Cuando tenía un kit Arduino, en busca de un objeto para la automatización, de alguna manera pensé que sería bueno obtener información sobre si el nivel de CO (monóxido de carbono) en horario de invierno en la sala de calderas de una casa de campo. En los días fríos de invierno y especialmente en las noches, los equipos de gas funcionan en modo intensivo y quema gas natural para mantener la casa caliente. ¿Qué pasa si tengo mala ventilación? ¿O hay una bota de fieltro atascada en el tubo? Y cada vez que entro en la sala de calderas y me quedo allí un rato, pongo en peligro mi preciosa vida. Y nadie está inmune tampoco a las fugas de gas natural. Aquí, en general, puedes volar la mitad de la casa, simplemente encendiendo la luz. Sería bueno controlarlos también y rastrearlos de alguna manera.

Por ello, se decidió montar un sistema de monitorización del nivel de CO y metano en el aire de una sala de calderas basado en un Arduino o una placa compatible. Además de alarmas simples, también me gustaría recopilar estadísticas, por ejemplo, sobre cómo se relacionan las concentraciones de gases peligrosos con el funcionamiento de los equipos de gas. En principio, la tarea se lleva a cabo con un nivel moderno de cultura y tecnología y por muy poco dinero. Como fuente de consumo de gas natural, utilicé pulsos de un sensor integrado en el medidor de gas, y para el análisis del aire utilicé dos extremadamente populares entre los desarrolladores. sensorarduino MQ-4 y MQ-7. El MQ4 huele el aire en busca de metano, mientras que el MQ7 mide el CO.

Pero para ir más allá, resultó que es necesario profundizar específicamente en los detalles. Dado que pocos usuarios de Arduino y análogos entienden qué tipo de sensores son estos MQ-4 y MQ-7 y cómo usarlos en general. Bueno, vayamos a la emocionante historia.

¿Qué son las ppm?

Para operar correctamente con los valores que le daré a continuación, debe comprender usted mismo las unidades de medida. Aquí, en el territorio de la antigua Unión Soviética, los indicadores generalmente se miden como porcentaje (%) o directamente en masa a volumen (mg / m 3). Pero en algunos países extranjeros utiliza un indicador como ppm.

La abreviatura ppm significa partes por millón, o se traduce libremente como “partes por millón” (es bueno que aquí no se utilicen libras por galón ni imperiales a brazas). En principio, el indicador no difiere mucho del porcentaje, o mejor dicho, sólo difiere la dimensión. 1 ppm = 0,0001%, respectivamente 3% = 30,000 ppm.

Convertir de porcentaje o ppm a mg / m 3 ya es más complicado, aquí es necesario tener en cuenta la masa molar del gas, la presión y la temperatura. En general, la fórmula de conversión es la siguiente P x ​​V M = R x T, donde P es la presión, V M es el volumen molar, R es la constante universal de los gases, T es la temperatura absoluta en Kelvin (ni en Celsius ni en Fahrenheit). Pero para no atormentar al lector con el curso escolar de química, daré inmediatamente varios significados. Y los perforadores de Internet más experimentados pueden encontrar calculadoras en línea para realizar sus propios cálculos en la vasta Web.

CO: 3% = 30.000 ppm = 34695,52 mg/m3
CO 2: 3% = 30.000 ppm = 54513,22 mg/m 3

Los datos se dan para normales. presión atmosférica y temperatura ambiente. Tenga en cuenta que el CO 2 en un porcentaje comparable es casi el doble que el CO. Permítanme recordarles que la molécula de CO 2 contiene un átomo más, de ahí la diferencia. Y es gracias a esta diferencia que el CO 2 se acumula en las tierras bajas y el CO 2 en el techo.

La diferencia entre CO y CO 2

Para empezar, conviene entender qué es el CO y en qué se diferencia del CO 2. En primer lugar, el CO es monóxido de carbono, que también se llama monóxido de carbono, monóxido de carbono o monóxido de carbono (II). El gas CO es muy complicado. Es extremadamente venenoso, pero no tiene color ni olor. Una vez en una habitación con monóxido de carbono, sólo mediante síntomas indirectos comprenderá que está expuesto al veneno. Primero dolor de cabeza, mareos, dificultad para respirar, palpitaciones y luego un cadáver azulado. El monóxido de carbono se combina con la hemoglobina de la sangre, lo que hace que esta última deje de transportar oxígeno a los tejidos del cuerpo, y el cerebro y el sistema nervioso son los primeros en sufrir.

En segundo lugar, el monóxido de carbono es un combustible excelente y puede arder tan bien como otros gases combustibles. En determinadas concentraciones, forma una mezcla explosiva que está lista para hacer pedazos cualquier volumen donde se haya acumulado gas mezclado con oxígeno. Sí, el monóxido de carbono es más ligero que el aire, por lo que penetra activamente en el segundo, tercer y siguientes pisos de los edificios.

La principal fuente de emisión de CO, curiosamente, es la combustión de combustible de carbono con oxígeno insuficiente. El carbono "no se quema" y en lugar de dióxido de carbono CO 2, se emite a la atmósfera monóxido de carbono CO. En el sentido doméstico, las estufas de leña, los quemadores de gas, las calderas de gas y otros equipos de calefacción que funcionan con carbón pueden actuar como una excelente fuente de CO, si se usan incorrectamente. No te olvides de los coches, en el escape de un motor de gasolina el CO puede llegar hasta el 3% y, según las normas de higiene, no debe superar los 20 mg / m³ (aproximadamente 0,0017%).

