)流是“进入”还是“出来”。机架气流速率被计算为实测速度(考虑到流入和流出)的平均值与机架前门面积的乘积。速度可替代地根据它们的位置被不同地加权。例如，在门的边缘附近的气流传感器可被加权以与在门的中心附近的传感器比较对最后的气流计算有更小的影响。
图8示出一个特定的数据中心布局、即具有300cfm/铺块(tile)的铺块气流速率率的标准活地板设施的CFD分析的结果。其它数据中心布局(未示出)展示类似的趋势和特征。在±0.5％内的最佳准确度由传感器配置A提供，传感器配置A以60个均匀间隔开的传感器为特征并相应于在图6A中描绘的传感器结构。然而，相应于在图6D中描绘的传感器结构的在D中描绘的传感器结构被准确到在传感器结构A的1.4％内且只需要15个传感器，这是在经济上更适当的方法。因此，传感器结构D是***概念的优选实施方式。
***的气流传感器的配置的一个方面是确保通过将热敏电阻器放置在如图3所示的管内部来测量垂直分量。在选择如上所述的传感器分布时，传感器可配置成实现不受物理传感器的存在影响的理想结果。然而，为了选择适当的管尺寸，热敏电阻器和管组件以明确的细节被建模。第一步骤是建模在隔离中的管组件，使得冷却的速率或热敏电阻器模型的时间常数可对照速度被校准，就像物理传感器一样，这将在下面被更详细讨论。因此，执行几个瞬时CFD模拟，其中热敏电阻器被加热到高于环境的规定初始值，并接着被允许在存在穿过管的已知气流速率的情况下冷却。冷却的速率(时间常数)然后对照速度被校准，使得时间常数可以此后被直接用作速度的代理。
在一个实施方式中，选择0.5英寸的管直径，因为这提供热敏电阻器的合理间隙。使用这个固定直径(例如0.5英寸)，执行额外的(瞬时)CFD模拟，其中当气流以相对于机架前门的最坏情况45度角接近管的端部时，管长度改变。在每一情况中，记录时间常数，并从在时间常数和相应的速度之间的已知相关性确定相应的速度。此外，穿过管的真实气流速率(在垂直于设备机架门的方向上)也被记录，如由CFD模型直接测量的。图9示出与在管长度的一定范围上的真实值比较的基于热敏电阻器的速度预测的结果。虽然在小管长度处存在某个非单调行为，对于大于1.25in(2.5长度与直径比)的管长度，没有可测量的误差。因此，对于实际传感器，选择3的更保守的长度与直径比(或1.5in的管长度)。然而应理解，管的尺寸和形状可配置成实现最佳结果。
如图3所示，传感器包括电阻器，其定位成将热施加到穿过管的气流。如果热敏电阻器检测到温度增加，则气流在“进入”方向上，即如在图3中观察到的左到右。如果没有温度升高被检测到，则气流在“出来”方向上，即如在图3中观察到的右到左。注意，温度升高的量取决于气流(更多的气流、更少的气流升高，反之亦然)，所以用于记录温度升高的阈值可根据气流速率进行调整，以用于更好的测量解析。
参考图10，热敏电阻器用于温度和气流测量。Vs、V和Vth分别是外加(源)、实测和热敏电阻器电压；R、Rth和Rw分别是虚拟电阻(以进行电压测量)、热敏电阻器和引出线电阻。热敏电阻器一般用于温度测量。虽然V(而不是Vth)被测量，V和Vth可通过考虑到线电阻Rw而相关。因为Vth是已知的，或可选地，引出线电阻是可忽略的，引出线电阻被考虑到，以便提高测量准确度。热敏电阻器电阻Rth随着增加的温度而降低，与标准材料(例如金属)的电阻相反。这个关系是公知的，并可例如使用简化的Steinhart-Hart方程来表示：
其中β是与热敏电阻器结构有关的已知常数，以及V0是在已知参考温度T0下的实测参考电压。方程1根据实测电压Vth提供热敏电阻器温度。
如上面提到的，利用简单和经济的双线热敏电阻器来实现气流速度测量，双线热敏电阻器被以瞬时方式加热并被允许冷却。图11示出在速度测量期间热敏电阻器的温度分布图。热敏电阻器从环境温度T环境(或可选地，某个较高的温度)开始被加热到T热，并接着被允许通过将它的热传递到在它之上通过的气流而自然地冷却。在冷却之下的分布图的形状由被定义为下式的热敏电阻器的热时间常数τ规定：
其中M是热敏电阻器的质量，cp是热敏电阻器的比热，h是对周围流体的传热系数，以及A是暴露于周围气流的热敏电阻器的表面积。对于给定热敏电阻器，只有热传递系数h是可变的，且它(强烈地)取决于本地气流速度。因此，在冷却相期间温度分布图的形状产生时间常数，其又可与气流有关。
