Fornisce un avviso nel caso l’ambiente in cui è posizionato contenga gas in misura superiore alla soglia di pericolosità; idoneo a rilevare le fughe di GPL, metano ecc.
I pericoli delle fughe di gas in casa
Chissà quante volte in televisione, sui siti web di informazione o nei giornali abbiamo sentito notizie di incidenti domestici causati da fughe di gas da cucina e riscaldamento, sia esso di rete o di bombola. Da queste e dai racconti che purtroppo sentiamo, conosciamo bene i pericoli che derivano dalla fuoriuscita e conseguente saturazione di gas degli ambienti. Tali pericoli consistono non tanto nell’avvelenamento, dato che i gas combustibili per uso civile non avvelenano se inalati in quantità modeste, quanto piuttosto nell’esplosione. Questa può verificarsi dallo scoccare di una scintilla nell’ambiente, provocata ad esempio da un interruttore, scambio di relé o termostato elettromeccanico.
Ecco perché bisogna sempre essere in grado di capire per tempo se una tubazione, un fornello, una caldaia o una stufa a gas perde. Se quando siamo a casa e in veglia, di norma ce ne accorgiamo dall’odore, quando siamo assenti la perdita può diventare pericolosissima. In realtà, il metano puro è inodore: quello che sentiamo è dovuto all’aggiunta di sostanze chiamate mercaptani o altre sostanze odorizzanti.
Come proteggersi da una fuga di gas
Per tutelarsi dai rischi del genere esistono da tempo i cosiddetti “rilevatori di gas” che possono sia limitarsi a generare un avviso ottico o acustico, emesso da un trasduttore allo stato solido alimentato da un transistor per evitare l’insorgere di scintille, sia produrre, oltre all’allarme sonoro e visivo, il blocco della tubazione di arrivo del gas. Quest’ultimo avviene tramite il comando di un’elettrovalvola opportunamente disposta in serie alla tubazione di uscita del contatore. Ciò che vi proponiamo di realizzare in queste pagine è appunto un circuito dalla doppia azione: segnalazione e blocco del gas.
Questo dispositivo si basa su un classico sensore di gas combustibile (e non solo) ad elemento sensibile riscaldato, sul quale spendiamo qualche paragrafo prima di andare a vedere lo schema elettrico del circuito che realizza il nostro allarme di presenza gas.
Dove va il gas: GPL e metano a confronto
Quando si verifica una perdita di gas combustibile, la pericolosità che ne deriva dipende dal peso specifico del gas stesso, perché cambia il modo di propagarsi. Se ci limitiamo a quelli più comunemente utilizzati in cucina e per riscaldamento, vediamo che il GPL, tipicamente il gas delle bombole o dei serbatoi esterni interrati o in superficie, essendo più pesante dell’aria tende a depositarsi in basso. In una casa, questo significa che tende a scendere ad esempio in cantina, perché si propaga come farebbe l’acqua.
Tale condotta costituisce un pericolo rilevante sia perché è difficile rilevare una perdita di GPL stando in piedi, se non quando l’ambiente è tanto saturo che una minima scintilla può far esplodere tutto, sia perché il gas potrebbe accumularsi in uno scantinato o, all’esterno, in un corsello o una parte di cortile sotto il piano di strada. Si determina così la creazione di una “vasca” potenzialmente esplosiva. Questa è una delle ragioni per cui nei box e garage interrati non si accettano auto alimentate a GPL.
Quanto al gas naturale, più familiarmente noto come metano (anche se non è metano puro), ha un peso specifico inferiore a quello dell’aria, quindi tende ad andare in alto: verso il soffitto degli ambienti chiusi, verso il cielo se la perdita è in ambiente aperto. Pertanto una perdita di gas naturale in casa si avverte con più facilità stando in piedi.
Il sensore MQ-2: caratteristiche
Il dispositivo rilevatore impiegato per rilevare la presenza di gas è l’MQ-2 prodotto dalla Hanwei Electronics (www.hwsensor.com) e si basa sulla collaudata struttura a film di ossido metallico, da tempo utilizzata con successo per rilevare i gas e gli aerosol quali quelli causati da solventi e alcoli. Nello specifico, il sensore utilizzato nel progetto qui descritto è in grado di rilevare GPL, isobutano, propano, metano, idrogeno, ma anche, sia pure con differente sensibilità, alcol etilico, monossido di carbonio (CO) e fumo di combustione.