En general, el monóxido de carbono es algo insidioso y fácil de obtener. Es suficiente obstruir la chimenea y podrás ir con seguridad a tus antepasados, derritiendo la estufa durante la noche.

El CO 2, también conocido como dióxido de carbono, anhídrido carbónico, anhídrido carbónico, monóxido de carbono (IV) o simplemente anhídrido carbónico, es un gas igualmente interesante. Nos encontramos con dióxido de carbono mucho más a menudo en La vida cotidiana que con monóxido de carbono. Bebemos agua con gas en la que se disuelve dióxido de carbono. Usamos hielo seco para conservar el helado en el parque en una calurosa tarde de verano y finalmente exhalamos cantidades increíbles de dióxido de carbono. si y objetos naturales, como volcanes, pantanos o vertederos pueden generar una buena cantidad de dióxido de carbono.

Pero no crea que el gas CO 2 es más suave y seguro que el gas CO. Las altas concentraciones de CO 2 tienen consecuencias no menos graves, hasta resultado letal. Y puedes aumentar tu concentración de forma fácil y natural con sólo cerrar la ventana del dormitorio por la noche. Además, a diferencia del CO, el anhídrido carbónico es más pesado que el aire y se acumula peligrosamente en tierras bajas, sótanos, subterráneos y otros lugares inesperados. Se han documentado casos de muertes de personas que cayeron accidentalmente en hondonadas llenas de dióxido de carbono que se escapaba de un volcán vecino. El motor del autobús se cala, el aire empieza a faltar y listo. El gas CO 2 también es incoloro, inodoro e insípido, por lo que su presencia es casi imposible de determinar organolépticamente, salvo para controlar la aparición de una asfixia pronunciada.

Ambos gases están compuestos por sólo dos tipos de elementos. Del oxígeno (O) y del carbono (C), la única cuestión es el número de átomos de oxígeno. El lector experto puede adivinar que un gas puede transformarse en otro con extraordinaria facilidad. Sí, tal vez, pero no del todo fácil ni del todo normal. Tienes que hacer un esfuerzo. Así, por ejemplo, en los convertidores catalíticos de los automóviles de gasolina modernos, tiene lugar el proceso de postcombustión (conversión) de CO en CO 2. El proceso se lleva a cabo en alta temperatura y en presencia de catalizadores (por ejemplo, platino). El proceso inverso también es posible, pero tampoco es fácil.

Por cierto, hay un sitio CO2.Earth en Internet que muestra la dinámica y la concentración actual de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre. Sí, la concentración no es tan baja. Después de todo, con una acumulación de dióxido de carbono en la región del 2-4%, una persona pierde su capacidad de trabajo, siente somnolencia y debilidad. Y en concentraciones de alrededor del 10%, comienza a sentirse asfixia.

Nos desviamos un poco del tema, pero la conclusión aquí es la siguiente: no se deben confundir dos gases diferentes, así como sus consecuencias, pero definitivamente vale la pena controlar su presencia en la atmósfera interior.

Diseño de sensores electroquímicos.

El tipo más común de sensores MQ. Y se distribuye ampliamente únicamente por su bajo precio. Investigué un poco para tratar de comprender el tema de los sensores electroquímicos un poco más de lo que la mayoría de los aficionados construyen algún dispositivo por su cuenta.

Un sensor electroquímico se basa en el principio de cambiar la resistencia de un elemento cuando interactúa con otro elemento. En otras palabras, sucede reacción química entre estos dos elementos, lo que resulta en un cambio en la resistencia del sustrato. Todo parece sencillo. Pero para que la reacción se desarrolle normalmente y el sensor no sea desechable, la parte sensible del sensor debe mantenerse caliente.

Por lo tanto, el sensor electroquímico consta de un sustrato determinado con un material sensible, un calentador de sustrato y los contactos de salida reales. Sobre el sensor se extiende una malla metálica desde arriba, pero el sustrato se calienta notablemente y alrededor del sensor pueden encontrarse todo tipo de gases combustibles, incluido el CO. Para eso sirve una cuadrícula. La seguridad es primordial. Por cierto, a principios del siglo 90, un tal Humphrey Davy inventó el método para estirar la malla sobre elementos peligrosos cuando se utilizaba en entornos explosivos para los mineros.

En la red se pueden contar un par de docenas de fabricantes de placas con sensores electroquímicos de la serie MQ. Pero el fabricante de todos los sensores (no de las placas) es el mismo: la empresa china HANWEI. La empresa produce una importante gama de diversos dispositivos para detectar gases y todo lo relacionado con ellos. Pero no hay sensores de la serie MQ entre la nomenclatura, es posible que los productos sean demasiado pequeños para publicarlos en el sitio.

Como soy una persona curiosa por naturaleza, investigué las especificaciones de HANWEI y reuní todos los sensores disponibles de la serie MQ, el material del sustrato y el tipo de detección en una sola tabla.