参考图11，对于给定构造的热敏电阻器，并非必须计算实际时间常数，其将一般通过将多个温度-时间数据点拟合到指数函数来实现。替代地，气流速度v被确定为单个值t冷——热敏电阻器通过给定温度下降T热-T冷来冷却所花费的时间——的函数。在热敏电阻器校准阶段期间，v被编译为t冷的函数，并可选地包括环境温度T环境的额外小校正。
图12示出用于从热敏电阻器确定温度和气流速度的过程。对于每个热敏电阻器，初始校准(步骤100)在***的构造之前执行，但为了完整起见被包括在本文所述的过程中。初始校准用于确定阈值温度和在热敏电阻器之上通过的气流的阈值速度。如上面讨论的，校准步骤遵循使用热敏电阻器进行的温度和气流测量的理论。进行电压读取直到稳态电压为止，且因此达到稳态温度(步骤102)。启动定时器(步骤104)，以及测量热敏电阻器的电压(步骤106)。接着，电压转换成起始环境温度(步骤108)。计算分别相应于T热和T冷(见图11)的上和下电压阈值V热和V冷(步骤110和112)。基于总ΔT热量的百分比下降例如50％来获取较低的阈值温度T冷，其中T热＝T环境+ΔT热量。
接着将源电压施加到热敏电阻器(步骤114；见图10)，直到电压被读取(步骤116)并达到V热为止(步骤118)。如果热敏电阻器电压超过V热，则Tth≤T热，回忆起热敏电阻器电阻(和因此电压)随着温度增加而降低，则电压的连续施加应用于热敏电阻器以在额外的时间延迟期间继续加热(步骤120)。可选地，如果实测电压小于V热，则T热被达到且开始时间t开始被记录(步骤122)。移除源电压(步骤124)并读取热敏电阻器电压(步骤126)。
如果热敏电阻器电压低于V冷(步骤128)，则Tth≥T冷，且延迟被施加以让热敏电阻器温度下降(步骤130)。可选地，如果实测热敏电阻器电压超过V冷，则记录结束时间t结束，且计算特征冷却时间t冷(步骤132)。最后，以对环境温度的可选的小校正从使速度v与特征冷却时间t冷相关的原始传感器校准计算空气速度(步骤134)。
与在图1A和图1B中所示的传感器组件一起，在图13中示出通过给定传感器来确定气流方向的过程。在开始该过程之前，获取几个热敏电阻器电压(温度)读数以确保热敏电阻器被维持在合理地稳态环境温度处。一旦稳态被实现，热敏电阻器电压就被读取(步骤200)并转换成温度(步骤202)，以便确立起始环境温度T0 环境。将电压施加到加热器电阻RH(步骤204)；在短延迟之后(步骤206)，读取新热敏电阻器电压(步骤208)并确定相应的环境温度T1 环境(步骤210)。如果检测到温度增加高于某个阈值ΔT裕度(步骤212)，则气流被记录为“流入”(步骤9)；否则它被考虑为“流出”(步骤214)。因为由电阻加热器产生的温度升高取决于气流速率，ΔT裕度可关于预期或最近测量的气流速度可变。
本文公开的***的实施方式包括用于针对单个传感器确定速度和流方向的过程。假设速度v在每个传感器位置处是已知的并对“流入”给与正号和对“流出”给与负号，则总机架气流速率Q净被计算为：
其中Adoor是总正面机架打开面积(即总穿孔面积)，n是传感器的数量(例如15)，以及αi是与每个传感器i相关的加权因子。在最简单的解释中，传感器被假设为均匀地分布在设备机架的端面之上，以及所有传感器位置对总气流速率相等地做贡献。在这个实例中，对于所有传感器αi＝1，以及总气流计算简化为打开门面积和所有传感器的平均速度的乘积。然而，根据设备机架形状、优选的传感器位置等，使用更复杂的加权可能是合乎需要的。在这种情况下，可根据实验通过测量和/或CFD建模来确定加权系数的最佳值。
