Come costruire un misuratore di gas stand-alone

In questo articolo in due parti vedremo come realizzare tre semplici progetti di base, di grande utilità e versatilità, per la rivelazione fai-da-te di gas inquinanti indoor o outdoor: un misuratore di gas stand-alone; un allarme stand-alone per concentrazione di gas eccessiva; un misuratore di gas interfacciato a un PC. Questi ultimi due progetti sono realizzati con Arduino e descritti nella seconda parte.

Come sensori, useremo i più comuni sensori low-cost di gas, acquistabili facilmente online (ad es. trovate un ampio kit a ottimo prezzo qui): quelli della serie MQ. Essi possono venire comprati separatamente dalla scheda elettronica di amplificazione su cui vengono montati, che dunque può essere usata per montarci qualsiasi sensore della serie. Si noti che spesso i sensori vengono venduti già montati o saldati su questa basetta di amplificazione.

I vari tipi di gas rilevabili con i sensori di gas della serie “MQ” della Hanwei.

I sensori della serie MQ usano un resistore sensibile al gas (fatto di uno strato di SnO2) per rilevare concentrazioni di gas e avere un elemento riscaldante interno per mantenere il sensore alla giusta temperatura. Dato che essa è un fattore importante nel determinare il valore letto dal sensore, in caso di uso outdoor dei sensori di gas è bene affiancarvi un sensore di temperatura e umidità. Inoltre, il tempo di preriscaldamento di questi sensori è di minimo 24 ore, quindi vanno alimentati h24.

Misuratore stand-alone indoor o outdoor

I sensori MQ forniscono in uscita una piccola tensione (dell’ordine di decine o centinaia di mV), che può venire, ad esempio, inviata a un tester per una semplice lettura, in modo da realizzare un misuratore stand-alone utilizzabile per misurare il livello di un determinato gas indoor o outdoor.

Il funzionamento dei sensori MQ. Si noti che la risposta non è lineare (fonte: Arduino). Potete reperire questi sensori lowcost online, ad esempio qui.

Per stimare, dal valore di tale tensione in uscita, le concentrazioni di gas (in ppm) fornite dai sensori MQ, si possono utilizzare i grafici presenti sui datasheet degli specifici sensori prescelti. Vedremo più avanti in questa stessa pagina come fare.

Per realizzare il semplice misuratore di gas stand-alone da noi progettato, avete bisogno dei seguenti materiali, reperibili con una spesa modesta su qualsiasi sito web specializzato (ad es. Robotitaly, Futura Elettronica, etc.) o, ancora per meno, su portali cinesi low-cost (ad es. Bangood), opzione consigliabile soprattutto per certi sensori MQ più costosi o per quantitativi importanti:

  • uno o più sensori di gas della serie MQ
  • la relativa scheda di amplificazione su cui va montato (se venduta a parte)
  • un diodo led rosso del tipo lampeggiante
  • due connettori volanti per batteria da 9 V (uno maschio e uno femmina)
  • un contenitore di plastica di forma e dimensioni opportune
  • un alimentatore stabilizzato da 5V e minimo 200 mA (per sensore)
  • un comune tester (se non lo avete già)

Il diodo lampeggiante non è indispensabile, ed è collegato in modo da lampeggiare, quando riceve corrente, per segnalare che il dispositivo è acceso e funzionante. Per l’alimentazione, è bene usare un alimentatore stabilizzato che eroghi una tensione di 5V, oppure quella (sempre a 5V) stabilizzata e filtrata fornita da una qualsiasi porta USB: ad es. quella di un notebook o di una batteria di emergenza portatile da taschino.

L’elettronica di amplificazione su cui viene montato il sensore MQ ha in uscita 4 pin. Al pin GND va collegato il polo negativo proveniente dall’alimentazione, al pin VCC il polo positivo dell’alimentazione con la tensione di +5V (verificate la polarità con un tester prima di attaccare l’alimentatore). Il led è alimentato in parallelo. Se alimentate con un trasformatore variabile, regolatene l’uscita su 5V.

Schema del nostro misuratore di gas, valido per qualsiasi sensore della serie MQ.

Per quanto riguarda il contenitore (acquistato su Robotitaly), dovrete farvi un foro per il led, inizialmente con un trapano, per poi allargarlo ruotandovi una forbice. Inoltre, con delle tronchesi dovrete farvi una piccola finestrella triangolare laterale per i due fili dell’alimentazione. Nel contenitore da noi scelto, c’è già una finestra anteriore per il sensore (che va leggermente allargata) e una per i fili di uscita.

Come tester su cui visualizzare la tensione in uscita dal sensore – cioè ai capi dei due fili, uno proveniente dal pin che fornisce il segnale analogico (A0) in uscita, e l’altro dal GND – potete usare anche un modello economico, come ad es. quelli che trovate per meno di 20 euro da Leroy Marlin o su qualsiasi sito web di bricolage (vedi qui). Impostate come prima portata quella dei 2 V DC e leggete il valore in uscita dal sensore (N.B.: nei primi 3 minuti di preriscaldamento la tensione in uscita può essere superiore a 2 V, per cui impostate una portata più alta).

Il misuratore di gas stand-alone visto dall’esterno e dall’interno.