A excepción de los sensores MQ de la serie 300, todos utilizan el mismo material de respaldo. Es por el sustrato mismo que determina la concentración de gas en la atmósfera, es por el sustrato que cambia su resistencia. Es lo mismo para todos los sensores. En la serie 300, se omite modestamente información sobre material sensible.

A pesar del diseño único y del elemento sensible utilizado, no se puede decir que todos los sensores del fabricante sean iguales. Se diferencian en la forma y en parámetros como, por ejemplo, la tensión de alimentación del calentador. Puede tomar lecturas de dichos sensores utilizando un óhmetro, midiendo la resistencia, que varía según la concentración del gas que se está midiendo. O, agregando una resistencia de carga, mida el voltaje (cómo agregar una resistencia se indica directamente en las especificaciones de los sensores).

Tenga en cuenta que todos los sensores tienen una vida útil determinada y muy corta, de unos 5 años. Además, 5 años no son solo trabajo directo, sino también almacenamiento. Y si su sensor se almacena sin el embalaje adecuado, su vida útil es aún más corta. El punto es que sensible elemento químico, sin calentar, se saturará de carbono, lo que poco a poco lo destruirá todo. Es por esta razón que se recomienda "hornear" los nuevos sensores manteniéndolos en funcionamiento durante un día, o mejor aún, dos. El carbón que ha logrado comerse el óxido de estaño (IV) se "quemará" y el sensor podrá determinar las lecturas con mayor precisión.

Si observa de cerca la lista de gases medidos o el propósito de los sensores, puede ver que todos ellos, de una forma u otra, están ligados al carbono (metano, gas natural, propano, monóxido de carbono, gas licuado, alcohol, e incluso los sensores de calidad del aire miden la presencia de carbono en compuestos en el aire). Y sólo destaca el sensor de ozono (MQ-131), aunque utiliza el mismo elemento sensor con SnO 2 . El hecho es que todos los sensores de la serie MQ están diseñados para funcionar en una atmósfera con un nivel estable de oxígeno. La especificación nos dice que el contenido de oxígeno debe ser del 21%, que es una tasa promedio determinada. Y si hay menos o más oxígeno, las lecturas flotarán, hasta que el sensor sea completamente incapaz de dar resultados inteligibles con un contenido de oxígeno del 2% o menos. Aún así, en este caso, el carbón no se quemará en absoluto en el sustrato, el agente oxidante no es suficiente. Al parecer, la medición del ozono mediante un sensor electroquímico se basa en este efecto.

Pero la precisión de las lecturas de los sensores de la serie MQ depende de algo más que el oxígeno. Las lecturas cambian bien dependiendo de la humedad del aire y su temperatura. Los valores calculados se dan para una humedad del 65% y una temperatura de 20 grados centígrados. Y con una humedad superior al 95%, el sensor ya no dará lecturas adecuadas. Es una pena que la especificación no especifique qué humedad se utiliza: relativa o absoluta. La intuición sugiere que todavía es relativo.

Además de los indicadores ambiente La vida útil de los propios sensores también afecta la precisión de las lecturas de los sensores MQ no peor que otros parámetros. Con el tiempo, su testimonio flota. La capa sensible se "obstruye" con productos de medición, las características del calentador cambian y la resistencia cambia en los valores de referencia. No está claro en qué dirección cambia, pero el fabricante recomienda, en primer lugar, calibrar el sensor después de la compra y el "recocido" inicial, y luego realizar una recalibración periódica durante toda la vida útil del sensor. Y la única forma normal de calibrar es comparar los resultados de las lecturas del sensor con un dispositivo ya calibrado. Está claro que ni el consumidor final ni el comerciante privado tienen un dispositivo de este tipo (y los profesionales utilizarán sensores ligeramente diferentes, más caros), ni muchos fabricantes de placas. Algunos fabricantes lo afirman honestamente en su sitio web:

“¿Y cómo sé cuál es la concentración de un gas en particular con el sensor MQ?” - preguntará el lector impaciente? Sin embargo, dado que en la mayoría de los casos el consumidor usa un medidor de voltaje, todo es similar con la resistencia, pero un paso menos, entonces el consumidor necesita saber cómo convertir los voltios o cuantos de Arduino DAC en las codiciadas ppm o al menos en porcentajes. Esta operación sólo se puede realizar con la ayuda de gráficos confusos de las especificaciones del sensor.

Al observar el gráfico de la especificación, se puede ver que, en primer lugar, tiene al menos una región logarítmica. Y, en segundo lugar, además del gas principal, el sensor captura con seguridad todos los demás similares (los que contienen carbono). Tratar el gráfico y comprender qué ppm corresponden a qué resistencia del sensor es una ocupación para los samuráis practicantes, ya que una línea recta que cruza varias zonas logarítmicas diferentes claramente no será una línea recta en la realidad.

Sobre esto me gustaría resumir el resultado intermedio. Así, las ventajas de los sensores de la serie MQ incluyen su precio extremadamente y categóricamente democrático. Pero hay muchas más desventajas:

• Sensores prácticamente idénticos que utilizan el mismo elemento sensor y se diferencian en el valor de las resistencias de recorte utilizadas.
• La dependencia de los resultados de la medición de muchos factores: temperatura, humedad, concentración de oxígeno.
• La falta de la selectividad declarada para los gases medidos reacciona con todo con carbono (y, muy posiblemente, con otros elementos que reaccionan con el sustrato).
• Alto consumo de energía (calefactor).
• La necesidad de un "recocido" primario del sensor.
• Inestabilidad del tiempo.
• La necesidad de una calibración inicial y recurrente.
• La imposibilidad práctica de obtener valores significativos en forma de ppm o%.

