In questo nuovo articolo della serie sui Sensori per Arduino andremo a descrivere le caratteristiche e il funzionamento dei sensori di gas della famiglia MQ ed in particolare il sensore di gas MQ-5.
Dopo aver descritto il funzionamento del sensore PIR in questo articolo, andiamo a parlare di sensori di gas.
Questi sensori vengono usati per misurare la concentrazione di gas nell’ambiente. In questo contesto la famiglia MQ si è ampiamente diffusa in quanto economica e facile da usare, specializzandosi in funzione della tipologia di gas che si desidera misurare. Ad esempio, come riporta la seguente tabella, avremo il sensore MQ-4 per il GPL, metano (CH4), idrogeno (H2), monossido di carbonio (CO), alcol e fumo oppure il sensore di gas MQ-5 per GPL, metano etc…
La sensibilità a diversi gas può però essere un problema ed è il maggior lato negativo di questa famiglia di sensori: si può determinare la concentrazione di gas assumendo che si conosca e si possa garantire che sia presente solo quel gas. Infatti se nell’aria sono presenti più gas percepibili dal sensore, si avrà una sovrapposizione dei contributi falsando la misura. Poco male: come vedremo, è possibile comunque avere una stima sulla bontà dell’aria e valutare la presenza di un gas potenzialmente pericoloso.
Esternamente questi sensori sono molto simili tra di loro e sembrano quasi delle capsule microfoniche. La parte superiore è formata da una fitta rete acciaio inossidabile chiamata rete anti-esplosione che racchiude il vero sensore, mentre nella parte inferiore si trovano i 6 pin per i contatti elettrici. La presenza della rete evita eventuali fiamme, in quanto il sensore è usato in contesti in cui sono presenti gas infiammabili e per il suo funzionamento usa un elemento riscaldante.
L’involucro fornisce inoltre protezione fisica al sensore e filtra le particelle in modo che solo il gas possa passare verso il sensore.
Questi sensori di gas sono realizzati con tecnologia MOS (Metal Oxide Semiconductor) e sono chiamati anche Chemiresistors poiché la rilevazione si basa sulla variazione della resistenza del materiale semiconduttore quando il gas ne viene a contatto.
La variazione di resistenza del sensore (e quindi di caduta di potenziale, grandezza che noi possiamo facilmente misurare) rispetto ad una condizione di assenza di gas può essere usata come misura della variazione della concentrazione di gas nell’aria.
Quindi, se la concentrazione è alta, la resistenza diminuisce; se la concentrazione è bassa, la resistenza aumenta.
Internamente il sensore si presenta come in figura
La struttura è formata dall’elemento sensibile e da sei collegamenti che si propagano e sono connessi ai rispettivi pin che vediamo esternamente.
Due conduttori (H) sono collegati alle estremità dell’elemento riscaldante formato da una bobina Nichel-Cromo.
I restanti quattro conduttori (A e B) sono collegati utilizzando fili di platino e sono responsabili dei segnali in uscita . Questi fili sono direttamente collegati al corpo dell’elemento sensibile tramite degli elettrodi e ne forniscono le piccole variazioni di conducibilità.
L’elemento sensibile è costituito da ceramica a base di ossido di alluminio (AL2O3) rivestita di biossido di stagno (SnO2) materiale sensibile ai gas. La ceramica sottostante migliora l’efficienza del riscaldamento e garantisce una diffusione omogenea del calore.
Una visione schematica è fornita comunque nel datasheet del sensore e qui di seguito riportata:
Anche se esternamente il sensore ha sei terminali, i pin A e B risultano collegati elettricamente insieme per cui abbiamo effettivamente solo quattro connessioni.
Riportiamo, per completezza, alcune specifiche tecniche:
Principio di funzionamento del sensore di gas MQ-5
Il principio di funzionamento è abbastanza semplice ed è simile per ogni sensore di gas MQ. L’elemento sensibile SnO2 ha una conduttività inferiore nell’aria pulita rispetto a quando è esposto al gas di cui è sensibile. Inoltre, maggiore è la presenza di gas, maggiore sarà la conducibilità e quindi minore la sua resistività.
Ciò avviene perché quando il semiconduttore (SnO2) viene riscaldato in aria pulita, gli elettroni donori nel biossido di stagno sono attratti verso l’ossigeno che viene assorbito sulla superficie del materiale di rilevamento. Ciò impedisce il flusso di corrente elettrica.
In presenza di gas , la quantità di ossigeno in superficie diminuisce mentre gli elettroni reagiscono con i gas. Gli elettroni vengono quindi rilasciati nel biossido di stagno, consentendo alla corrente di fluire liberamente attraverso il sensore.
Il nostro MQ-5 è particolarmente sensibile al butano, propano, metano e gas naturale.
Lo schema in figura sopra, fornita nel datasheet, illustra un semplice schema di collegamento per il sensore in questione. L’elemento riscaldante (H) richiede una alimentazione stabile a 5V, per cui una estremità andrà connessa a Vcc e l’altra alla tensione di riferimento del circuito, ovvero a GND. I terminali A e B sono equivalenti tra di loro e possono essere interscambiati. Uno dei due va portato a Vcc (5V) mentre l’altro verrà utilizzando come pin di sense.
Tra il pin di sense e il potenziale di riferimento del circuito (GND) è mostrato un resistore variabile RL. Questa resistenza serve per regolare la sensibilità e la precisione del sensore. Il valore può variare da 2k Ohm a 47k Ohm. Più alto è il valore, più sensibile diventa il sensore.
In base al valore scelto di resistenza, si possono misurare o meno alte concentrazioni di gas. Per misurare alte concentrazioni di gas, si imposta un valore alto per il resistore, compromettendo però l’accuratezza.
I vari sensori della famiglia MQ, tra cui MQ-5 in esame, non sono direttamente utilizzabili su breadboard, per via del loro footprint. Per risolvere questo problema, vengono vendute breakout board con il sensore montato sopra e dei piedini facilmente utilizzabili. Queste schede si diversificano a seconda del produttore e possono o meno integrare alcuni componenti esterni.
Ad esempio, quello riportato in figura della Seeed Technology, fornisce un connettore per collegare rapidamente il cavetto fornito in dotazione, un trimmer per il settaggio del valore di RL e sulla parte inferiore (non visibile) un boost converter per adattare eventuali tensioni (ad esempio 3,3V) alla 5V richiesta per il sensore.
In alcuni casi, il segnale utile in uscita può essere fornito in forma analogica oppure digitale.
Per il segnale digitale, è implementato anche un comparatore, per fornire sul relativo pin un livello logico alto se il valore assunto dal segnale supera una predeterminata soglia. Generalmente vengono usati comparatori ad alta precisione come LM393. Vi è presente anche un led, la cui accensione suggerisce che si è superata la soglia.
Altri modelli non integrano il connettore e il boost converter, fornendo sei semplici pin header e richiedendo la 5V per funzionare. Prestate dunque attenzione nella eventuale scelta della board.
Un’altra possibilità, nel caso in cui avete a disposizione il sensore nudo e crudo e volete fare qualche prova al volo, è quella di usare dei jumper maschio-femmina, prestando attenzione ai livelli logici in gioco.
Nella pagina seguente andremo a realizzare il circuito per la lettura delle concentrazioni sfruttando la scheda Arduino, prestando attenzione alle caratteristiche del sensore. Inoltre, si descrive il codice per la calibrazione necessario per un corretto funzionamento e quello per le misurazioni effettive.