Описываемый сигнализатор предназначен для обнаружения опасных концентраций горючих газов в быту. Он имеет хорошую чувствительность к метану, пропану и бутану благодаря использованию в качестве чувствительного элемента модуля MQ-4.
В журнале "Радио" уже приводились описания подобных устройств [1,2]. От описанных ранее этот сигнализатор отличается использованием готового модуля для Arduino-проектов, что позволило упростить конструкцию устройства.
Рис. 1. Схема сигнализатора
Схема сигнализатора приведена на рис. 1. Модуль А1 представляет собой плату c датчиком MQ-4 и позиционируется как модуль применения совместно с серией модулей Arduino [3, 4]. Выходной сигнал с логическими уровнями поступает с выхода DOUT модуля А1 на инвертор, собранный на транзисторе VT1. На микросхеме DA1 собран генератор с частотой следования импульсов 1...2 Гц, к выходу которого подключены светодиод HL1 и акустический излучатель НА1.
После включения питания и завершения прогрева датчика напряжение на выходе DOUT модуля А1 будет близко к напряжению питания. При превышении концентрации газа порогового значения это напряжение скачком уменьшается почти до нуля, генератор запускается. Светодиод HL1 станет вспыхивать с частотой 1...2 Гц, с такой же частотой будет включаться акустический сигнализатор HA1. При необходимости звук может быть выключен выключателем SA1, при этом светодиод HL2, сигнализирующий о включении звуковой сигнализации, будет погашен.
Питать устройство следует от стабилизированного сетевого источника с выходным напряжением 5 В, в качестве которого было применено стабилизированное зарядное устройство от сотового телефона. Ток, потребляемый устройством, не превышает 300 мА, из которых большая часть приходится на нагревательный элемент датчика.
Оригинальная схема модуля а1 (MQ-4), который был использован автором в сигнализаторе, приведена в [5]. В его состав входят повышающий преобразователь напряжения, собственно датчик газа MQ-4 и аналоговый компаратор. Порог срабатывания компаратора устанавливается подстроечным резистором R4. Однако многие однотипные модули в своём составе не имеют преобразователя напряжения, который не является обязательным узлом, если сигнализатор питается от стабилизированного источника питания 5 В. Но подстроечный резистор для установки порога срабатывания есть практически в каждом из модулей MQ-4. Именно этот резистор является обязательным.
Для газа метана нижний концентрационный предел воспламеняемости (НКПВ) составляет 4,4 %. В промышленных сигнализаторах обычно задаются два порога срабатывания: предупредительный - 10...20% от НКПВ; аварийный (отсечной) - 40 % от НКПВ.
Автору не удалось найти нормативных документов, регламентирующих пороги срабатывания именно бытовых сигнализаторов газа. Анализируя аналогичные изделия и нормативные документы для промышленных изделий, был выбран порог срабатывания 10 % от НКПВ, что составляет 0,44 % = 4400 ppm (ppm - одна часть на миллион, 1 ppm = 0,0001 %) концентрации метана в воздухе. По соображениям безопасности калибровка датчика непосредственно по газу в бытовых условиях недопустима, поэтому настройка проводилась расчётным методом, который описан ниже.
Рис. 2. Зависимость сопротивления датчика от концентрации CH4
Чувствительный элемент датчика MQ-4 представляет собой резистор, сопротивление которого зависит от концентрации газа метана в атмосфере. При увеличении его концентрации сопротивление датчика уменьшается. Эта зависимость (нормированная к сопротивлению при концентрации 1000 ppm) показана на рис. 2. По графику видно, что сопротивление датчика при изменении концентрации от 2 ppm (средняя концентрация метана в атмосфере) до 4400 ppm уменьшается примерно в 16 раз (К = 16). Датчик газа совместно с нагрузочным резистором MQ_R2 модуля А1 [5] образуют делитель напряжения. В результате при увеличении концентрации газа напряжение на нагрузочном резисторе, т. е. на аналоговом выходе AOUT модуля А1, будет увеличиваться.
Поскольку график на рис. 2 является относительным, для расчёта абсолютного порогового напряжения необходимо задать какую-либо точку. Удобнее всего взять точку при концентрации 2 ppm (чистый воздух), измерив соответствующее напряжение на выходе AOUT модуля А1, и затем пересчитать это напряжение на пороговую концентрацию 4400 ppm. Используя закон Ома, несложно получить формулу для расчёта порогового напряжения:
где Uпор - пороговое напряжение срабатывания сигнализатора; K - отношение сопротивления датчика в чистом воздухе к сопротивлению при пороговой концентрации газа; Uп - напряжение питания датчика; Uвозд - напряжение на выходе датчика в чистом воздухе.
В использованном автором экземпляре датчика напряжение на выходе AOUT в чистом воздухе составило Uвозд = 0,72 В. При Uп = 5 В, K = 16 пороговое напряжение Uпор = 3,6 В. Это напряжение необходимо установить на движке подстроечного резистора модуля А1. На этом настройка устройства закончена.
В сигнализаторе использованы широко распространённые детали. Резисторы - МЛТ, С2-23, светодиоды HL1, HL2 - любые красного и зелёного свечения соответственно. Акустический излучатель - HCM1206X или аналогичный со встроенным генератором на напряжение питания 5 В. Транзистор VT1 - из серий КТ3102, КТ315 или любой маломощный структуры n-p-n с коэффициентом передачи тока не менее 20. Таймер NE555N можно заменить отечественным таймером КР1006ВИ1.
Рис. 3. Плата сигнализатора в сборе
Рис. 4. Внешний вид устройства
Конструктивно сигнализатор собран на макетной плате методом навесного монтажа и помещён в пластиковый корпус подходящего размера (рис. 3, рис. 4). Около датчика просверлены вентиляционные отверстия, которые также служат для улучшения слышимости звукового сигнализатора НА1. Выключатель акустического излучателя SA1 и разъём питания установлены на боковой поверхности корпуса. При включении сигнализатора в процессе прогрева сенсора будет включаться звуковой сигнал и будет вспыхивать светодиод HL1, что является нормой - так осуществляется самоконтроль устройств индикации. Через 1 ...2 мин звуковой сигнал и светодиод выключаются, и устройство перейдёт в дежурный режим.
Располагать сигнализатор следует на высоте 1...1,5 м от места потенциальной утечки (газовой плиты), чуть в стороне по горизонтали от источника огня. Это позволит избежать нежелательного перегрева сигнализатора.
Для оперативной проверки сигнализатора можно поднести газовую зажигалку к датчику и открыть клапан, не зажигая пламени. Если через несколько секунд сигнализатор сработает, значит, он исправен и будет дальше защищать вас от утечек газа.
Литература
1.Виноградов Ю. Контроль взрывоопасных газов. - Радио, 2000, № 10, с. 37.
2.Суров В. Сигнализатор загазованности воздуха. - Радио, 2009, № 9, с. 37, 38.
3.Датчик газа MQ-4 для Arduino (метан). - URL: https://www.chipdip.ru/ product0/8009337823 (07.09.22).
4.MQ-4 Methane Sensor Circuit Built with an Arduino. - URL: https://www.learningabou telectronics.com/Articles/MQ-4-methane-sensor-circuit-with-arduino.php (07.09.22).
5.Gas-Sensor-Schematic.pdf. - URL: https://bit.ly/3cT9pcd (07.09.22).
Автор: С. Кузнецов, г. Самара