Naturalmente, la tensione in uscita dal sensore appena descritto può essere usata come ingresso per una scheda programmabile come Arduino, ed a quel punto le applicazioni possibili sono pressoché infinite. Se non siete familiari con l’ambiente Arduino, vi rimandiamo al nostro articolo “Come costruire un rivelatore di particolato PM10 e PM2.5” per una rapida introduzione all’argomento.

Intanto, nel prossimo progetto contenuto nella seconda parte dell’articolo – progetto chiamato “Allarme per concentrazione eccessiva” – potete vedere come effettuare i collegamenti fra il sensore e la scheda Arduino, che vi permetteranno di interfacciare il sensore e la relativa elettronica di amplificazione alla più diffusa scheda Arduino sul mercato. Nel progetto finale della serie, “Misuratore interfacciato a un computer”, vedremo invece come graficare il segnale su un PC.

Come convertire la tensione in “PPM”

I valori mostrati ora dal tester sono quelli di tensione in uscita dal sensore. Ma come trasformare in parti per milione (ppm) i valori grezzi forniti dal tester? Normalmente, la calibrazione del sensore con una o più sorgenti standard di concentrazioni note fornisce la formula di conversione della tensione (V) in uscita dal sensore in concentrazione del gas (ppm). Tuttavia, essa non è stabile per lunghi periodi tempo né molto accurata, ed in ogni caso è in genere fuori dalla portata di un dilettante.

Se però non usate il sensore per la sicurezza della vita o della salute, o come unico dispositivo di rilevamento per tale applicazione, per stimare le concentrazioni di gas (tipicamente in ppm), potete utilizzare la curva caratteristica fornita nel datasheet del sensore utilizzato, se siete in grado di farlo. Infatti, il datasheet dei sensori MQ purtroppo non vi dice i mV per ppm. Vedremo tra poco un primo modo per convertire la tensione in concentrazione del gas.

Sappiamo già che maggiore è la concentrazione di gas, maggiore è la tensione di uscita del sensore; più bassa è la concentrazione di gas, più bassa è la tensione di uscita. Tuttavia, questa relazione non è lineare, se non in prima approssimazione e per variazioni di pochi punti percentuali. Dunque con il tester potete fare solo rozze misurazioni relative della concentrazione del gas che vi interessa, e comunque queste vanno eseguite in condizioni costanti, o quasi, di temperatura e umidità (in pratica, solo indoor).

Come possiamo quindi trasformare i valori di tensione in uscita dal sensore in concentrazione del gas in parti per milione (ppm) tenendo conto della curva caratteristica mostrata nel datasheet del sensore? Ora vedremo come fare descrivendo un primo possibile modo (un modo più semplice, che usa Arduino, verrà descritto nella seconda parte dell’articolo), ma si tenga presente che anche le misure assolute ottenibili con i vostri sensori non calibrati si possono considerare valide solo in prima approssimazione.

Le curve caratteristiche del sensore MQ-2. (fonte: datasheet)

Il grafico qui sopra mostra diversi gas su una scala logaritmica: 100, 1000, 10000 ppm, etc., pari a una concentrazione dello 0,01%, 0,1% e 1%. Quando questi valori vengono tracciati su un grafico normale, rappresentano una curva esponenziale: infatti, il grafico di una funzione esponenziale su scala logaritmica è una linea retta. La formula di derivazione di tale curva esponenziale a partire dal grafico della curva di sensibilità del sensore fornita nel relativo datasheet è dunque sempre la stessa, e può venire utilizzata per altri tipi di sensori di gas MQ. Essa è la seguente:

La formula di derivazione della curva esponenziale. (fonte: Instructables)

Per ottenere la curva Concentrazione (ppm) vs. Tensione (V), potete ricreare la curva di sensibilità selezionando i punti dati dal citato grafico o utilizzare un software di analisi grafica come Engauge Digitizer. Tracciate i valori in ppm sull’asse y e della tensione del sensore sull’asse x. Questo metodo è abbastanza preciso per identificare i livelli pericolosi di gas pericolosi. Le barre di errore stimate sono circa 20 ppm per i sensori di Gpl e di metano e circa 5 ppm per il sensore di monossido di carbonio (CO).

La curva Concentrazione (ppm) vs. Tensione (V) ottenuta.

A questo punto, fittando i dati potete trovare un’equazione approssimata per la curva Concentrazione (ppm) vs. Tensione (V). Potete fare il best fit direttamente con un’esponenziale (cioè con una funzione del tipo y = ex) e ottenere l’equazione cercata. Ad esempio, per i sensori di gas MQ-6 (Gpl), MQ-4 (metano) e MQ-7 (monossido di carbonio) si ottiene, rispettivamente, le seguenti curve:

Le curve di best fit determinate per tre sensori della serie MQ.

Approssimando la curva che ci interessa con un polinomio di grado opportuno, potete implementare la conversione automatica da tensione in volt a concentrazione in ppm a livello di software, cioè ad es. in uno sketch di Arduino. Ed in merito alle influenze di temperatura e umidità, se si desidera determinare o confrontare con precisione i valori relativi o assoluti, è necessario considerare anche la misurazione di quei parametri per compensare, come mostrato nel relativo grafico del datasheet, e ciò complica le cose.

Vai alla seconda parte dell’articolo cliccando qui.

Se incontrate delle difficoltà durante la realizzazione dei progetti, potete rivolgervi al FabLab più vicino oppure alla community di Arduino, che conta migliaia di appassionati in Italia.

 

Riferimenti bibliografici

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