最后，理想地，设备机架传感器将提供与设备机架前门的穿孔开口相同的对气流的阻力。这确保气流将不“避开”传感器，因为它们“看起来像”较大的流障碍物。相应地构造***概念；然而，也许可能进一步通过相应地按比例增加或减小方程3的总气流速率预测来校准传感器。例如，校准可包括允许机架气流监视***为每个单独的传感器建立与入射在那个特定传感器上的已知规定空气速度的条件相关的特定冷却时间(或热时间常数)的自动板上校准的方法(其中优选实施方式在零空气速度下执行校准，因为那是产生的最容易的条件)。此外，基于与传感器起源于的这批传感器的统计平均特性相关的特定传感器的冷却时间的数学模型使每个给定传感器的未来读数与修改的读数匹配，修改的读数可用作将冷却时间映射到空气速度的数学关系的输入。由于制造可变性，具有入射在它上的特定的空气速度的给定传感器的冷却时间可从在相同的空气速度下的任何其它传感器明显改变。当执行本文公开的方法时，这可能是个问题。***的操作员能够配置***，使得已知的空气速度(零空气速度是优选实施方式)入射在所有气流传感器上，并接着使***记录在给定空气速度下的每个气流传感器的冷却时间。***配置成将每个气流传感器的特定冷却时间与这批气流传感器的平均冷却时间进行比较，并将某个校正因子添加到来自特定气流传感器的任何未来的读数。校正因子可被确定为在某个已知的传感器群组-平均冷却时间和特定传感器的冷却时间之间的差异。
***的实施方式可包括在15个传感器位置(图1A和图1B)的每个处提供LED灯，传感器位置可被颜色编码以与例如ASHRAE准则一致。例如，蓝色或绿色LED灯可位于底部处以及红色LED在顶部处。这除了与管理软件通信以外还提供在数据中心中的良好视觉指示。在其它实施方式中，在设备机架中的服务器可通过检测服务器“哔哔声”来被自动定位。***还可包括集成在设备机架中的功率测量(rPDU)。***还可包括更高级的安全和访问控制，例如将所有访问事件报告给管理软件。本文公开的气流测量概念可扩展到其它数据中心设备，即CRAH单元和穿孔铺块。这可允许整个数据中心冷却***的智能优化。
本文所述的各种方面和功能——包括上面讨论的基于模拟的优化方法——可被包括为在一个或多个计算机***中执行的专用硬件或软件部件。例如，可以用计算机执行计算机模块24和/或上面所述的方法的一个或多个动作，其中在计算机中容纳的软件程序中执行至少一个动作。计算机***的非限制性例子除了别的以外还包括网络器具、个人计算机、工作站、大型计算机、联网客户端、服务器、媒体服务器、应用服务器、数据库服务器和web服务器。计算机***的其它例子可包括移动计算设备(例如蜂窝电话和个人数字助理)以及网络设备(例如负载平衡器、路由器和交换机)。此外，方面可位于单个计算机***上或可分布在连接到一个或多个通信网络的多个计算机***当中。
例如，各种方面和功能可分布在配置成向一个或多个客户端计算机提供服务或执行总任务作为分布式***的部分的一个或多个计算机***。此外，方面可在包括分布在执行各种功能的一个或多个服务器***当中的部件的客户端-服务器或多层***上被执行。因此，例子不限于在任何特定的***或***组上执行。此外，方面和功能可在软件、硬件或固件或其任何组合中实现。因此，方面和功能可使用各种硬件和软件配置在方法、行动、***、***元件和部件内实现，且例子不限于任何特定的分布式架构、网络或通信协议。
参考图14，示出分布式计算机***500的方框图，其中各种方面和功能被实施。如所示，分布式计算机***500包括交换信息的一个或多个计算机***。更具体地，分布式计算机***500包括计算机***/设备502、504和506。如所示，计算机***/设备502、504和506由通信网络508互连并可通过通信网络508交换数据。网络508可包括任何通信网络，计算机***可通过通信网络交换数据。为了使用网络508交换数据，计算机***/设备502、504和506和网络508可使用各种方法、协议和标准，除了别的以外还包括光纤通道、令牌环、以太网、无线以太网、蓝牙、IP、IPV6、TCP/IP、UDP、DTN、HTTP、FTP、SNMP、SMS、MMS、SS7、JSON、SOAP、CORBA、REST和Web服务。为了确保数据传输是安全的，计算机***502、504和506可经由网络508使用各种安全措施例如TLS、SSL或VPN来传输数据。虽然分布式计算机***500示出三个联网计算机***，分布式计算机***500并不被这样限制并可包括使用任何介质和通信协议联网的任何数量的计算机***和计算设备。
