Come scegliere dei sensori di gas low-cost

Quando cerchiamo sensori o rivelatori di gas, la prima cosa che troviamo sono i sensori della serie “MQ”, che viene utilizzata per rilevare diversi tipi di gas. Essi forniscono un’uscita analogica, quindi possono essere facilmente gestiti dalle schede di sviluppo open-source, come Arduino.

I sensori di gas della serie “MQ” sono prodotti dalla società cinese Hanwei Electronics, e costituiscono i più comuni (e anche i più economici e di minor qualità) sensori di gas sul mercato. La loro bassa qualità è, in generale, “compensata” dal loro basso costo. Di seguito vedremo come funzionano e come scegliere questi sensori – o altri basati su differenti tecnologie – per alcune applicazioni prevalentemente indoor, ma in alcuni casi per un utilizzo outdoor (fisso oppure mobile, ad es. per “mappature”).

Ad esempio, con il sensore MQ-2 puoi costruire un allarme per le perdite di gas in casa, che dovrebbe emettere luci, suoni o rumori allarmanti ogni volta che il metano nell’aria supera una soglia da noi impostata. Il sensore MQ-3 può essere usato per controllare il livello di alcool nel respiro. Il sensore MQ-7 di monossido di carbonio può essere usato per l’analisi dei gas emessi dalle auto. Infine, il sensore MQ135 (NH3, NOx, fumo, CO2, etc.) può essere usato per l’analisi della qualità dell’aria.

Un determinato sensore di gas MQ è in grado di rilevare uno o più componenti presenti nell’aria, perciò la Hanwei ha progettato un’intera serie di sensori di gas. Hanno nomi simili, per cui è probabile che all’inizio causino confusione. Così nella tabella qui sotto potete trovare le caratteristiche principali e un’indicazione di massima del costo sul mercato. Quelli venduti più comunemente sono circa una decina.

I gas rilevati dai vari sensori della serie “MQ” della Hanwei. Con il grassetto sono stati evidenziati i sensori più adatti a rivelare un determinato gas.

Inoltre, per comodità del lettore, riportiamo qui di seguito i link alle schede tecniche ufficiali dei vari sensori elencati nella tabella: DATASHEET MQ-2MQ-3MQ-4MQ-5MQ-6MQ-7MQ-8MQ-9MQ131MQ135MQ136MQ137MQ138MQ214MQ216MQ303AMQ307AMQ309A.

I sensori a semiconduttore e loro limiti

Gli MQ sono sensori del tipo “a semiconduttore”, cioè vi è un materiale semiconduttore sensibile al gas, come ad esempio un ossido di metallo. Quando il gas viene a contatto con la superficie di ossido di metallo, quest’ultimo è sottoposto a ossidazione o riduzione. L’assorbimento o il desorbimento del gas sull’ossido di metallo modifica la conduttività o la resistività da un valore di riferimento noto.

Struttura interna di un sensore di gas a semiconduttore.

Questo cambiamento di conduttività o di resistività può essere amplificato e misurato con dei circuiti elettronici. In generale, il cambiamento di conduttività o resistività è in una relazione proporzionale di tipo lineare con la concentrazione di gas. Pertanto, è possibile stabilire una semplice equazione lineare di calibrazione tra resistività / cambiamento di conduttività e concentrazione di un gas.

In pratica, minore è la resistività del sensore e maggiore è la concentrazione del gas. Un esempio di un’equazione di calibrazione per cambiamento di resistività è dato dalla seguente:

RS / Ro = 1 + A x Cg

dove RS è la resistenza del sensore che segue il contatto con un gas, Ro è la resistenza di base, A è una costante e Cg è la concentrazione del gas in questione. La relazione tra RS / Ro e concentrazione non è però necessariamente lineare e porta a problemi per una calibrazione coerente tra vari sensori.

La superficie dell’ossido di metallo è solitamente un film sottile di un metallo pesante di transizione. Il metallo esatto utilizzato dipenderà dall’applicazione: i sensori della serie MQ, ad esempio, usano di solito il diossido di stagno (SnO2). Il film si sovrappone a uno strato di silicio e viene riscaldato a una temperatura compresa tra 200 e 400 °C, a seconda delle applicazioni. In tal modo, i processi chimici vengono accelerati e gli effetti delle fluttuazioni delle temperature esterne sono ridotti al minimo.

I sensori a semiconduttore funzionano meglio quando dispongono di un’ampia superficie, perché possono assorbire il più possibile il gas target, specie a basse concentrazioni. Una limitazione dei sensori a semiconduttore è che i gas non bersaglio possono venire assorbiti dalla superficie dell’ossido e fornire false misurazioni. I gas di disturbo importanti includono ozono, acqua e composti organici volatili. Inoltre, tali sensori possono non essere affidabili a elevata umidità relativa ed a temperature variabili.

