Pokroky v detekci plynů způsobily revoluci v domácí a průmyslové elektronice a poskytly cenově dostupná a jednoduchá zařízení pro monitorování životního prostředí a ochranu zdraví a bezpečnosti. V této oblasti... Chemorezistivní senzory řady MQ Staly se nezbytnou referencí jak pro nadšence elektroniky, tak pro profesionály zajímající se o kontrolu kvality ovzduší, prevenci rizik nebo návrh nových aplikací IoT.
Pokud jste se dostali až sem, pravděpodobně vás zajímá, co přesně chcete vědět. Co je to chemorezistivní senzor?, jak specifické modely, jako například MQ-135, MQ-9 nebo MQ-3, a jaké mezi nimi existují praktické rozdíly. Připravte se, protože tento článek jde daleko za rámec jednoduché definice: najdete zde podrobné vysvětlení, příklady z praxe, pokyny k připojení a podrobnosti o kalibraci, stejně jako všechny klíče k pochopení a integraci těchto zařízení do vašich vlastních projektů.
Co je to chemorezistivní senzor?
Un Chemorezistivní senzor je zařízení schopné detekovat a měřit koncentraci určitých plynů nebo chemických sloučenin ve vzduchu. Změnou jeho vnitřního elektrického odporu. Když je senzor vystaven specifické látce – například oxidu uhelnatého, amoniaku, alkoholu nebo benzenu – elektrický odpor citlivého materiálu (obvykle oxidu cínu, SnO₂, dopovaného jinými sloučeninami) se mění úměrně koncentraci tohoto plynu.
Tyto senzory, široce používané pro svou nízkou cenu, spolehlivost a snadnou integraci, se používají v oblasti kontroly kvality životního prostředí, domácí automatizace, alarmů úniků, kontroly otrav a stovek dalších aplikací.
Jak funguje chemorezistivní senzor
Základní princip chemorezistivních senzorů, společný pro rodinu MQ, je založen na třech hlavních prvcích:
- Citlivý materiál: Na keramický povrch se nanese vrstva materiálu, obvykle oxidu cínu. Tento materiál chemicky reaguje s okolními plyny, čímž měřitelně mění svou vodivost.
- Vnitřní ohřívač: Tenké vlákno funguje jako topné těleso a udržuje teplotu senzoru na optimální úrovni pro rychlé a přesné chemické reakce.
- Obvod děliče napětí: Senzor pracuje jako proměnný rezistor, který společně s rezistorem (RL) tvoří dělič napětí, což umožňuje čtení změn mikrokontrolérem, analogově-digitálním převodníkem nebo jednoduše pomocí prahového komparátoru.
Proces probíhá následovně: přivedením napětí ohřívač zahřívá citlivou peletu. Pokud je přítomen cílový plyn, mění se vnitřní odpor (Rs). Měřením výstupního napětí lze odvodit koncentraci přítomného plynu. Na rozdíl od čistě digitálních senzorů řada MQ obvykle poskytuje jak analogový výstup úměrný detekované úrovnijako jeden digitální alarmový výstup který se aktivuje při překročení prahové hodnoty nastavitelné potenciometrem.
Rodina MQ: Typy senzorů a jejich aplikace
Řada senzorů MQ je rozsáhlá a každý model se specializuje na detekci jedné nebo více látek. Díky tomu jsou extrémně všestranné, ale pro výběr toho správného pro danou potřebu je také nutné důkladné pochopení citlivosti každého senzoru.
V následující tabulce jsou uvedeny nejběžnější modely a plyny, pro které jsou optimalizovány, a také doporučené napětí pro ohřívač:
| Model | Detekované plyny | Napájení ohřívače |
|---|---|---|
| MQ-2 | Metan, butan, LPG, kouř | 5V |
| MQ-3 | Alkohol, etanol, kouř | 5V |
| MQ-4 | Metan, zemní plyn | 5V |
| MQ-5 | Zemní plyn, LPG | 5V |
| MQ-6 | Butan, LPG | 5V |
| MQ-7 | Kysličník uhelnatý | Střídá 5V / 1.4V |
| MQ-8 | Vodík | 5V |
| MQ-9 | Oxid uhelnatý, Hořlavé plyny | Střídá 5V / 1.5V |
| MQ-131 | Ozone | 6V |
| MQ-135 | Benzen, alkohol, kouř, kvalita ovzduší | 5V |
Mezi nimi je i MQ-3, MQ-9 a MQ-135 jsou obzvláště oblíbené pro specifické aplikace:
- MQ-3: Detekce alkoholu, etanolu a v menší míře kouře a benzenu. Běžné v alkoholalyzátorech a systémech kontroly přístupu.