如图14所示，计算机***502包括处理器510、存储器512、互连元件514、接口516和数据存储元件518。为了实现本文公开的方面、功能和过程中的至少一些，处理器510执行导致***纵的数据的一系列指令。处理器510可以是任何类型的处理器、多处理器或控制器。一些示例处理器包括市场上可买到的处理器，例如Intel Atom、Itanium、Core、Celeron或Pentium处理器、AMD Opteron处理器、Apple A4或A5处理器、Sun UltraSPARC或IBM Power5+处理器和IBM大型机芯片。处理器510由互连元件514连接到其它***部件，包括一个或多个存储器设备512。
存储器512在计算机***502的操作期间存储程序和数据。因此，存储器512可以是相对高性能、易失性、随机存取存储器例如动态随机存取存储器(“DRAM”)或静态存储器(“SRAM”)。然而，存储器512可包括用于存储数据的任何设备，例如磁盘驱动器或其它非易失性存储设备。各种例子可将存储器512组织成特殊化的和在一些情况下唯一的结构以执行本文公开的功能。这些数据结构可依尺寸被制造并组成以存储特定数据和特定类型的数据的值。
计算机***502的部件由互连元件(例如互连元件514)耦合。互连元件514可包括一个或多个物理总线，例如在集成在同一机器内的部件之间的总线，但可包括在***元件之间耦合的任何通信，包括专用或标准计算总线技术，例如IDE、SCSI、PCI和InfiniBand。互连元件514使通信(例如数据和指令)能够在计算机***502的***部件之间交换。
计算机***502还包括一个或多个接口设备516，例如输入设备、输出设备和输入/输出设备的组合。接口设备可接收输入或提供输出。更特别地，输出设备可再现信息用于外部显现。输入设备可从外部源接收信息。接口设备的例子包括键盘、鼠标设备、轨迹球、麦克风、触摸屏、打印设备、显示屏、扬声器、网络接口卡等。接口设备允许计算机***502交换信息并与外部实体(例如用户和其它***)通信。
数据存储元件518包括计算机可读和可写非易失性或非临时数据存储介质，其中存储定义由处理器510执行的程序或其它对象的指令。数据存储元件518还可包括被记录在介质上或在介质中并由处理器510在程序的执行期间处理的信息。更具体地，信息可存储在特别配置成节省存储空间或增加数据交换性能的一个或多个数据结构中。指令可永久地被存储为编码信号，且指令可使处理器510执行本文所述的任何功能。介质可以例如是光盘、磁盘或闪存等。在操作中，处理器510或某个其它控制器使数据从非易失性记录介质被读取到另一存储器(例如存储器512)内，该另一存储器比被包括在数据存储元件518中的存储介质允许由处理器510对信息的更快访问。存储器可位于数据存储元件518中或存储器512中，然而，处理器510操纵在存储器内的数据，并接着在处理完成之后将数据复制到与数据存储元件518相关的存储介质。各种部件可管理在存储介质和其它存储元件之间的数据移动，且例子不限于特定的数据管理部件。此外，例子不限于特定的存储器***或数据储存器***。
虽然计算机***502作为例子被示为各种方面和功能可被实施的一种类型的计算机***，方面和功能不限于在计算机***502上实现。各种方面和功能可在具有与在图14中所示的架构或部件不同的架构或部件的一个或多个计算机上被实施。例如，计算机***502可包括特别编程的专用硬件，例如适合于执行本文公开的特定操作的专用集成电路(“ASIC”)。虽然另一例子可使用以IBM PowerPC处理器运行MAC OS X的几个通用计算设备和运行专用硬件和操作***的几个专用计算设备的网格执行相同的功能。
计算机***502可以是包括管理被包括在计算机***502中的硬件元件的至少一部分的操作***。在一些例子中，处理器或控制器(例如处理器510)执行操作***。可被执行的特定的操作***的例子包括从微软公司可得到的基于Windows的操作***，例如Windows 8操作***、从苹果计算机可得到的MAC OS X操作***或iOS操作***、从Red Hat有限公司可得到的很多基于Linux的操作***分布，例如企业Linux操作***、从SunMicrosystems可得到操作***或从各种源可得到的UNIX操作***。可使用很多其它操作***，且例子不限于任何特定的操作***。
