Sensores de gás MQ

Já faz um tempo que eu queria postar uma sessão falando sobre os magníficos sensores de gás da série MQ, que engloba a mais ampla coleção de gases alvo. Existem sensores para butano, propano, GLP, outros para benzeno e compostos aromáticos, fumaça, hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono (tão na moda por seu efeito estufa) e ultimamente, claro, para ozônio (devido ao seu efeito bactericida e anti -COVID).

Mas a verdade é que ficou um pouco confuso, porque não é um produto, mas sim uma família de sensores, com características semelhantes, e não acertou bem na forma de apresentar a sessão. Por isso, no final, optei por fazer um tópico comum, falando sobre todos em geral, e fazer um experimento para detectar alguns gases com um exemplo específico.

Vamos usar um sensor MQ-6 que detecta gases derivados do petróleo (propano, butano, GLP e álcool) e faremos um exemplo de como ele detecta dois desses componentes (para que ele não fique entediado ao detectar apenas one) e apresentaremos o resultado em um gráfico com o plotter serial.

Uma Escala Wifi

• Apresentando a série MQ de sensores de gás
• Veja as opções disponíveis
• Discuta seus pontos fortes e fracos
• Prepare um exemplo de uso.

Material Necessário

• Sensor MQ-6 o similar
• Esp32 ou com o mesmo processador.
• ProtoBoard
• Fios

Sensores de Gás da Família MQ

Numa altura em que parece existir uma verdadeira obsessão em controlar os níveis de diferentes gases no nosso ambiente, seja por razões ambientais ou simplesmente por qualidade de vida, há uma verdadeira explosão de interesse em obter sensores que nos informem da presença de certos elementos ou componentes gasosos.

Há muitas razões para isso. Os mais clássicos, por exemplo, são os detectores de vazamento de gás da cidade que incorporam todos os queimadores de aquecimento. Mas existem muitas outras situações em que queremos detectar a presença de gases perigosos:

• Vazamentos de gás (butano ou propano) de tubulações de gás da cidade ou cozinhas de gás, devido ao risco de explosão, e leis que exigem a revisão periódica das instalações.
• Presença de compostos aromáticos como benzenos e derivados,
• Detectores de CO (Monóxido de Carbono) um dos mais perigosos e que geralmente é produzido na combustão incompleta de certas substâncias típicas como carvão, madeira, querosene e afins, ou simplesmente os tubos de escape dos motores de combustão, pois é incolor e muito tóxicos em quantidades relativamente pequenas.
• Detectores de CO₂ (Dióxido de Carbono) muito em voga neste momento devido aos seus efeitos no aumento da temperatura planetária e que aparece em muitos processos biológicos como subproduto da respiração, e que, mesmo sendo inerte, em quantidades significativas tende a produzir asfixia se os níveis não forem controlados
• Os detectores de ozônio (O3) recentemente se tornaram muito na moda devido ao coronavírus, porque todos parecem querer usá-lo como desinfetante, esquecendo que sendo muito oxidante pode causar mais mal do que bem e que sua concentração deve ser medida para evitar riscos ( e sua utilidade contra o COVI-19 é muito duvidosa, mas certamente ninguém nos ouvirá) e também porque eles são obrigados a limitar a quantidade produzida em condicionadores de ar.

Por tudo isso me pareceu interessante avaliar a série de detectores de gás que você pode encontrar em varias lojas no Brasil e sites porque antes de tudo são muito interessantes para detectar esses compostos perigosos, mas também porque se prestam muito bem para realizar projetos educacionais sobre controle de qualidade do ar e detecção de compostos nocivos, e em segundo lugar porque são muito fáceis de manusear e vale a pena gastar um pouco de tempo para conhecê-los.

Nesta sessão, veremos as características gerais desta família de sensores de gás da série MQ, entraremos em algumas idéias básicas e veremos como usá-las usando um sensor MQ-6 de gás butano-propano e similares, porque de como é fácil obter um queimador de gás para acionar a detecção e vamos usá-lo como um exemplo prático.

Os Sensores MQ

Quase todos os sensores da série MQ são baseados na detecção da mudança na resistência elétrica que ocorre em certos materiais na presença dos gases alvo. Ao detectar o alvo, a condutividade muda e, portanto, a queda de tensão no sensor muda, o que podemos medir com um simples conversor analógico para digital, disponível com Arduino e ESP32.

Esses sensores geralmente vêm em um pacote simples de 6 pinos como este:

Mas também é muito comum, e mais conveniente no mundo Arduino, encontrá-los com um breakout para facilitar a conexão (a uma protoboard, por exemplo, já que os pinos de encapsulamento não cabem nela)

No caso do MQ-6 que usaremos nesta sessão, ele utiliza uma camada de óxido de estanho (SnO₂) embutida no sensor como detector de gás, pois é muito sensível à presença de GLP (Gás Liquefeito de Petróleo). em espanhol GLP), butano e propano entre outros compostos.

