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Un efficiente rivelatore di gas a sistemi di allarme generici, tecnologici e antifurto…
Poter rilevare i gas presenti nell’aria intorno a noi e la loro concentrazione è spesso utile e talvolta indispensabile …vitale!
Pensiamo ad esempio ai locali caldaia e alle cucine, dove si utilizza gas come metano, butano o propano (gas di bombola), GPL o gas di città (dove esiste ancora); in casi del genere, come anche in alcune officine, nelle fabbriche dove si trattano solventi o nei laboratori chimici, è fondamentale rilevare fughe di gas combustibili ed esplosivi, solventi, alcol e simili.
Come pure è importante rilevare la presenza di monossido di carbonio frutto della combustione degli idrocarburi, pericolosissimo per la salute umana perché quando inalato, si lega all’ossigeno trasportato dall’emoglobina impedendone il rilascio nell’organismo e portando a gravissime intossicazioni e -nei casi più gravi- alla morte.
Il rilevamento dei gas meno nocivi è comunque utile a monitorare la situazione ambientale e quella dei luoghi di lavoro, per verificarne la salubrità o stilare statistiche e grafici che conservano lo storico dei valori assunti dagli inquinanti come l’anidride carbonica o il fumo di sigaretta.
Per questa ragione vi presentiamo una scheda universale sulla quale montare un sensore di gas o fumo dalla caratteristica configurazione a elemento resistivo riscaldato e riscaldatore, quindi tipicamente a quattro o sei terminali (sempre quattro utili) per applicarlo a dispositivi esistenti o interfacciarlo a microcontrollori (con Arduino “va a nozze”) o semplicemente indicatori a lancetta.
I sensori GAS sono disponibili anche già montati sulla relativa breakout.
Schema elettrico
Il circuito è estremamente semplice e quindi compatto e facilmente inseribile in qualsiasi sistema: lo schema mostra l’essenzialità, dato che abbiamo il sensore, un LED (con la sua resistenza serie di limitazione della corrente) per indicare la presenza dell’alimentazione (che è singola a 5 volt in continua) e il trimmer R3, che è stato previsto perché alcuni sensori, di quelli utilizzabili, sono in grado di rilevare vari gas, quindi a seconda della tipologia di gas rilevabile è necessario calibrare la resistenza interna, mediante il trimmer, per ottenere un dato veritiero.
Per i sensori dove non è necessaria alcuna calibrazione, si può portare il cursore del trimmer tutto verso la linea OUT in modo da ottenere una resistenza di 0 ohm. Sui terminali TPR (Test Point Resistor) è possibile controllare il valore di resistenza impostato, mediante un tester.
Per capire a cosa serve il trimmer bisogna spiegare come funzionano i sensori utilizzabili in questa scheda, che sono tutti ad elemento sensibile riscaldato: si tratta di norma di un ossido metallico (titanio, stagno ecc.) che quando viene scaldato diventa maggiormente permeabile ai gas presenti nell’aria, i quali una volta penetrati alterano la resistenza elettrica che la membrana avrebbe in condizioni di riposo, vale a dire quando non è “contaminata” dai gas stessi.
Nei sensori che utilizziamo, che sono poi i più comuni e usati da decenni, ci sono quattro elettrodi utili, che sono due per il filamento riscaldatore (che di norma è in lega nichel-cromo) e altrettanti per il sensore a membrana; sovente troviamo due coppie di terminali in parallelo per il riscaldatore, dato che esso può assorbire una corrente di valore discreto.
Affinché rilevi correttamente secondo le curve indicate, ciascun sensore dev’essere a una determinata temperatura, quindi prima di prenderne per buoni i valori di resistenza forniti (e di riflesso, le percentuali di gas rilevato) bisogna che “vada in temperatura”; il costruttore di norma indica, per una certa tensione e corrente di alimentazione del riscaldatore, il tempo richiesto a raggiungere la temperatura di regime, eventualmente anche in funzione della temperatura ambiente, dato che sicuramente all’aperto, in estate, l’elemento sensibile si scalda prima che in inverno, almeno nei climi come il nostro.
Siccome l’elemento sensibile è una resistenza variabile, per rilevare la concentrazione di gas, strettamente correlata a quella di resistività, basta disporre l’elemento in un partitore resistivo o, se vogliamo maggiore precisione o un’eventuale compensazione in temperatura, in un ponte di Wheatstone; nella nostra scheda ci accontentiamo della prima soluzione, che fornisce una discreta precisione: l’elemento sensibile ai gas fa partitore con la serie R2/R3.