处理器510和操作***一起定义计算机平台，对计算机平台的应用程序用高级编程语言被编写。这些部件应用可以是使用通信协议，例如TCP/IP，通过通信网络，例如互联网，传递的可执行的、中间、字节代码或解释代码。类似地，可使用面向对象的编程语言，例如.Net、SmallTalk、Java、C++、Ada、C#(C-Sharp)、Python或JavaScript，来实现方面。也可使用其它面向对象的编程语言。可选地，可使用功能、脚本或逻辑编程语言。
此外，可以在非编程环境(例如以HTML、SML或其它格式)创建的文档中实现各种方面和功能，文档在浏览器程序的窗口中被观看时可再现图形用户界面的方面或执行其它功能。此外，各种例子可被实现为编程或非编程元素或其任何组合。例如，可使用HTML来实现网页，虽然从网页内调用的数据对象可以用C++或Python被编写。因此，例子不限于特定的编程语言，且可使用任何适当的编程语言。相应地，本文公开的功能部件可包括配置成执行本文所述的功能的各种元素，例如专用硬件、可执行代码、数据结构或对象。
在一些例子中，在本文公开的部件可读取影响由部件执行的功能的参数。这些参数可物理地存储于任何形式的适当存储器，包括易失性存储器(例如RAM)或非易失性存储器(例如磁性硬盘驱动器)。此外，参数可在逻辑上存储在专用数据结构(例如由用户模式应用定义的数据库或文件)中或在普遍共享的数据结构(例如由操作***定义的应用寄存器)中。此外，一些例子提供允许外部实体修改参数并从而配置部件的行为的***和用户接口。
应观察到，本文公开的***和方法能够连续地监视流经在设备机架中的IT设备的空气的流速、方向和温度。这个数据除了别的事情以外又可用于：
1)管理并检修现有的数据中心；
2)编译IT气流的数据库，未来的设施可使用该数据库进行设计和管理；
3)准确地输入数据中心的热/气流模型，其提供额外的设计和操作益处；以及
4)控制数据中心冷却资源以优化能量效率。
在一个实施方式中，***包括分布在设备机架的整个前门上的15个气流/温度传感器，其指示机架气流和入口温度的分布和聚合值。***可被构造为完整的设备机架、替换设备机架前门或对现有设备机架的改造。
***包括连续地测量总机架气流速率的能力。气流测量容许IT设备的分散的IT群组和/或高度可变的IT气流速率和“反向”气流的存在以及平行于机架前门的强气流分量。使用能量有效瞬变方法使用不昂贵的简单双线热敏电阻器来进行气流测量。额外的电阻器提供允许流方向被检测的热源。
本领域中的技术人员将容易认识到，本文所述的各种参数和配置旨在示例性的，以及实际参数和配置将取决于特定的应用，对该特定的应用使用目的在于本公开的气流故障检测方法和***的实施方式。本领域中的技术人员将认识到或能够确定使用仅仅例程实验，对本文所述的特定实施方式的很多等效形式。例如，本领域中的技术人员可认识到，根据本公开的实施方式还可包括多个功率模块或功率模块的网络，或可包括使用功率模块的生产过程的部件。因此应理解，前述实施方式仅作为例子被提出，以及在所附权利要求和对其的等效形式的范围内，所公开的气流故障检测方法和***可以不同于如特别描述的被实施。本***和方法目的在于本文所述的每个单独的特征或方法。此外，两个或多个这样的特征、装置或方法的任何组合——如果这样的特征、装置或方法不相互不一致——被包括在本公开的范围内。
此外，应认识到，本领域中的技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。这样的变更、修改和改进被认为是本公开的部分，且被认为在本公开的精神和范围内。例如，现有的过程可被修改以利用或合并本公开的任一个或多个方面。因此，在一些实施方式中，实施方式可涉及连接或配置现有的过程以包括气流故障检测方法和***。例如，现有的空气冷却过程可被改造以涉及根据一个或多个实施方式的故障检测方法的使用。相应地，前述描述和附图仅作为例子。此外，在附图中的描绘并不将本公开限制到特别示出的表示。