E aqui é conveniente começar comentando que quase todos esses sensores de gás são sensíveis em maior ou menor grau a mais de um único gás alvo e que você precisa saber exatamente quais, para usá-los corretamente e não acionar falsos positivos.

Sempre que for utilizar estes sensores tem que ir, sem falta, procurar a ficha de normas (DataSheet) do modelo em questão. Por exemplo, para MQ-6 você tem aqui: MQ-6 DataSheet

Por alguma razão, muitas pessoas sentem um certo medo de ver as folhas de padrões de qualquer produto, suponho que seja porque parecem complicadas, e é verdade que a forma como estão escritas não é muito amigável, mas é o lugar certo para saber como o produto se comporta

O MQ-6 nos mostra este gráfico, onde nos mostra sua sensibilidade a diferentes gases, GLP (Gases derivados do petróleo), H₂ (Hidrogênio), CH₄ (Butano), CO (Monóxido de Carbono). Álcool e ar:

Isso significa que o sensor reage a mais de um gás alvo e que, em geral, você não poderá saber exatamente qual deles está acionando o sinal, portanto, você deve escolher seu sensor com cuidado.

Outro problema com esses sensores é que, embora a resposta do sensor a uma determinada concentração dos gases-alvo (em ppm, partes por milhão) seja perfeitamente previsível, a resposta a diferentes concentrações não é linear, portanto, se você quiser usá-lo como um sensor de concentração, você terá que calcular uma curva de resposta. Para que não haja nada fácil na vida, esses sensores também são muito sensíveis à temperatura e umidade. O fabricante oferece este outro gráfico para ilustrá-lo:

Antes que alguém fique tentado a desistir da leitura (espero que não seja tarde demais) Tudo isso significa que, para uso não profissional, esses sensores são muito fáceis de manusear, mas você não deve insistir muito em sua precisão porque depende vários fatores. Mas, em vez disso, eles são substâncias de detecção muito precisas que, de outra forma, seriam complicadas. Se um detector de limiar é suficiente para você, sem se preocupar muito em medir com precisão as concentrações, esses sensores são os únicos para você.

• Você pode ajustar a sensibilidade desses sensores usando resistores externos, mas para isso eles devem ser calibrados em condições conhecidas (os detalhes podem ser encontrados na folha de dados), mas temo que isso esteja muito além da intenção desta humilde sessão introdutória e minhas escassas habilidades em entrevistas.

Observe que este sensor tem uma resposta quase plana ao ar comum. Isso significa que ele lhe dará um sinal quando exposto à atmosfera, mesmo que não haja vestígios de outros gases-alvo que mencionamos acima.

Tipos de Sensores MQ

Existe toda uma gama de sensores diferentes na série MQ para detectar diferentes tipos de gases

Existem mais modelos, mas acho que isso vai dar uma ideia da variedade de sensores disponíveis. Como sempre, é preciso puxar a folha de padrões de cada um deles para ficar claro sobre sua utilidade e a quais gases cada modelo é sensível.

Um de uso muito frequente é o MQ-135, também chamado de qualidade do ar, cuja tabela de sensibilidade é a seguinte:

Cada um desses sensores possui esse tipo de tabela para que você possa decidir se funciona para você. Pois lembre-se que o sensor detecta vários tipos de gases (incluindo ar) e quando detecta a presença de um, você não conseguirá diferenciá-lo de vestígios de outro.

Esquema de Conexão do Arduino

A virtude dos sensores MQ é que eles são muito fáceis de usar, porque eles simplesmente têm uma fonte de alimentação e duas saídas. Um analógico que nos dá uma medida da concentração dos gases alvo e outro digital que é acionado como detector quando um determinado limite de concentração é atingido ou excedido (que é regulado com o potenciômetro incluído)

Para conectá-lo ao nosso Arduino, podemos fazer algo assim:

Desta vez não vamos usar o pino digital (DO) porque não faria muito sentido. Isso é ativado quando um limite é excedido que podemos variar com o potenciômetro incluído. Mas tendo uma leitura digital do valor analógico que o pino de saída analógica nos dá, podemos fazer a mesma coisa no software.

Programa de Controle

O programa de controle para nosso MQ-6 com Arduino é simplesmente trivial. Acho que não receberemos nenhum prêmio por este código:

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
}

void loop()
{
  int lectura = analogRead(A0);
  Serial.println(lectura);
  delay(100);
}