Essendo R3 un trimmer, possiamo regolare la resistenza serie con precisione per adattarla alla sensibilità ai vari gas dei sensori che possono rilevare più gas; ricordiamo che portando il cursore del trimmer verso la linea OUT la resistenza serie si abbassa, mentre cresce ruotando il cursore in direzione contraria.
Tradotto in termini di sensibilità, l’aumento della resistenza incrementa la tensione a parità di percentuale di gas rilevata nell’unità di volume d’aria e viceversa.
Il circuito ha un’uscita analogica a livello di tensione, nel range 0÷5V a seconda del valore di concentrazione di gas rilevato. Per tutti i dettagli bisogna verificare il grafico dei singoli sensori, che riportiamo in queste pagine.
La nostra breakout board è compatibile con diversi sensori aventi la medesima pin-out. La compatibilità è garantita per i seguenti:
– MQ-2 (Fumo);
– MQ-3 (Alcol);
– MQ-4 (Metano);
– MQ-5 (gas di città);
– MQ-6 (GPL);
– MQ-7 (Monossido di carbonio).
Analizziamo uno ad uno questi dispositivi in modo da conoscerne le caratteristiche e sapere come interpretare la tensione fornita dalla scheda quando monta uno di essi. Le caratteristiche di ciascun sensore saranno utili anche per scegliere l’alimentazione e l’interfaccia del caso.
MQ-2
Si tratta di un sensore di fumo a semiconduttore ad elevata sensibilità, ampia gamma di rilevazione, risposta rapida, buona stabilità e lunga durata.
Oltre che per rilevare il fumo (compreso quello di sigaretta), può anche essere utilizzato per rilevare gas combustibili come GPL, butano, metano, alcol, propano ed anche l’idrogeno, che è estremamente infiammabile.
Le specifiche tecniche dell’MQ-2 sono le seguenti:
• alimentazione a 5 Vcc o ca;
• temperatura di funzionamento da -20°C a +50°C;
• consumo del riscaldatore di circa 800 mW (@5 V);
• Dimensioni (mm) di 19,6 (diametro) x14,5;
Notare che il sensore può funzionare sia in continua che in alternata perché di fatto è composto da due resistenze: una è il riscaldatore e l’altra lo strato sensibile. Le sensibilità sono le seguenti:
• propano e GPL = 200÷5000 ppm;
• butano = 300÷5.000 ppm;
• metano = 5.000÷20.000 ppm;
• idrogeno = 300÷5.000 ppm;
• alcol = 100÷2000 ppm.
Per sensibilità si intende il campo di concentrazioni (espresse in ppm, ossia parti per milione di aria) rilevabile dal sensore.
La Fig. 1 illustra la tipica sensibilità dell’MQ-2 ai vari gas cui è sensibile, alla temperatura ambiente di 20 °C e umidità relativa del 65%, in aria con concentrazione di ossigeno del 21 % (che è quella tipica dell’aria che respiriamo); la resistenza di carico è di 5 kΩ.
Le curve hanno questo significato: Ro è la resistenza del sensore a una concentrazione di 1.000 ppm di idrogeno in aria pura; Rs è la resistenza presentata dall’elemento sensibile a varie concentrazioni dei gas.
Fig. 1 Grafico della sensibilità del sensore MQ-2.
MQ-3
Questo sensore è in grado di rivelare la concentrazione di alcol nel sangue attraverso il respiro, proprio come fa un comune etilometro in uso durante i controlli stradali. Allo scopo possiede un’elevata sensibilità e un tempo di risposta molto rapido.
Il sensore fornisce in uscita un valore di resistenza basato sulla concentrazione di alcol. Il circuito di contorno è molto semplice: basta una resistenza in serie all’elemento sensibile.
Le caratteristiche tecniche del sensore sono:
• alimentazione a 5 Vcc o ca;
• Temperatura di funzionamento da -10 a 70°C;
• Consumo del riscaldatore di circa 750 mW (@5V);
• Dimensioni (mm) = diametro 16,8 mm x altezza 9,3 mm.
La Fig. 2 illustra la tipica sensibilità dell’MQ-3 ai vari gas cui è sensibile, alla temperatura ambiente di 20 °C e umidità relativa del 65%, in atmosfera con concentrazione di ossigeno del 21 %; la resistenza di carico è di 200 kΩ.
Le curve hanno questo significato: Ro è la resistenza del sensore a una concentrazione di alcol pari a 0,4 mg/l di aria pura; Rs è la resistenza presentata dall’elemento sensibile a varie concentrazioni dei gas che il sensore può rilevare, oltre all’alcol etilico.