¿Digital o analógico?

El mercado conoce su negocio y si hay demanda de un producto, esta demanda será satisfecha. Tarde o temprano, pero será necesario. Y con el uso de ágiles camaradas chinos, la demanda se satisface más temprano que tarde. Y así aparecieron muchos fabricantes de China que producían placas prefabricadas con sensores electroquímicos de la serie MQ. Consideremos en orden creciente cuáles pueden ser las opciones de entrega en general.

Limpiar sensor

La opción más fácil y económica. La entrega sólo incluye el sensor electroquímico y nada más. Conéctelo a un sistema con medición de voltaje (por ejemplo, al puerto analógico Arduino) a través de una resistencia de carga. La resistencia se utiliza mejor con la capacidad de ajustarse cuando se calibra. Las clasificaciones de resistencia se especifican en la especificación (hoja de datos) del sensor.

En forma alternativa mediciones, puede usar un óhmetro y medir la resistencia de las salidas del sensor, y luego recalcularla en resultados deseados según la misma especificación.

Aquí el usuario recibe no sólo el sensor en sí, sino también el sensor instalado en la placa, con la resistencia instalada. Ya es posible (y necesario) conectarlo al voltímetro directamente, sin resistencias intermedias. En este caso, sólo está disponible la medición de tensión, ya que, junto con la resistencia, todo el circuito funciona como un divisor de tensión normal.

El uso de un sensor analógico en la placa es conveniente porque el fabricante ya instaló la resistencia requerida en la placa y tal vez incluso realizó algún tipo de calibración de toda la estructura. Algunos sensores analógicos utilizan una resistencia de recorte y el usuario es libre de calibrarlo él mismo, y algunos no tienen esta opción. Está claro que es mejor coger una versión con posibilidad de ajuste.

sensores digitales

Parecería que si el sensor es digital, entonces debería emitir información en formato digital. Sin embargo, todos los sensores digitales con sensores MQ que encontré no tenían esta capacidad. El "digital" en su nombre solo significa que el sensor tiene una salida digital que cambia al modo ALTO cuando la concentración de gas medida excede un cierto umbral. Y el usuario realiza la lectura principal de valores de la misma forma analógica que con un sensor analógico normal.

Está claro que todas las resistencias ya están soldadas en las placas de los sensores digitales. Y los buenos sensores también tienen resistencias de recorte disponibles para configurar el sensor. Uno se usa para configurar el sensor y el otro se usa para configurar el umbral para la salida digital. Y los mejores también tienen algún tipo de amplificador de señal, lo que resulta útil cuando el sensor está lejos del dispositivo de medición y existe el riesgo de detectar interferencias en un cable largo.

Sensor digital con bus digital

Quizás este sea el más alto entre estos sensores. La conexión y la transferencia de datos se realiza a través del bus digital I 2 C. Y se pueden conectar hasta cien de estos sensores a un dispositivo de recuperación de información (por ejemplo, Arduino). Sólo hay que tener en cuenta que los sensores consumen mucha corriente y hay que suministrarla por separado. La resistencia de sintonización, por supuesto, está presente.

A juzgar por el código de ejemplo ofrecido por el fabricante del sensor, el propio sensor envía datos sin procesar y ya están convertidos mediante programación a valores de ppm. En general, el sensor se diferencia de la versión analógica sólo por la presencia de un bus digital.

Nutrición

Ya mencioné anteriormente que para el funcionamiento del calentador del sensor MQ, es necesario suministrarle energía de alta calidad y en un volumen suficiente. Según las especificaciones, los sensores consumen unos 150 mA. En realidad, el consumo puede fluctuar en un rango muy amplio. En principio, 150 mA no es una corriente tan grande hasta que se intenta cruzar un dispositivo (o varios) con tal consumo con algo como un Arduino. Al conectar incluso uno de estos sensores a la fuente de alimentación de la placa, ya corre el riesgo de que un dispositivo no funcione y no tenga suficiente voltaje para el funcionamiento normal. Durante el funcionamiento, los propios sensores se calientan, no significativamente, pero es posible que se calienten hasta cuarenta grados. Si comparamos esta temperatura con 60-70 grados en el estabilizador que alimenta estos sensores, entonces la temperatura de los sensores puede considerarse tolerable.

Para garantizar el funcionamiento normal del calentador y, como resultado, del propio sensor, es necesario suministrar energía a estos sensores por separado. Por ejemplo, utilice una fuente de alimentación independiente de 1 o 2 A y 5V para alimentar los sensores (no todos los sensores consumen 5V). O utilice una placa especial que convierta el voltaje de 9-12 V al voltaje requerido para alimentar los sensores.

En cualquier caso, con una fuente actual que tenga potencia requerida, tendrá que retocar. Aunque es posible que el sensor esté conectado directamente a la placa (por ejemplo, Arduino). Pero en este caso, no se recomienda conectarle nada más.

