Εισαγωγή

Δώσε στο επόμενο έργο που θα αναπτύξεις πάνω στο Arduino ή πάνω σε οποιοδήποτε άλλο μικροελεγκτή μια «μύτη» για αλκοόλ, χρησιμοποιώντας τη μονάδα αισθητήρα αλκοόλης MQ3. Αυτός ο αισθητήρας ανιχνεύει την παρουσία αλκοόλ στον αέρα, καθώς και τη συγκέντρωσή του. Έτσι, αν θέλεις να φτιάξεις το δικό σου αλκοολόμετρο (breathalyzer) για να προσδιορίσεις πόσο αλκοόλ υπάρχει στην αναπνοή κάποιου, η μονάδα αισθητήρα αλκοόλης MQ3 είναι μια εξαιρετική επιλογή.

MQ3 Αισθητήρας Αλκοόλης

Ο αισθητήρας MQ3 είναι ένας από τους πιο διαδεδομένους της σειράς αισθητήρων MQ. Είναι ένας αισθητήρας MOS (Metal Oxide Semiconductor — Ημιαγωγός Μεταλλικού Οξειδίου). Οι αισθητήρες μεταλλικού οξειδίου είναι γνωστοί και ως χημειοαντιστάσεις (chemiresistors), επειδή η ανίχνευση βασίζεται στη μεταβολή της αντίστασης του υλικού ανίχνευσης όταν εκτεθεί σε αλκοόλ.

Ο αισθητήρας αλκοόλης MQ3 λειτουργεί στα 5Ω και καταναλώνει περίπου 800mW. Μπορεί να ανιχνεύσει συγκεντρώσεις αλκοόλης από 25 έως 500 ppm.

Τι σημαίνει συγκέντρωση 1 ppm;

Το parts-per-million, ή συνοπτικά ppm, είναι η πιο συνηθισμένη μονάδα μέτρησης συγκέντρωσης αερίων. Το ppm είναι απλώς ο λόγος ενός αερίου προς ένα άλλο. Για παράδειγμα, 500 ppm αλκοόλης σημαίνει ότι, αν μπορούσες να μετρήσεις ένα εκατομμύριο μόρια αερίου, τα 500 θα ήταν αλκοόλη και τα υπόλοιπα 999500 θα ήταν άλλα αέρια.

Εσωτερική δομή του αισθητήρα αλκοόλης MQ3

Ο MQ3 είναι ένας αισθητήρας που θερμαίνεται με ένα θερμαντικό στοιχείο (heater-driven). Γι’ αυτό καλύπτεται από δύο στρώσεις λεπτής ανοξείδωτης μεταλλικής σήτας, γνωστές ως «αντιεκρηκτικό πλέγμα» (anti-explosion network). Αυτό διασφαλίζει ότι το θερμαντικό στοιχείο μέσα στον αισθητήρα δεν θα προκαλέσει έκρηξη, επειδή ανιχνεύουμε εύφλεκτο αέριο (αλκοόλ).

Επίσης προστατεύει τον αισθητήρα από τα αιωρούμενα σωματίδια και φιλτράρει έτσι ώστε να επιτρέπει μόνο στα αέρια στοιχεία να περάσουν μέσα στον θάλαμο.

Όταν αφαιρεθεί το εξωτερικό πλέγμα, ο αισθητήρας μοιάζει ως εξείς: το στοιχείο ανίχνευσης και τα έξι ποδαράκια σύνδεσης που προεξέχουν από τη βάση βακελίτη σχηματίζουν μια αστεροειδή δομή. Δύο (H) από τα έξι άκρα είναι υπεύθυνα για τη θέρμανση του στοιχείου ανίχνευσης και συνδέονται μεταξύ τους με ένα πηνίο Νικελίου-Χρωμίου (γνωστό αγώγιμο κράμα).

Τα υπόλοιπα τέσσερα άκρα μεταφοράς σήματος (A και B) είναι συνδεδεμένα με σύρματα πλατίνας. Αυτά τα σύρματα συνδέονται στο σώμα του στοιχείου ανίχνευσης και μεταφέρουν μικρές μεταβολές στο ρεύμα που διαρρέει το στοιχείο ανίχνευσης.

Το σωληνοειδές στοιχείο ανίχνευσης είναι κατασκευασμένο από κεραμικό με βάση το Οξείδιο του Αλουμινίου (AL₂O₃) με επίστρωση Διοξειδίου του Καλασσίτερου (SnO₂). Το Διοξείδιο του Κασσίτερου είναι το σημαντικότερο υλικό, επειδή είναι ευαίσθητο στο αλκοόλ. Το κεραμικό υπόστρωμα, από την άλλη, βελτιώνει την αποδοτικότητα θέρμανσης και διασφαλίζει ότι η περιοχή του αισθητήρα θερμαίνεται συνεχώς στη θερμοκρασία λειτουργίας.

Συνοψίζοντας, το Σύστημα Θέρμανσης αποτελείται από πηνίο Νικελίου-Χρωμίου και κεραμικό με βάση το Οξείδιο του Αλουμινίου, ενώ το Σύστημα Ανίχνευσης αποτελείται από σύρματα πλατίνας και επίστρωση Διοξειδίου του Κασσίτερου.