Fig. 2 Curva di sensibilità dell’MQ-3; notate che la sensibilità cala all’aumentare della temperatura e dell’umidità relativa.
MQ-4
Il sensore MQ4 è costruito per rilevare la presenza nell’aria del gas naturale (che è composto principalmente da metano) in concentrazioni comprese tra 300 e 10.000 ppm.
Il dispositivo è caratterizzato da un’elevata sensibilità e un brevissimo tempo di risposta, come è richiesto da sistemi che richiedono rilevamenti molto rapidi.
Come per gli altri sensori già descritti, il circuito richiede una semplice alimentazione a 5V e il collegamento in serie ad una resistenza.
Le specifiche tecniche dell’MQ-4 sono:
• alimentazione a 5 Vcc o ca;
• temperatura di funzionamento da -20°C a +50°C;
• consumo del riscaldatore pari a circa 950 mW (@5 V);
• dimensioni (mm) pari a 19,6 (diametro) x 14,5 (altezza);
L’elemento sensibile è un microtubo di materiale ceramico (allumina, Al2O3) su cui è deposto un sottile strato sensibile di biossido di stagno (SnO2). Il sensore ha un’elevata selettività nei confronti del GPL (ma anche di iso-butano e propano) che può rilevare anche se disturbato dalla presenza di fumo di sigaretta e alcol.
Nel nostro circuito, alimentato a 5 volt fornisce una tensione di uscita di 2,5V÷4 V a una concentrazione di metano (CH4) di 5.000 ppm. La concentrazione rilevabile di CNG (ossia gas naturale compresso) è fra 300 e 10.000 ppm.
Fig. 3 Curva di sensibilità dell’MQ-4; la sensibilità cala allo aumentare della temperatura e della umidità relativa.
Fig. 4 Curva di sensibilità dell’MQ-3; la sensibilità cala all’aumentare della temperatura e della umidità relativa.
MQ-5
Questo sensore è in grado di rilevare la presenza nell’aria di GPL, gas naturale, gas di città in concentrazioni comprese tra 200 e 10.000 ppm, rimanendo quasi insensibile ai disturbi provocati dai fumi da cucina, fumo di sigaretta e alcol.
Dispone di una elevata sensibilità e tempi di risposta molto rapidi.
Le sue specifiche tecniche sono:
• alimentazione di 5 Vcc o ca;
• temperatura di funzionamento da -10°C a +50°C;
• consumo del riscaldatore inferiore a 800 mW (@5V);
• dimensioni (mm) pari a 19,6 (diametro) x14,5 (altezza);
L’elemento sensibile dell’MQ-5 è un microtubo di materiale ceramico (allumina, Al2O3) su cui è deposto un sottile strato sensibile di biossido di stagno (SnO2).
Il sensore ha un’elevata selettività nei confronti del GPL (ma anche di iso-butano e propano) che può rilevare anche se disturbato da fumo di sigaretta, esalazioni di cucina e alcol.
MQ-6
Questo sensore è pensato principalmente per rilevare la presenza nell’aria di GPL (Gas di Petrolio Liquefatto) in concentrazioni comprese tra 300 e 10.000 ppm, però può rilevare anche CO (monossido di carbonio), idrogeno, metano, propano e iso-butano.
Il circuito applicativo è quello degli altri sensori.
Le specifiche tecniche sono:
• alimentazione a 5 Vcc o ca;
• temperatura di funzionamento da -10°C a +50°C;
• consumo del riscaldatore di circa 950 mW (@5V);
• dimensioni (mm) pari a 19,6 (diametro) x 14,5 (altezza).
L’elemento sensibile è un microtubo di materiale ceramico (allumina, Al2O3) su cui è deposto un sottile strato sensibile di biossido di stagno (SnO2). L’elemento sensibile assicura elevata sensibilità e rapida risposta al gas.
Il sensore ha un’elevata selettività nei confronti del GPL (ma anche di iso-butano e propano) che può rilevare anche se disturbato dalla presenza di fumo di sigaretta, esalazioni di cucina e alcol.
La Fig. 5 illustra la tipica caratteristica della sensibilità del sensore MQ-6 per i gas cui questo dispositivo è sensibile; la curva è riferita a una temperatura ambiente di 20 °C e a un’umidità relativa del 65%, oltre che una concentrazione di ossigeno, nell’aria, del 21%.