Opción para calibrar el sensor y convertir lecturas a ppm

Vagando por la red buscando una solución para calibrar y obtener resultados fiables del sensor, me encontré con un post muy interesante de un tal Davide Gironi, que se enfrentaba exactamente al mismo problema que yo. Davide intentó descubrir cómo obtener lecturas de ppm de su sensor MQ-135 (calidad del aire).

Según la investigación realizada por el blogger para la calibración, basta con tener una idea de la concentración de algún gas en la atmósfera y, en base a estos datos, intentar elegir una resistencia para alcanzar el sector deseado según el cronograma. Davide utilizó el sensor MQ-135, diseñado para determinar la calidad del aire, entre cuyos gases controlados se encuentra también el CO 2 . Y fue el dióxido de carbono lo que más interesó al blogger. Utilizando información de co2now.org, pudo calcular el valor de resistencia requerido. Estoy de acuerdo en que el método está muy lejos de ser ideal, pero aún así es mejor que nada.

Luego, después de la calibración, esbozó un pequeño código que le permite obtener las ppm que busca en función de los datos obtenidos como resultado de la calibración. No daré el código aquí, quienes lo deseen pueden familiarizarse con él, pero se reduce a algo como esto:

ppm flotante = ((10000.0 / 4096.0) * raw_adc) + 200;

El código anterior es, por cierto, de un ejemplo para una sonda MQ-4 con una interfaz digital I 2 C. Tenga en cuenta que esto es mejor que nada. De hecho, muchos simplemente no son capaces de alcanzar tal transformación y están limitados únicamente por ciertos valores umbral. Por ejemplo, a un valor de 750 (no hay unidad de medida, es un cuanto), es necesario encender el LED rojo, en el rango de 350-750 es suficiente el amarillo, y cuando esté por debajo de 350, deje que se encienda el LED verde. encender.

¿Alternativas?

Si los sensores MQ son tan malos, ¿existe alguna alternativa para usar en proyectos domésticos? En realidad lo hay. Incluso mucho. No existen uno o dos métodos para medir la concentración de gases. Sólo que aquí los sensores con alta precisión cuestan dinero decente. Y a veces la asfixia anfibia tiene ese coste. La diferencia de costo puede alcanzar miles y decenas de miles de veces. Aquí lo pensarás involuntariamente.

Sin embargo, recientemente aparecieron en el mercado detectores de infrarrojos, gracias a los esfuerzos de los mismos camaradas trabajadores. Sí, están lejos de serlo para todos los gases, pero al menos el CO 2 se captura sin costes energéticos importantes y con una alta selectividad. Estos sensores utilizan un método infrarrojo no dispersivo para determinar la concentración de gas.

Si se requiere la detección de otros gases, pero utilizando dispositivos económicos, entonces no hay tantas opciones disponibles en este momento (verano de 2016), por no decir directamente que hay muy pocas. El uso de la serie MQ puede considerarse una alternativa, aunque solo tendrás que gestionar los umbrales de valores (ya he hablado más arriba de la precisión de la traducción en ppm).

Muchos se opondrán de inmediato, dicen, yo personalmente usé un sensor de este tipo y funciona. Como ejemplos, se dan experimentos similares a "respirar sobre el sensor", rodearlo con la mano y soplar una nube de humo de cigarrillo. Sí, las lecturas del sensor cambiarán inmediatamente, los valores aumentarán lentamente. Sí, el sensor reflejará que se ha calentado, que ha aumentado la humedad, que hay más carbono en la atmósfera y menos oxígeno. Pero, ¿cuánto más, cuánto del gas estudiado se encuentra ahora en la atmósfera y, lo más importante, qué tipo de gas? Esta pregunta ya no se puede responder con la ayuda de los sensores de la serie MQ. Es mejor comprar un detector doméstico común de gases peligrosos, el mismo CO. Por un dinero bastante comparable, obtendrá un dispositivo fabricado en fábrica con una alarma sonora y un bajo consumo de energía.

Sensores gemelos

Y para concluir, quiero resumir. Me frustra que sensores tan asequibles no puedan utilizarse en ningún proyecto más o menos serio. Sí, puedes practicar programando y conectando sensores, pero los valores confiables que buscas no se pueden obtener con su ayuda. Y el valor de los sensores muy pronto llegará a cero.

Además, personalmente estoy convencido de que todos los sensores MQ no tienen un nivel suficiente de selectividad, se diferencian solo en el diseño externo y las recomendaciones para seleccionar resistencias. Los sensores reaccionan a cualquier cosa que contenga carbono y reaccionan con más fuerza cuanto más activo es el carbono en el compuesto y más fácilmente reacciona con el sustrato. No creo que el fabricante agregue elementos adicionales al sustrato que aumenten la selectividad y al mismo tiempo no escriba nada en la especificación. Pero supongo que un sensor se puede convertir en otro usando diferentes resistencias y mirando gráficos de resistencia y concentración.