L’elemento sensibile è composto da uno strato di ossido che viene riscaldato da un filamento sottostante alimentato attraverso due piedini dedicati (siglati H come heater) così da portarsi alla temperatura ottimale per il suo funzionamento. Il filamento ha una resistenza a freddo (temperatura ambiente) di circa 33 ohm, è fatto di una lega nichel-cromo e non ha polarità, ma va preferibilmente alimentato in corrente continua, almeno per i nostri scopi.
Il film metallico è applicato a un supporto ceramico di forma tubolare composto da allumina (Al2O3) che è un materiale elettricamente isolante; è fatto di biossido di stagno (SnO2) e la sua caratteristica è che, quando viene riscaldato, diventa permeabile in varia misura agli atomi dei gas nei confronti dei quali risulta sensibile.
Struttura e schema di utilizzo del sensore
Nella Fig. 1 vedete come viene normalmente utilizzato il sensore e come è costituito elettricamente. Come potete notare, nell’utilizzo il sensore si collega a partitore con un resistore, meglio variabile per poterne adattare la sensibilità, ai capi del quale verrà prelevata una tensione continua la cui ampiezza è strettamente legata alla concentrazione del gas nell’aria.
Il contatto con il gas e la reazione chimica di ossiriduzione che ne deriva alterano la conducibilità elettrica del film di biossido di stagno, che in condizioni normali è relativamente alta: infatti la resistenza misurabile a vuoto, che il costruttore definisce Rs, è dell’ordine di pochi kohm.
Per l’esattezza, il costruttore definisce Ro la resistenza dell’elemento sensibile in corrispondenza di una concentrazione nell’aria di 1.000 ppm di idrogeno: tale valore è quello di riferimento. Per avere un’idea di come lo strato sensibile dell’MQ-2 risponde ai vari gas proponiamo, nella Fig. 2, il grafico di sensibilità ai vari gas e aerosol, a una temperatura ambiente di 20 °C con umidità relativa dell’aria del 65% e concentrazione di ossigeno nell’aria pari al 21%.
La curva di sensibilità ai gas
La curva è riferita a un resistore di carico (ossia quello con cui, come vedremo nello schema elettrico, lo strato sensibile deve fare partitore) pari a 5kΩ. Dal grafico risulta evidente che l’elemento sensibile del sensore MQ-2 risente anche della presenza di vari aerosol e gas, perché il film di biossido di stagno ha tale comportamento, sebbene nel caso del sensore da noi utilizzato sia rilevante il comportamento nei confronti dei gas combustibili.
Dalle curve possiamo notare come in aria pura il rapporto tra la resistenza assunta dal sensore e quella di riferimento Ro resti immutato al variare della concentrazione, mentre diminuisce in varia misura (perché Rs decresce all’aumentare della concentrazione) all’aumentare della concentrazione di gas, alcol ecc. La pendenza di calo della resistenza, o di aumento della conducibilità, è abbastanza lineare e dipende dal gas o aerosol; ad esempio se è 0,6 volte ogni decade del diagramma logaritmico, quindi se a una concentrazione di gas di 1.000 ppm corrisponde un valore di Rs/Ro, a dieci volte quella concentrazione il rapporto RS/Ro diverrà circa 0,6 volte.
Il calcolo del rapporto Rs/Ro
Se prendiamo ad esempio il GPL, che è il tipico gas da bombola, dalla Fig. 2 notiamo un rapporto Rs/Ro di circa 0,8 a 1.000 ppm, che scende a circa 0,27 a 10.000 ppm, quindi la pendenza media è circa 0,35. Invece per il metano Rs/Ro vale 3 a 200 ppm e 1,5 a 2.000 ppm, con un rateo di 0,5.
Il valore della Rs fornito dal costruttore per una concentrazione di iso-butano pari a 1.000 ppm è di circa 3; nel caso specifico, dato che Rs/Ro vale circa 0,9 a 1.000 ppm, se ne deduce che Ro è circa uguale a 3,3 kohm. Per rilevare la variazione di resistenza del film si inserisce quest’ultimo in un partitore resistivo alimentato a 5V e avente come resistenza di carico (quella terminante alla massa del circuito di misura) tipicamente 5 kohm come mostrato nella Fig. 1. All’aumentare della concentrazione dei gas nell’aria che penetra all’interno dell’MQ-2, la resistenza del film sensibile diminuisce e di conseguenza cresce la tensione rilevabile ai capi della resistenza di carico, che verrà letta come descritto qui di seguito.