Πώς λειτουργεί ο αισθητήρας αλκοόλης MQ3;

Όταν ένα ημιαγώγιμο στρώμα SnO₂ θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία, οξυγόνο προσροφάται στην επιφάνεια. Όταν ο αέρας είναι καθαρός, ηλεκτρόνια από τη ζώνη αγωγιμότητας του διοξειδίου του καλασσίτερου έλκονται από τα μόρια οξυγόνου. Αυτό δημιουργεί ένα στρώμα απογύμνωσης ηλεκτρονίων (electron depletion layer) ακριβώς κάτω από την επιφάνεια των σωματιδίων SnO₂, σχηματίζοντας ένα δυναμικό φράγμα. Ως αποτέλεσμα, το φιλμ SnO₂ γίνεται πολύ υψηλής αντίστασης και εμποδίζει τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος.

Παρουσία αλκοόλης, όμως, η επιφανειακή πυκνότητα του προσροφημένου οξυγόνου μειώνεται καθώς αντιδρά με την αλκοόλη, μειώνοντας το δυναμικό φράγμα. Έτσι, απελευθερώνονται ηλεκτρόνια στο διοξείδιο του κασσίτερου, επιτρέποντας στο ρεύμα να ρέει πιο ελεύθερα μέσα από τον αισθητήρα.

Επισκόπηση hardware του module αισθητήρα αλκοόλης MQ3

Ο αισθητήρας αλκοόλης MQ3 είναι απλός στη χρήση και έχει δύο διαφορετικές εξόδους. Παρέχει όχι μόνο δυαδική ένδειξη παρουσίας αλκοόλης, αλλά και αναλογική αναπαράσταση της συγκέντρωσής της στον αέρα.

Η τάση αναλογικής εξόδου του αισθητήρα (στο pin A0) μεταβάλλεται ανάλογα με τη συγκέντρωση αλκοόλης. Όσο μεγαλύτερη η συγκέντρωση αλκοόλης στον αέρα, τόσο μεγαλύτερη η τάση εξόδου· όσο μικρότερη η συγκέντρωση, τόσο μικρότερη η τάση εξόδου. Η παρακάτω κίνηση (animation) δείχνει τη σχέση ανάμεσα στη συγκέντρωση αλκοόλης και την τάση εξόδου.

Αυτό το αναλογικό σήμα ψηφιοποιείται από έναν συγκριτή υψηλής ακρίβειας LM393 και γίνεται διαθέσιμο στην Ψηφιακή Έξοδο (pin D0).

Το μοναδα MQ3 περιλαμβάνει ποτενσιόμετρο για ρύθμιση της ευαισθησίας της ψηφιακής εξόδου (D0). Μπορείς να το χρησιμοποιήσεις για να ορίσεις ένα κατώφλι (threshold), ώστε όταν η συγκέντρωση αλκοόλης ξεπεράσει την τιμή κατωφλίου, το module να δίνει έξοδο LOW, αλλιώς HIGH.

Περιστρέφοντας το κουμπί δεξιόστροφα αυξάνεις την ευαισθησία και αριστερόστροφα τη μειώνεις.

Επιπλέον, η μονάδα διαθέτει δύο LED. Το LED τροφοδοσίας (Power) ανάβει όταν η μονάδα είναι ενεργή, και το LED κατάστασης (Status) ανάβει όταν η συγκέντρωση αλκοόλης ξεπεράσει την τιμή κατωφλίου.

Τεχνικές προδιαγραφές

Ακολουθούν οι προδιαγραφές:

• Τάση λειτουργίας: 5V
• Αντίσταση φορτίου: 200kΩ
• Αντίσταση θερμαντήρα: 33Ω±5%
• Κατανάλωση θέρμανσης: <800mW
• Αντίσταση ανίχνευσης: 1MΩ – 8MΩ
• Εύρος συγκέντρωσης: 25 – 500 ppm
• Χρόνος προθέρμανσης: πάνω από 24 ώρες

Διάταξη ακροδεκτών (pinout) του module MQ3

Ας δούμε τώρα το pinout.

• VCC: τροφοδοσία του module. Σύνδεσέ το στην έξοδο 5V του Arduino.
• GND: γείωση.
• D0: δείχνει την παρουσία αλκοόλης. Γίνεται LOW όταν η συγκέντρωση αλκοόλης ξεπεράσει την τιμή κατωφλίου (όπως ρυθμίζεται από το ποτενσιόμετρο) και HIGH διαφορετικά.
• A0: παράγει αναλογική τάση εξόδου ανάλογη της συγκέντρωσης αλκοόλης, άρα υψηλότερη συγκέντρωση δίνει υψηλότερη τάση και χαμηλότερη συγκέντρωση δίνει χαμηλότερη τάση.

Βαθμονόμηση του αισθητήρα αλκοόλης MQ3

Επειδή ο MQ3 είναι αισθητήρας με θερμαντικό στοιχείο, η βαθμονόμησή του μπορεί να «ξεφύγει» (drift) αν παραμείνει αποθηκευμένος για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Όταν χρησιμοποιείται για πρώτη φορά μετά από μακρά αποθήκευση (έναν μήνα ή περισσότερο), ο αισθητήρας πρέπει να ζεσταθεί πλήρως για 24–48 ώρες ώστε να εξασφαλιστεί μέγιστη ακρίβεια.

Αν ο αισθητήρας έχει χρησιμοποιηθεί πρόσφατα, θα χρειαστούν μόνο 5–10 λεπτά για να ζεσταθεί πλήρως. Κατά την περίοδο προθέρμανσης, ο αισθητήρας συνήθως δείχνει υψηλές τιμές και σταδιακά μειώνεται μέχρι να σταθεροποιηθεί.