Pero todo empezó cuando conecté dos sensores (MQ-4 y MQ-7) a un dispositivo y comencé a cargar los resultados de su trabajo en ThingSpeak. Uno de los sensores debería medir el nivel de CO tóxico y el segundo debería mostrar cuánto metano hay en el aire. Me interesaban mucho los gráficos que se repetían más que casi por completo. Sí, un sensor dio lecturas en el nivel de 100-150 unidades y el segundo en el nivel de 350-400. Los picos y las mesetas coincidieron en el tiempo según diferentes sensores, y las ráfagas sólo ensombrecieron el patrón inevitable.

Combiné las lecturas de ambos sensores en un único gráfico de correlación y me di cuenta de que muestran los mismos resultados, aunque en diferentes rangos. Y me pregunté: ¿por qué necesito un sensor de metano que reaccione a todo? Desde monóxido de carbono hasta alcohol. ¿Por qué necesito un sensor de CO que, además del propio CO, reaccione aún más con el GLP y el hidrógeno? Así es, no es necesario.

actualizar. Antes de tirar los sensores innecesarios a la basura, decidí desmontar un par de ellos y ver qué tienen dentro. Entonces:

El interior del sensor MQ-4

Como puedes ver, el sensor tiene seis patas. De dos de ellos, una bobina calefactora pasa por el centro de un tubo de sustancia plateada. Las otras cuatro patas sostienen cada una dos cables delgados, aparentemente para analizar la resistencia cambiante.

El interior del sensor MQ-7

A pesar del otro apariencia, las partes internas del MQ-7 son idénticas a las del MQ-4. Y la protuberancia calentada de color grisáceo no es más que el deseado óxido de estaño, que, cuando se calienta y en presencia de carbono o hidrógeno (justos esos mismos gases), se reduce parcialmente, tendiendo a convertirse en estaño metálico, y en consecuencia cambia su resistencia.

Respuesta

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El sensor emite una señal analógica (generalmente interpretada como un valor numérico de 150 a 1023, dependiendo de cuánto tiempo lleva calentándose el sensor), que es procesada e interpretada por el código Arduino, con capacidad de calibrar.

Montaje del dispositivo
Al conectar el MQ-3 a la placa, tenga en cuenta que la polaridad del MQ-3 no importa. Ambos terminales A son iguales que los terminales B. Los terminales centrales en ambos lados son terminales de elementos calefactores. El circuito del sensor funciona desde una fuente de voltaje de +5 V CC.

Calibración: Si te tomas tu tiempo, podrás averiguar qué números corresponden a porcentajes e incluso a la concentración de alcohol en sangre en el caso de utilizar un tubo respiratorio de alcohol.

Por supuesto, es necesario calibrar el sensor MQ-3 según la lectura del sensor calculada por el código Arduino, ya que puede cambiar. Para la calibración, puede utilizar una botella de alcohol isopropílico para obtener diferentes porcentajes durante la prueba. ¡No sumerja el sensor en alcohol! Simplemente deje que el vapor de alcohol llegue al sensor y tome una lectura.

Descripción

El sensor MQ-3 es muy sensible para detectar vapores de alcohol etílico y poco sensible para vapores de gasolina. Adecuado para proyectos de detección de vapor de alcohol, detección Intoxicación alcohólica al exhalar. El módulo analógico-digital permite recibir datos sobre el contenido de gases a los que es susceptible el analizador de gases y trabajar directamente con dispositivos, emitiendo una señal digital sobre la superación/disminución del valor umbral. Tiene un regulador de sensibilidad, que permite ajustar el sensor a las necesidades de un proyecto en particular. El módulo tiene dos LED: el primero (rojo) - indicación de alimentación, el segundo (verde) - indicación de superación/disminución del valor umbral.

El principal elemento de trabajo del sensor es un elemento calefactor, por lo que se produce una reacción química, como resultado de la cual se obtiene información sobre la concentración de gas. Durante el funcionamiento, el sensor debería calentarse; esto es normal. También hay que recordar que debido al elemento calefactor, el sensor consume una gran corriente, por lo que se recomienda utilizar una fuente de alimentación externa.

Tenga en cuenta que las lecturas del sensor se ven afectadas por la temperatura ambiente y la humedad. Por tanto, en el caso de utilizar el sensor en un entorno cambiante, será necesario compensar estos parámetros.

Rango de medición: 0,05 - 10 mg/l

Especificaciones

Tensión de alimentación: 5V

Consumo actual: 160 mA

Tiempo de calentamiento cuando está encendido: 1 min

Dimensiones físicas

Módulo (largo x ancho x alto): 35 x 20 x 16 mm

Ventajas de usar

Alta sensibilidad a los vapores de alcohol etílico (alcohol)

Corto tiempo de respuesta

Módulo fácil de usar debido a la presencia de salidas digitales y analógicas.

Contras de usar

Antes de su uso requiere un calentamiento prolongado (al menos 24 horas)

Se requiere calentamiento para tomar lecturas (al menos 1 minuto)

Alto consumo de energía (es deseable energía adicional)

Ejemplo de conexión y uso.