Schema elettrico del circuito
Ora che abbiamo spiegato come è composto e in che modo funziona il sensore MQ-2, andiamo ad analizzare il circuito in cui lo abbiamo inserito per ottenere le due funzioni che ci siamo prefissati: una segnalazione visiva e acustica, fornite rispettivamente da un LED e da un cicalino piezoelettrico, nonché la commutazione di un circuito ad opera dello scambio di un relè. A tale riguardo vogliamo rassicurarvi perché lo scambio non è in contatto con l’ambiente, essendo il tipo di relé utilizzato del tipo sigillato: pertanto non verranno generate pericolose scintille in caso di rilevamento di gas sopra le concentrazioni che costituiscono rischio.
Il partitore resistivo e il trigger
Guardando lo schema elettrico vedete che adottiamo la configurazione suaccennata, dove la resistenza dell’elemento sensibile è posta in serie ad un resistore resistenza con il quale fa partitore; siccome il sensore è a analogico, tra la serie di resistenze R3 ed R5 otterremo una tensione che varia secondo il grafico di Fig. 2 in funzione della concentrazione di gas o aerosol di alcol.
Essendo R5 un trimmer, è possibile variare l’ampiezza della tensione ottenuta, ovvero il rapporto tra la differenza di potenziale presentata al piedino 2 dell’integrato U1 e massa e la tensione di alimentazione del filamento, che è di 5 volt in continua. Il trimmer è da 10 kohm (R3 ha un valore trascurabile rispetto ad esso) quindi ci è possibile variare la sensibilità del circuito con un ampio margine.
Come previsto dal produttore dell’MQ-2, in serie al filamento riscaldatore abbiamo posto un resistore che ne limiti la corrente e con essa la potenza dissipata, restando in valori di sicurezza e tali da garantire sia la giusta risposta, sia la durata e stabilità nel tempo. Il segnale fornito dall’elemento sensibile e quindi la tensione ai capi della serie R3-R5 lo utilizziamo in maniera abbastanza inconsueta: niente lettura da parte del DAC di un microcontrollore o roba simile, ma molto più banalmente lo inviamo all’ingresso di trigger di un comune timer 555 del quale sfruttiamo i flip-flop interni.
Il ruolo del timer 555
Per capire quale ruolo svolge il 555 dobbiamo vedere cosa c’è al suo interno, aiutandoci con lo schema a blocchi proposto nella Fig. 3: nel 555 troviamo due comparatori aventi in comune un partitore di tensione a scala di resistenze che polarizza per l’operazionale superiore l’ingresso invertente e per quello inferiore, il non-invertente.
Dei comparatori vengono resi accessibili dall’esterno gli ingressi non-invertente di quello superiore (i termini superiore e inferiore si riferiscono al potenziale di riferimento che ricevono dal partitore multiplo, quindi il comparatore superiore riceve la tensione più elevata), corrispondente al piedino 6 (THR, ossia Threshold) e l’invertente di quello superiore, corrispondente al piedino 2 (TRI, ossia Trigger). Il nodo tra la prima e la seconda resistenza (a partire dal positivo di alimentazione, ovvero dal piedino 8) del partitore multiplo di riferimento dei due comparatori viene portato all’esterno tramite il piedino 5 (CV) che però in questo circuito non utilizziamo.
Il flip-flop RS interno
Quel che ci interessa è quanto viene dopo: le uscite dei comparatori pilotano una il RESET (quella del comparatore superiore) e l’altra l’ingresso di SET (comparatore inferiore) di un flip-flop di tipo RS. Questo è un circuito logico la cui uscita diretta (Q) va a livello alto, corrispondente a circa il potenziale del piedino 8, quando il SET è a livello alto, ovvero assume lo zero logico se SET è posto a circa zero volt; l’uscita presenta un comportamento esattamente opposto quando ad essere attivato è l’ingresso RESET, il quale, quando è posto a livello logico alto, resetta il flip-flop, portandone a zero lo stato logico dell’uscita diretta Q.
Il flip-flop ha un’uscita complementata (/Q), la cui condizione logica è sempre l’inverso di quella Q; nel 555 pilota la base di un transistor NPN configurato in modo open collector, il cui emettitore è connesso a massa e il collettore al piedino DIS (Discharge, 7) che in questa applicazione non utilizziamo. L’uscita diretta, Q, è collegata al piedino Vo (3) dell’integrato e può erogare fino a 200 mA.