- MQ-9: Pro detekci oxidu uhelnatého (CO) a hořlavých plynů, jako je LPG, ideální pro alarmy úniku v kuchyních a dílnách.
- MQ-135: Analyzuje kvalitu ovzduší, detekuje amoniak (NH₃), oxidy dusíku (NOx), benzen, CO₂, kouř a alkoholové páry, díky čemuž je vysoce všestranný v městském i laboratorním prostředí.
Společné vlastnosti senzorů MQ
Kromě rozdílů mezi modely má většina senzorů MQ několik podobné technické a užitné vlastnosti:
- Citlivost na více plynů: Přestože je každý senzor optimalizován pro specifické plyny, většina z nich reaguje na více než jednu sloučeninu s různou intenzitou.
- Dvojitý výstup: Zahrnout analogový výstup (hodnota úměrná koncentraci) a digitální výstup (aktivuje se při překročení prahové hodnoty nastavitelné potenciometrem).
- Vyžadují zahřátí: Pro přesné měření musí vnitřní ohřívač dosáhnout požadované teploty. Doporučuje se počáteční zahřívání v délce několika minut až hodin a po stabilizaci následuje několik minut předehřívání.
- Znatelná spotřeba: Ohřívač může spotřebovat až 800 mW, proto se v případě použití více senzorů doporučuje vhodný zdroj napájení.
- Stabilita a trvanlivost: Díky své robustní konstrukci a elektrochemickému provedení nabízejí při správném používání dlouhou životnost, zejména z hlediska teploty a vlhkosti.
- Nastavitelná citlivost: Pomocí integrovaného potenciometru lze upravit prahovou hodnotu digitálního alarmu.
Praktický provoz: od senzoru k měření
Používání senzorů MQ je jednoduché, ale pro získání spolehlivých dat vyžaduje určitou opatrnost. Základní zapojení zahrnuje:
- Senzor přijímá napětí 5 V (liší se u některých modelů).
- Pin GND se připojuje k uzemnění systému.
- Analogový výstup (A0/AOUT) je propojen s analogovým vstupem mikrokontroléru nebo v případě potřeby s externím ADC.
- Digitální výstup (D0/DOUT) se připojuje k digitálnímu vstupu pro alarmy nebo události.
Zpracování signálu se liší v závislosti na typu výstupu:
- Digitální čtení: Funguje jako spínač, který se aktivuje, když koncentrace překročí nastavenou prahovou hodnotu. Ideální pro jednoduché alarmy.
- Analogové čtení: Umožňuje sledování hladiny plynu v kontinuálním měřítku, což je užitečné pro proporcionální akce nebo vizualizaci.
Důležité! Přestože senzory MQ přesně detekují přítomnost, jejich použití jako kvantitativních měřičů vyžaduje specifická kalibrace v každém prostředí a s každým senzorem, na základě konzultace s technickými listy výrobce.
Kalibrace, křivka citlivosti a výpočet koncentrace v PPM
Jednou z hlavních výzev je transformovat čtení do spolehlivé koncentrace, obvykle v PPMKaždý senzor má specifickou křivku citlivosti, zdokumentovanou v jeho datovém listu, která vztahuje odpor senzoru při různých koncentracích.
- Rs: Odpor senzoru ve vzorku plynu.
- Ro: Po počátečním zapálení vyčistěte odpor vzduchu nebo referenci.
Poměr Rs/Ro umožňuje odhadnout koncentraci v ppm pomocí křivky z datového listu. Základní kalibrační kroky jsou:
- Během počáteční stabilizace (kde je dosaženo Ro) pracujte na čistém vzduchu.
- Změřte napětí za těchto podmínek a vypočítejte Ro pomocí: Ro = (RL x (Vcc – Vout)) / Vout.
- Změřte v přítomnosti plynu a vypočítejte Rs pomocí stejného vzorce s použitím odpovídajícího Vout.
- Vypočítejte Rs/Ro a vyhledejte to na křivce pro určení odhadované koncentrace.
Tento proces lze v mikrokontrolérech automatizovat, což umožňuje nepřetržité monitorování a pravidelnou kalibraci pro udržení přesnosti.
Podrobný příklad kalibrace a použití se senzorem MQ-3 (alkohol)
El snímač MQ-3 Je široce používán k detekci alkoholu ve vzduchu, v dechových analyzátorech nebo v kontrolách přístupu. Jeho funkce je podobná jiným MQ, vyladěným na etanol a alkohol obecně.