El ejemplo demuestra cómo conectar un sensor y enviar los datos recibidos al monitor del puerto serie. (Ejemplo probado en el controlador Smart UNO)

Diagrama de cableado:

Descargar boceto:

Mucha gente sabe que los agentes de la policía de tránsito, en casos de sospecha de consumo de alcohol, utilizan una determinada unidad, de la que dicen "soplar en una pajita". Hoy intentaremos hacer un análogo de dicho dispositivo basado en el sensor MQ-3, pero no vale la pena usarlo como referencia en tal situación, ya que no solo se encuentran vapores de alcohol, sino también vapores de gasolina, metano y hexano. su zona de sensibilidad, pero estos tiene menos sensibilidad a los gases, la máxima respuesta es sólo al alcohol. Además, hay otro rastrillo: las lecturas del sensor también dependen de factores externos como temperatura, humedad. En el caso de un enfoque serio en el uso de un alcoholímetro, vale la pena compensar estos factores. En general, el área de aplicación no se limita al control del grado de intoxicación, no sé por qué se desarrolló este sensor MQ-3, pero se pueden utilizar en lugares donde es necesario controlar. la concentración de dicho gas en el aire, por ejemplo, al transportar productos alcohólicos, dicho sensor dará una señal y dañará un lote de productos (si la botella se rompe, el alcohol comenzará a evaporarse y llenará el espacio con vapores , tan pronto como se alcanza el límite - el sensor funcionará y dará una alarma al conductor o a otra persona), o en producción que requiere el consumo de alcohol, si se excede el consumo, la concentración en el aire aumentará y el sensor funcionará, dando una señal y reduciendo el consumo, etc., por lo que el alcohol es necesario en la producción de perfumes. Como es habitual, la aplicación está limitada únicamente por la imaginación del ingeniero.

Entonces el sensor en sí se ve así:

El sensor tiene 6 pines: los pines H son el filamento (hecho de Ni-Cr), los pares A y B son la salida de señal del sensor.

La capa sensible al vapor de alcohol en este sensor es el óxido de estaño y los electrodos están hechos de oro y platino. Hablando del precio del sensor, este parámetro depende significativamente de los materiales necesarios para fabricar el sensor.

Parámetros del sensor MQ-3:

• voltaje de suministro de la bobina de calentamiento - 5 voltios
• voltaje de alimentación del sensor - 5 voltios
• potencia de la bobina de calentamiento: hasta 750 mW
• resistencia de la bobina de calentamiento 33 ohmios +-5%
• Área de detección de vapor por sensor - 0,05 mg/l - 10 mg/l
• consumo de corriente: aproximadamente 150 mA

Antes de que el sensor se utilice por completo en el circuito, se debe calentar durante 24 horas conectando 5 voltios a la bobina calefactora. Esto es necesario para estabilizar las lecturas del sensor (aparentemente, los procesos químicos se estabilizan después del proceso de fabricación). Y por eso, antes de utilizar el sensor, es necesario calentarlo un poco. El ciclo de calentamiento posterior después de un período de 24 horas se puede reducir a un minuto. Durante el funcionamiento, simplemente debido al elemento calefactor, el sensor puede estar tibio o ligeramente caliente; esto es normal.

El diseño del sensor es una especie de carcasa con cables en la parte inferior y una malla en la parte superior. A través de la malla, los vapores de alcohol ingresan al elemento sensible, donde se produce una reacción química, transformándose cantidad física en eléctrico. De hecho, el elemento sensible está protegido únicamente por una malla de mundo exterior, por lo tanto, el sensor en su conjunto también es sensible a la contaminación física con suciedad, polvo, etc. (aparentemente, por eso, los dispositivos al estilo "soplar en un tubo" están equipados solo con un tubo para interactuar solo con el aliento del sujeto de prueba, excluida la contaminación externa, incluida la de gas).

El sensor MQ-3 se puede adquirir como sensor único o como módulo equipado con un comparador. El costo de tal cosa puede variar de $ 3 o más, dependiendo del estado de ánimo del vendedor. Los sensores se pueden encontrar en aliexpress y ebay.

Además del sensor MQ-3, el módulo está equipado con un comparador, una resistencia de ajuste para ajustar el umbral del comparador y un LED en la salida del chip comparador para indicar cuándo se ha alcanzado el umbral. El módulo tiene cables de alimentación, un cable de salida del comparador y un cable conectado directamente a la salida del sensor.

Antes de comenzar a considerar el circuito del medidor de concentración, cabe señalar que antes de utilizar las lecturas del sensor, es necesario calibrarlo. ¿Por qué? Cuando se conecta a la fuente de alimentación, el sensor, dependiendo del contenido de alcohol en el aire, emitirá un nivel de señal proporcional. Entonces, para determinar cómo está equilibrada esta proporción (cuántos voltios por concentración, digamos, 1 mg / l), es necesario darle al sensor esa concentración (u otra) y determinar la relación. Luego use este coeficiente para convertir las lecturas del sensor en números. Sin calibración, los datos precisos solo se pueden obtener al azar o se pueden tomar lecturas de caracteres: hay vapores de alcohol, no hay, hay muchos, hay pocos, es decir, para determinar "a ojo". .