Il negativo di alimentazione, vale a dire la massa di riferimento del 555, corrisponde al piedino 1, mentre al 4 è connesso il reset a logica invertita del flip-flop: questo piedino permette di resettare forzatamente il circuito dall’esterno applicando un livello logico basso, ma lo abbiamo posto fisso a livello alto perché non ci interessa. Nell’applicazione qui descritta abbiamo connesso al positivo di alimentazione il piedino 6, cosicché il comparatore superiore non potrà commutare e la sua uscita rimarrà costantemente a livello alto; con essa il reset del flip-flop.
Attivazione dell’allarme
Quindi utilizzeremo il solo comparatore inferiore, che fa capo al piedino di trigger; ogni volta che il piedino 2 viene portato a livello logico basso, l’uscita (pin 3) del 555 si porta a livello logico alto. Quindi fin quando la concentrazione di gas è bassa e la tensione ai capi della serie di resistenze R3-R5 è al disotto del valore di 1/3 di quella di alimentazione del 555, l’uscita di quest’ultimo rimane a livello alto. Se la concentrazione sale abbastanza da portare la tensione tra il pin 2 e massa oltre 1/3 della tensione d’alimentazione, il comparatore inferiore porta la propria uscita a livello basso e il set del flip-flop torna a livello basso.
In questa condizione prevale lo stato del reset e l’uscita diretta del flip-flop si porta a livello basso; tale condizione permette l’alimentazione del cicalino piezoelettrico e del LED di positività al test siglato LD2, polarizzato attraverso la resistenza di limitazione della corrente R2. Ma non solo: il piedino 3 del 555 alimenta anche la bobina del relé RL1.
Alimentazione e uscita relè
Per proteggere il transistor d’uscita del 555 dalle extratensioni inverse che si verificano ai capi della bobina del relé quando viene privata dell’alimentazione, abbiamo previsto il diodo D1, collegato in antiparallelo ad essa, che quando viene polarizzato inversamente cortocircuita la corrente e spegne l’extratensione.
Dell’RL1 rendiamo disponibile lo scambio limitatamente ai contatti C ed NO, in modo da poterlo utilizzare come semplice interruttore, per gli impieghi in cui sia sufficiente attivare un segnalatore o un dispositivo la cui attività non è critica.
Ciò detto, concludiamo la descrizione dello schema elettrico con l’alimentazione, che deve essere a tensione continua massima di 5V stabilizzati e va applicata al plug di alimentazione rispettando la polarità indicata; per accendere e spegnere il circuito abbiamo previsto un deviatore utilizzato come interruttore e siglato SW1, sul cui cursore si prende l’alimentazione per il sensore MQ-2, per il 555 e per il resto del circuito, bobina del relé (a 5V) compresa. Tra la linea positiva e massa, all’uscita del deviatore, si trova il LED LD1, alimentato attraverso la resistenza R1, che illuminandosi indica quando il circuito è alimentato e perciò funzionante.
Realizzazione pratica: il montaggio
Bene, ora che abbiamo descritto il funzionamento del sensore di gas possiamo vedere come realizzarlo, partendo dal circuito stampato da noi previsto per ospitare tutti i componenti occorrenti, sensore MQ-2 compreso. Il PCB è a doppia faccia e per consentirvi di realizzarlo mediante la fotoincisione pubblichiamo, sul nostro sito https://ei.futuranet.it/, le due tracce lato rame da stampare su carta da lucido o acetato per ottenere le pellicole del caso.
Una volta inciso e forato il circuito stampato, potete montarvi i componenti necessari a partire da quelli a più basso profilo come resistenze e diodo al silicio (da orientare come mostrato nel piano di montaggio visibile nella pagina successiva) per poi proseguire con lo zoccolo per il 555, il trimmer orizzontale e l’interruttore a slitta con piedini ad angolo retto. Procedete quindi con il jack DC di alimentazione, il sensore di gas (non preoccupatevi per il verso di inserimento perché ha i piedini ripetuti sui due lati…) il relé miniatura a 5V, il cicalino e i due LED.
Prestate attenzione alla polarità di questi ultimi, i cui catodi (corrispondenti allo smusso sul contenitore) devono essere rivolti al cicalino piezo BZ1; quest’ultimo è del tipo con elettronica, pertanto ha una polarità da rispettare, quindi nell’inserirlo nei rispettivi fori dello stampato tenetelo con il + rivolto al lato dello stampato lungo cui va posizionato. Le foto del prototipo e il piano di montaggio che trovate in questa pagina sono comunque d’aiuto nelle varie fasi del montaggio per collocare i componenti polarizzati nel verso giusto.