虽然已经公开了示例性实施方式，但是可在其中进行很多修改、添加和删除而不偏离本公开及其等效形式的精神和范围，如在下面的权利要求中阐述的。

Claims (20)

1.一种机架气流监视***，其配置成测量穿过设备机架的气流，所述设备机架具有壳体和穿孔前门以使空气能够流入所述壳体的内部，所述***包括：
控制模块；以及
多个气流传感器，其固定到所述设备机架的所述前门并耦合到所述控制模块，每个气流传感器配置成检测用于测量气流的参数并将所检测的参数传递到所述控制模块，
其中所述控制模块配置成从在所述设备机架的所述前门处的所述多个气流传感器得到温度、气流速度和气流方向。
2.如权利要求1所述的***，其中所述多个气流传感器包括在所述设备机架的整个所述前门上均匀间隔开的十五个气流传感器。
3.如权利要求1所述的***，其中所述多个传感器固定到所述设备机架的后门而不是所述前门。
4.如权利要求1所述的***，其中所述多个气流传感器由多个缆线连接到所述控制模块。
5.如权利要求1所述的***，其中所述多个气流传感器通过电池或有线连接提供电力。
6.如权利要求1所述的***，其中所述控制模块包括与设备机架和/或数据中心处理设备通信的微处理器。
7.如权利要求1所述的***，其中每个气流传感器包括细长管、布置在所述管的内部的热敏电阻器和在所述管的内部邻近所述热敏电阻器设置的加热器。
8.如权利要求7所述的***，其中每个气流传感器还包括LED指示器以通知操作员特定的传感器是“热的”还是“冷的”。
9.如权利要求7所述的***，其中气流速率被使用瞬时加热和冷却方法来测量，所述热敏电阻器被一直加热到高于环境温度的已知增量并接着被允许以能够与空气速度相关的自然速率冷却。
10.如权利要求9所述的***，其中每个气流传感器还包括加热元件以提供热源，气流方向可使用该热源来被确定。
11.如权利要求10所述的***，其中所述加热元件包括电阻器。
12.如权利要求7所述的***，其中所述管具有比所述管的直径大大约三倍的长度。
13.如权利要求12所述的***，其中所述管具有0.5英寸的直径和1.5英寸的长度。
14.如权利要求1所述的***，还包括密封部件以密封在所述前门周围或跨服务器安装平面的间隙以确保IT气流穿过所述设备机架的前门流动并受到监视。
15.如权利要求14所述的***，还包括待被在服务器安装轨之间固定在未被服务器占据的位置处的一个或多个空白面板。
16.一种用于从气流传感器确定气流速度的过程，所述气流传感器包括热敏电阻器，所述过程包括：
执行所述热敏电阻器的初始校准，直到所述热敏电阻器的稳态电压和稳态温度被达到为止；
启动定时器；
读取所述热敏电阻器的电压；
计算所述热敏电阻器的环境温度；
计算所述热敏电阻器的上电压阈值和下电压阈值以及上温度阈值和下温度阈值；
将源电压施加到所述热敏电阻器，直到所述电压达到上电压阈值为止；
读取所述热敏电阻器的电压；
如果所述热敏电阻器的电压大于所述上电压阈值，则继续在预定时间段期间将所述源电压施加到所述热敏电阻器；
如果所述热敏电阻器的电压小于所述上电压，则结束时间被记录，所述电压从热敏电阻器被移除，且特征冷却时间被计算；以及
计算气流速度。
17.如权利要求16所述的过程，还包括确定气流方向。
18.如权利要求17所述的过程，其中确定所述气流方向包括：
获取所述热敏电阻器的几个电压读数来确定稳态环境温度，
一旦稳态环境温度被取得，就读取所述热敏电阻器的电压并将所述电压转换成温度以确立起始环境温度，
将电压施加到与所述热敏电阻器流体连通的加热器，
在短延迟之后读取所述热敏电阻器的电压，
计算所述热敏电阻器的环境温度，
如果所述热敏电阻器的温度增加高于阈值温度裕度，则所述气流方向被记录为“流入”，以及
如果温度增加低于阈值温度裕度，则所述气流方向被记录为“流出”。
19.如权利要求18所述的过程，其中所述阈值温度裕度是关于预期或最近测量的气流速度的变量。
20.如权利要求16所述的过程，还包括通过使用在所述设备机架的前部上的多个传感器来计算总设备机架气流。
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