Entonces, vayamos al esquema del probador de vapor de alcohol:

El circuito está construido sobre un microcontrolador Atmega8. Este microcontrolador se puede utilizar tanto en el encapsulado DIP-28 como en la versión SMD en el encapsulado TQFP-32. La resistencia R4 es necesaria para evitar el reinicio espontáneo del microcontrolador en caso de ruido aleatorio en el pin PC6. La resistencia R4 atrae el suministro positivo a esta salida, creando de manera confiable un potencial en ella. A modo de indicación, se utiliza una pantalla de cristal líquido (LCD o LCD). Utilicé una pantalla grande 2004 (4 líneas de 20 caracteres), pero toda la información cabe en la pantalla 1602 (2 líneas de 16 caracteres), el firmware se escribió con este cálculo.Se necesita una resistencia variable R2 para ajustar el contraste de los caracteres en la pantalla. Al girar el motor de esta resistencia conseguimos las lecturas más claras para nosotros en la pantalla. La retroiluminación de la pantalla LCD se organiza a través de las salidas "A" y "K" en el tablero de visualización. La luz de fondo se enciende a través de una resistencia limitadora de corriente: R1. Cuanto mayor sea el valor, más tenuemente se iluminará la pantalla. Sin embargo, no se debe descuidar esta resistencia para evitar daños a la luz de fondo. El funcionamiento del circuito prevé el funcionamiento del módulo. microcontrolador ADC Por lo tanto, para alimentarlo, se necesitan un inductor L1 y un condensador C4 para garantizar el funcionamiento estable del módulo, filtrando el ruido de la fuente de alimentación. Se necesita la resistencia R6 para limitar la corriente que pasa a través del LED. Por cierto, el LED se puede reemplazar con otro dispositivo o circuito eléctrico que se activa cuando se excede el límite de concentración de vapor de alcohol establecido con los botones S3 y S5. El intervalo de ajuste para este parámetro es de más o menos 0,05 mg/l por pulsación de botón. La resistencia R8 también limita la corriente a través de la bobina calefactora del sensor MQ-3. Esto reduce ligeramente la corriente máxima a través de esta bobina y aumenta la confiabilidad del circuito. La señal del sensor de alcohol se envía a la entrada del ADC del microcontrolador, que monitorea continuamente el potencial en esta salida. Además, en el microcontrolador, el valor ADC se convierte en voltaje y concentración de alcohol, teniendo en cuenta los coeficientes de calibración (se pueden configurar usando los botones S2 y S4).

El fabricante promete una característica más o menos lineal de las lecturas del sensor MQ-3. Esto simplifica la calibración ingresando solo dos coeficientes para corregir las lecturas. Para hacer esto, usaremos una fórmula escolar simple y=k*x+b, donde y es concentración de alcohol, x - voltaje del sensor, b - cambio del rango de operación (en concentración cero, el voltaje siempre será mayor que 0), k - factor de conversión de voltaje en concentración. Con coeficiente k, la mayoría Un gran problema, porque se puede configurar ya sea inventando desde la cabeza o mediante una señal de sensor de una fuente de concentración de referencia. Ambos coeficientes se pueden configurar usando los botones del dispositivo. La calibración por b debe ocurrir a una concentración completamente cero en reposo, cuando se presiona, el coeficiente b se guardará y se restará del valor actual, por lo que a una concentración cero la pantalla mostrará un valor de cero, y no un valor pequeño (o no muy pequeño). El coeficiente k establece la relación entre el voltaje y la concentración de alcohol, es decir, cuántos voltios tendrá la concentración de 1 mg/l. Es a este valor que vale la pena calibrar el dispositivo (por supuesto, es posible calibrar a otra concentración, pero esto debe estar previsto en el firmware del microcontrolador).

1. valor actual del ADC del microcontrolador
2. voltaje calculado teniendo en cuenta el coeficiente b (inicialmente cuando se enciende b=0, es necesario calibrar antes de cada uso)
3. valor límite de concentración establecido por los botones del dispositivo
4. el valor de la concentración de alcohol en mg/l recalculado mediante voltaje, teniendo en cuenta el coeficiente k

Todo el circuito consumirá unos 200 mA o más, por lo que para no calentar el aire se sugiere utilizar regulador de conmutación voltaje en el chip MC34063. Sin embargo, puedes utilizar cualquier otro estabilizador o chip estabilizador de acuerdo con su conexión al circuito.

Todas las resistencias del circuito se pueden utilizar con una potencia de 0,25 W o tamaño 1206 en versión SMD.

El circuito fue montado en tablero de circuitos Para microcontrolador Atmega8:

En la placa de pruebas, el sensor MQ-3 está conectado a una fuente de alimentación separada de 5 voltios desde otro puerto USB de la computadora.

Aunque el módulo sensor de vapor de alcohol se utiliza como módulo, solo se utiliza el pin conectado directamente al sensor MQ-3. Ya no se utiliza nada más que en el módulo.

Para programar el microcontrolador es necesario conocer la configuración de los bits de los fusibles:

El artículo va acompañado de firmware para el microcontrolador, documentación para el sensor MQ-3, proyecto (versión 8) (el sensor se reemplaza por un potenciómetro para cambiar las lecturas y rastrearlas), así como un breve video que demuestra el funcionamiento de el dispositivo (cuando acercas una botella de alcohol al sensor, las lecturas comienzan a cambiar y cuando se alcanza el límite, el LED se enciende, luego se retira la botella y las lecturas comienzan a disminuir, sin embargo, debido a la inercia de el sensor, las lecturas disminuyen con bastante lentitud, especialmente cuando se acercan a cero).

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