Per quanto riguarda l’utilizzo, al circuito occorre un alimentatore da rete con uscita stabilizzata a 5Vcc, capace di erogare 250 milliampere di corrente e dotato di spinotto plug compatibile con la presa jack, con positivo sul polo centrale.
Calibrazione e utilizzo del rilevatore
Per utilizzare il circuito, si deve come prima cosa portare l’interruttore su ON, dopo di che sarà probabile sentire il buzzer suonare perché verosimilmente occorrerà regolare il trimmer così da impostare la soglia di allarme, vale a dire la sensibilità del rilevatore. A questo punto, se nell’aria non è presente gas, ruotate il trimmer in senso antiorario per poi rilasciarlo nel momento in cui non sentirete più suonare il buzzer.
Per una corretta calibrazione è opportuno lasciare il dispositivo alimentato per qualche minuto (almeno 5 minuti) con il trimmer al minimo e procedere solo dopo alla calibrazione, perché a quel punto l’elemento sensore, ovvero il suo film sensibile, si sarà portato alla temperatura di regime e il suo funzionamento risulterà stabile.
Una volta effettuata la calibrazione si potrà usare il dispositivo. In caso di presenza di gas oltre la soglia impostata, il LED rosso si accenderà, il buzzer suonerà e il relè si ecciterà comportando la chiusura del contatto sul connettore CN1. Per calibrazione potete usare un accendino premendo il pulsante ma senza innescare la scintilla, così da far fuoriuscire il gas; l’accendino dovrà essere posto sotto al sensore MQ-2 o di fronte ad esso.
In alternativa potete mettere il circuito con il sensore sopra un fornello a gas senza accendere la fiamma, però dev’essere un fornello privo di termocoppia, altrimenti il gas verrà bloccato. Va bene anche utilizzare una piccola bombola da campeggio, ma sempre ricordando di prestare la massima attenzione perché il gas contenuto è altamente infiammabile ed esplosivo! Chiaro che la regolazione siffatta è empirica.
Gestire una sirena esterna
Come precedentemente accennato, il nostro circuito è progettato non solo per emettere segnalazioni visive e sonore tramite LED e buzzer, ma è anche configurato per attivare un relè. Questo relè può essere utilizzato per collegare dispositivi di allarme aggiuntivi, come la sirena modello SI-280 da 12V, che serve a segnalare un’emergenza, ad esempio, in caso di fuga di gas. L’aggiunta di una sirena di allarme migliora significativamente la sicurezza, poiché, nel momento in cui viene rilevata una perdita di gas, il sistema attiva la sirena per avvisare tempestivamente gli individui nell’area.
Questo aspetto è particolarmente rilevante durante la notte o in situazioni in cui il suono del buzzer potrebbe non essere sufficiente per svegliare o allertare le persone presenti. Per innescare la sirena all’attivazione dell’allarme, si sfrutta lo scambio del relé RL1 tra i contatti C ed NO (come illustrato nella Fig. 4).
Collegamento e protezione del relè
In questo modo, quando il relé si attiva, il circuito di alimentazione della sirena si chiude, consentendo alla sirena stessa di emettere il suo avviso sonoro. Il relé incluso nel circuito è capace di gestire carichi fino a 3A, sia in corrente continua che alternata, e supporta tensioni fino a 120V. Questo implica che, se la sirena funziona a 12V, può essere alimentata direttamente tramite lo scambio del relé presente sul circuito stampato.
Nel caso in cui la sirena non disponga di una propria fonte di alimentazione, è possibile utilizzare un alimentatore esterno di tipo “wall-cube”, collegando il polo positivo attraverso il relé.
Il relé utilizzato nel nostro circuito è progettato per essere ermetico e, quindi, per minimizzare la produzione di scintille durante la commutazione. Questo dettaglio aumenta ulteriormente la sicurezza del sistema. Per garantire una protezione ancora maggiore dalle scintille, che potrebbero comunque generarsi in rare occasioni, raccomandiamo di collegare un condensatore in poliestere da 10 nF e 400V tra il contatto C e NC del relé.
Questa precauzione contribuisce a estinguere rapidamente eventuali scintille, preservando l’integrità del relé nel tempo e mantenendo elevati standard di sicurezza. È importante ricordare che nel design del circuito è incluso un pin-strip a passo 2,54 mm bipolare per rendere facilmente accessibili i contatti C ed NO del relé, quindi per collegare il NC, necessario per la configurazione della sirena, si deve intervenire sulla piazzola corrispondente situata sul lato in rame del circuito stampato, identificabile come l’unico terminale isolato del RL1.