La resistenza di carico usata per il test che ha restituito la curva caratteristica è di 20 kΩ.
Nella curva, Ro è la resistenza dell’elemento sensibile a una concentrazione di riferimento di 1.000 ppm di GPL in aria pura. Le curve di Rs fornite sono riferite ognuna a uno dei gas (Rs è la resistenza del sensore a varie concentrazioni di gas).
Fig. 5 Caratteristica della sensibilità del sensore MQ-6 ai gas che può rilevare.
MQ-7
Si tratta di un sensore dedicato esclusivamente a rilevare la presenza di monossido di carbonio (CO) in concentrazioni comprese tra 20 e 2.000 ppm.
Caratterizzato dall’elevata sensibilità e da brevissimi tempi di risposta, si interfaccia in maniera molto semplice e richiede un’alimentazione di 5 volt.
Come gli altri, permette di rilevare la concentrazione di gas sulla base della caduta di tensione ai capi della resistenza di carico. Per leggere il segnale mediante un microcontrollore e quindi in formato digitale, basta collegare l’uscita della breakout board a un convertitore A/D.
Le specifiche tecniche del sensore MQ-7 sono le seguenti:
• alimentazione a 5 Vcc o ca;
• consumo del riscaldatore intorno ai 900 mW (@5V);
• dimensioni (mm) 16,8 (diametro) x9,3 (altezza);
L’elemento sensibile è, anche in questo caso, un microtubo di materiale ceramico (allumina, Al2O3) su cui è deposto un sottile strato sensibile di biossido di stagno (SnO2).
La Fig. 6 riporta la curva di sensibilità dell’MQ-7.
Fig. 6 – Tipica risposta dell’MQ-7 ai vari gas cui è sensibile, alla temperatura ambiente di 20 °C e umidità relativa del 65%, in atmosfera con concentrazione di ossigeno del 21%; la resistenza di carico è di 10 kΩ. Le curve hanno questo significato: Ro è la resistenza del sensore a una concentrazione di 100 ppm di CO in aria pulita; Rs è la resistenza presentata dall’elemento sensibile a varie concentrazioni dei gas.
Piano di montaggio della breakout per sensori MQ
Elenco componenti
R1: 330 ohm (0805) R2: 4,7 kohm (0805) R3: Trimmer 50 kohm C1: 100 nF ceramico (0805) LD1: LED verde (0805) SENS: Sensore MQ-x Varie: - Connettore JST 3 vie passo 1.25mm da CS - Connettore JST 3 vie passo 1.25mm - Circuito stampato S1209
Connessioni
Siccome tutti i sensori utilizzati condividono la stessa struttura e piedinatura, la scheda di prototipazione qui proposta permette di ospitare quello che desiderate senza apportare modifiche: l’unica cosa da variare è la posizione del cursore del trimmer, in modo da ottenere la resistenza indicata per lo specifico sensore montato.
I test-point TPR presenti nel circuito permettono di tarare con precisione (la tolleranza dipende dalla qualità dello strumento utilizzato…) la resistenza di carico servendosi di un multimetro impostato sulle misure di resistenza, ovvero di un ohmetro, per chi lo ha a disposizione.
Essendo nata come breakout board, la scheda qui descritta dispone di tutte le connessioni riportate su una fila di piazzole che permettono di montare un pin-strip a passo 2,54 mm che agevola il montaggio in altre unità, ovvero un connettore miniatura a tre poli.
Le piazzole per i test-point TPR sono a parte.
Fig. 7 – Schema interno e connessioni dei sensori utilizzati nella scheda: tutti hanno la stessa configurazione e piedinatura.
Utilizzo pratico
Se dovete rilevare dei gas più leggeri dell’aria, quindi idrogeno, metano, monossido di carbonio ecc. il sensore va posto in cima al luogo dove effettuare il rilevamento; dovete fare il contrario se intendete rilevare GPL, propano e butano, che essendo più pesanti dell’aria tendono a precipitare (il sensore va quindi posto in basso, in prossimità del pavimento).
Scelto il sensore, sulla base delle specifiche tecniche indicate per ciascuno nei precedenti paragrafi, tarate il trimmer; durante la misura accertatevi di non toccare con le dita i puntali (le zone metalliche) altrimenti la resistenza del corpo altera la misura.
La soluzione ideale consiste nel collegare i puntali ai test-point tramite cavetti terminanti con piccoli “coccodrilli”.
Le piazzole per i test-point TPR sono a parte e possono essere riportate mediante pin-strip sul circuito in cui si installa la breakout board.