Pro sestavení systému s Arduinem se doporučuje:
- Zapojte podle obvyklého schématu (VCC, GND, AOUT na analogový vstup, DOUT na digitální).
- Provádějte počáteční „záběh“ po dobu 24 až 48 hodin pro stabilizaci.
- Vypočítejte Ro v čistém vzduchu pomocí předchozího vzorce s použitím RL = 1 kΩ (typicky).
- Změřte Rs v každém vzorku, vypočítejte Rs/Ro a převeďte na koncentraci pomocí křivky v datovém listu.
Algoritmus Arduina dokáže implementovat funkce měření, výpočtu a zobrazení, které usnadňují řízení a sběr dat v projektech monitorování životního prostředí nebo s alkoholtestery.
Praktické výhody a omezení senzorů MQ
Výhody:
- Nízká cena a dostupnost: Jsou levné a snadno se dají sehnat, což umožňuje jejich použití v různých senzorech.
- Všestrannost: Specializované modely pro mnoho plynů, otevírající mnoho možností v různých oblastech.
- Snadná integrace: Díky standardním modulům a kompatibilním knihovnám je jejich začlenění do systémů snadné.
- Dvojité výstupy: Digitální pro alarmy a analogový pro nepřetržité monitorování.
- Rozsáhlá dokumentace a komunita: Usnadňuje učení, řešení problémů a rozvoj.
Omezení a bezpečnostní opatření:
- Omezená přesnost: Nejsou náhradou za profesionální vybavení, pokud je vyžadována absolutní přesnost.
- Zkřížená citlivost: Detekují více plynů a mohou zkreslit výsledky v prostředích s různým složením.
- Neokamžitá odpověď: Tepelná a chemická setrvačnost znamená, že reakce je relativně pomalá a zotavení může být prodlouženo.
- Pravidelná kalibrace: Je nezbytné zachovat spolehlivost a přesnost.
- Spotřeba energie: Ohřívač může spotřebovat až 800 mW, což je třeba zvážit v systémech s více senzory.
- Ekologické předpoklady: Teplota a vlhkost ovlivňují přesnost, proto by použití mělo být v souladu se specifikacemi výrobce.
Integrace a příklady kódu pro Arduino a mikrokontroléry
Integrace senzorů MQ do platforem, jako je Arduino, je velmi jednoduchá, k dispozici jsou příklady a knihovny. Níže uvádíme několik základních příkladů:
Digitální odečet
const int MQ_PIN = 2; // Pin conectado a DOUT del sensor
const int MQ_DELAY = 2000;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
bool estado = digitalRead(MQ_PIN);
if (!estado) {
Serial.println("Detección de gas");
} else {
Serial.println("No detectado");
}
delay(MQ_DELAY);
}
Analogové odečítání
const int MQ_PIN = A0; // Pin conectado a AOUT del sensor
const int MQ_DELAY = 2000;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int valor_adc = analogRead(MQ_PIN);
float voltaje = valor_adc * (5.0 / 1023.0);
Serial.print("Valor ADC:");
Serial.print(valor_adc);
Serial.print(" V:");
Serial.println(voltaje);
delay(MQ_DELAY);
}
Výpočet koncentrace (PPM)
const int MQ_PIN = A0;
const int RL = 1; // kΩ, resistencia del circuito
float Ro = 10.0; // Valor calibrado en aire limpio
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int adc_value = analogRead(MQ_PIN);
float voltaje = adc_value * (5.0 / 1023.0);
float Rs = RL * (5.0 - voltaje) / voltaje;
float ratio = Rs / Ro;
// Consultar curva del fabricante para convertir ratio en PPM
Serial.print("Voltaje:");
Serial.print(voltaje);
Serial.print(" Rs:");
Serial.print(Rs);
Serial.print(" Ratio Rs/Ro:");
Serial.println(ratio);
delay(1000);
}
Pro získání koncentrace v PPM porovnejte poměr s logaritmickou křivkou specifickou pro daný senzor a interpolujte dle datového listu.
Pokročilé výpočty a kurzy správy senzorů
U systémů s více senzory MQ je vhodné zapouzdřit logiku do specifických tříd nebo funkcí, které spravují parametry, jako je RO, křivky, časování, prahové hodnoty a správa cyklů zapalování. To usnadňuje údržbu, kalibraci a spolehlivost systému a zároveň umožňuje další funkce, jako je monitorování alarmů, integrace IoT a vizualizace dat.