Nella maggior parte dei sensori MQ, il riscaldatore richiede 5 V di tensione e ha una resistenza di 31 ohm, quindi l’alimentazione deve fornire 200 mA di corrente per il sensore. Inoltre, il sensore ha un’uscita analogica e digitale, l’uscita analogica (A0) è compresa fra 0 e 5V, l’uscita digitale (D0) passa da Alto a Basso quando viene raggiunto un determinato livello (il livello al quale il pin DO commuta è impostato usando un piccolo potenziometro che si trova sul retro della scheda del sensore).

Alcuni sensori MQ venduti a basso costo su siti come AliExpress. (fonte: AliBaba)

Il riscaldatore dei sensori della serie MQ utilizza di solito un’alimentazione a 5V DC stabilizzati, e ciò al fine di non influire sulla tensione in uscita; diversamente, l’alimentazione di alcuni sensori è con impulsi PWM da 2V a 5V di ampiezza, o secondo quanto indicato dal relativo datasheet. Il sensore si riscalda usando questo riscaldatore e il tempo di “preriscaldamento” iniziale prima di ottenere delle misurazioni stabili è di circa 3 minuti, se non diversamente indicato nel datasheet.

Guida pratica alla scelta di un sensore

Un singolo sensore della serie MQ rileva più gas – mostrati da altrettante curve sul grafico di sensibilità del sensore nel relativo datasheet – e di conseguenza non c’è modo di dire quale gas sia. Se si combina più di un sensore, oppure lo si sceglie opportunamente, è possibile però discriminare meglio, o comunque più facilmente, i gas presenti nell’aria che vogliamo analizzare o monitorare.

Il problema di fondo è che sensori diversi della serie MQ possono rilevare lo stesso gas. Ad esempio, MQ-2, MQ-3, MQ-5 e MQ138 possono rilevare tutti l’alcool. Quindi, se si vuole un sensore di alcool, quale conviene scegliere? Sebbene la maggior parte dei sensori di cui sopra siano in grado di rilevare l’alcol, è necessario innanzitutto sapere che hanno una diversa gamma di sensibilità all’alcool. Ovviamente vogliamo la massima sensibilità, per cui dovremo confrontare le loro schede tecniche (datasheet).

La tabella qui sotto realizzata da Seeed Studio riassume, per ogni gas di possibile interesse e rilevabile dai sensori di gas più comuni, la gamma di sensibilità dei vari sensori low-cost ed i relativi costi indicativi. Si noti che la parola “Grove” sulla colonna dei modelli di sensori sta a indicare, semplicemente, che il sensore è già fornito su una basetta con connettori standardizzati per una facile integrazione con Arduino.

Tabella per la scelta di un sensore di gas low cost. (fonte: Seeed Studio)

Si possono quindi individuare i sensori disponibili per misurare i gas: biossido di azoto (NO2), monossido di carbonio (CO), ammoniaca (NH3), fumo, formaldeide (CH2O), anidride carbonica (CO2), metano (CH4), esano, propano, benzina, gpl, alcool, ossigeno (O2), idrogeno (H2).

Dalla tabella appena mostrata, puoi vedere che “Grove – Alcohol Sensor” può rilevare l’alcol a partire da 20 ppm, mentre il sensore MQ-2 può rilevare l’alcool solo a partire da 100 ppm. Quindi, per rilevare l’alcol, devi scegliere “Grove – Alcohol Sensor”. Possiamo usare lo stesso metodo per scegliere altri tipi di sensori. Per prima cosa devi sapere che gas vuoi rilevare, quindi visualizza la scheda tecnica, confronta la loro curva di sensibilità, e seleziona una sensibilità elevata e un’ampia gamma di misurazione.

Come si vede dalla tabella, sono presenti anche dei sensori ulteriori, oltre a quelli della serie MQ della Hanwei. Ad esempio, il “Grove – Multichannel gas sensor” analizza l’ambiente con il sensore incorporato (di tipo MEMS) MiCS-6814 della Sensortech, il quale è in grado di rilevare molti gas nocivi, e tre gas possono venire misurati simultaneamente grazie ai suoi canali multipli. Appartenendo al sistema Grove, puoi collegarlo alla Base shield di Arduino senza fili di collegamento.

Quindi, nella scelta del sensore più adatto per rilevare un determinato gas che ci interessa dovremo guardare innanzitutto alla sua gamma di sensibilità, e poi al fatto che il sensore – se possibile – non riveli altri gas che si potrebbero presentare nell’ambiente in cui lo useremo.

Viceversa, se vogliamo misurare o monitorare molti gas diversi con un unico sensore, come dovremmo sceglierlo? In questo caso, ne cercheremo uno che abbia più gas possibili fra quelli che ci interessano e poi guarderemo alla sua gamma di sensibilità per i vari gas. A tale scopo, può essere di aiuto la seguente tabella creata da Seeed Studio, tenendo tuttavia presente che esistono sul mercato anche altri sensori di qualità dell’aria low-cost (cerca “air quality sensor”) che potrebbero fare al caso vostro.

Alcuni esempi di sensori di gas low-cost per la misura di gas “multipli” (fonte: Seeed Studio)

Ci sono molti sensori low-cost disponibili su Internet e molti di essi possono venire acquistati a prezzi molto convenienti dai portali online cinesi. Si noti che alcuni sensori della serie MQ sono molto costosi. Se su dei siti li trovate a prezzi 10 volte inferiori, potrebbe trattarsi di una truffa, perché – come potete vedere dalle figure – l’unica cosa che li differenzia da altri MQ meno costosi è la sigla stampigliata sopra. In caso di dubbio, quindi, acquistateli solo da rivenditori anche esteri ma affidabili.

Altri tipi di sensori di gas esistenti

I più comuni sensori di rilevamento di gas sono quelli a semiconduttore di ossido di metallo, che forniscono ai sensori numerosi vantaggi, come il basso costo e l’alta sensibilità. La temperatura di lavoro dei sensori basati sull’SnO2 quale ossido (come i sensori della serie MQ della Hanwei) vanno da 25 °C a 500 °C e, come accennato, le migliori temperature di rilevamento per i vari gas sono diverse.

Ciò potrebbe causare potenziali problemi di selettività nelle applicazioni, perché se la temperatura si discosta troppo dal valore ottimale, altre componenti del gas potrebbero essere più reattive nei confronti dell’SnO2, portando a una scarsa selettività. Tuttavia, se la differenza tra queste due temperature è elevata, un singolo sensore può venire progettato per rilevare due tipi di gas target contemporaneamente. Ad es., la temperatura di rilevamento ottimale del CH4 è 400 °C, mentre quella per il CO è 90 °C.

Generalmente, i sensori basati su semiconduttori di ossido di metallo mostrano una sensibilità significativamente maggiore ai gas inorganici come l’ammoniaca e alcuni tipi di composti organici volatili (COV) come l’alcool e la formaldeide. Tuttavia, alcuni altri COV “domestici” che potrebbero causare effetti avversi sulla salute quando la loro concentrazione su una certa soglia non può essere rilevata dai sensori a base di semiconduttori di ossido di metallo, ma richiede materiali sensibili come i polimeri.

Inoltre, per alcuni sensori a semiconduttore, la loro richiesta di temperature operative elevate richiede configurazioni complicate rispetto ad altre che lavorano a temperatura ambiente, il che ne limita lo sviluppo. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno escogitato alcuni metodi, come l’utilizzo di elementi di sensori micro-dimensionati con micro-riscaldatori fabbricati grazie alla tecnologia dei cicuiti integrati al silicio, e la modalità operativa degli impulsi di temperatura con intervalli di calore brevi, che facilita l’operazione di sensori con un consumo energetico minimo.

I sensori di gas a semiconduttore tradizionali non sono quindi l’unico tipo di sensore di gas sul mercato. Lo avete probabilmente già intuito in precedenza, quando abbiamo citato un sensore di tipo MEMS. Ad esempio la cinese Winsen – leader mondiale nella produzione di sensori di gas – nel suo catalogo ha un’ampia varietà di sensori di gas basati su varie tecnologie: infrarossa; elettrochimica; catalica; a superficie piatta; a semiconduttore; a elettrolita solido; a filo caldo; a conduzione termica; MEMS.

Pertanto, per individuare i principali sensori di gas (e le relative basette di montaggio) esistenti, basta andare nel sito web di Winsen, puntare il mouse su “Products” e selezionare il tipo di gas che si desidera misurare o monitorare, fra i seguenti: monossido di carbonio (CO), gas tossici come il biossido di azoto (NO2) e altri, biossido di zolfo (SO2), ammoniaca (NH3), acido solfidrico (H2S), ozono (O3), formaldeide (CH2O), qualità dell’aria (COV), combustibili, idrocarburi come l’etano (C2H5OH), etc.

I gas di cui possiamo trovare vari sensori nel sito della Winson, un produttore leader.

Verranno a quel punto mostrati tutti i sensori utili allo scopo basati sulle tecnologie citate in precedenza. Per comodità del lettore, pubblichiamo qui sotto una tabella che abbiamo realizzato, la quale elenca i principali inquinanti outdoor e indoor, indicando alcuni possibili sensori per la loro rilevazione.

I sensori di gas più specifici per i vari tipi di inquinanti outdoor e indoor.

Per valutare le prestazioni dei sensori di gas, vanno considerati vari indicatori, fra cui: (1) sensibilità: il valore minimo della concentrazione di volume dei gas target al quale possono essere rilevati; (2) selettività: la capacità dei sensori di gas di identificare un gas specifico tra una miscela di gas; (3) tempo di risposta: il periodo di tempo dal momento in cui la concentrazione di gas raggiunge un valore specifico a quello in cui il sensore genera un segnale di avvertimento; (4) consumo di energia; (5) costo.

 

Riferimenti bibliografici

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