Construction d’un compteur de gaz autonome

Dans cet article en deux parties, on verra comment réaliser trois projets de base, simples, d’une grande utilité et polyvalents, pour la détection des gaz polluants à l’intérieur ou à l’extérieur : un compteur de gaz autonome. Une alarme autonome pour une concentration de gaz excessive, un compteur de gaz interfacé à un PC. Ces deux derniers projets sont réalisés avec Arduino et décrits dans la deuxième partie. Comme capteurs, on utilisera les capteurs de gaz les plus courants et les moins chers, qui peuvent être facilement achetés en ligne. Ils peuvent être achetés séparément de la carte d’amplification électronique sur laquelle ils sont montés, qui peut donc être utilisée pour monter n’importe quel capteur de la série. Veuillez noter que les capteurs sont souvent vendus déjà montés ou soudés sur cette carte d’amplification.

A. Les différents types de gaz qui peuvent être détectés avec les capteurs de gaz de la série MQ de Hanwei.

Les capteurs de la série MQ utilisent une résistance sensible au gaz constituée d’une couche de SnO2 pour détecter les concentrations de gaz et possèdent un élément chauffant interne pour maintenir le capteur à la bonne température. Comme il s’agit d’un facteur important pour déterminer la valeur lue par le capteur, il convient d’ajouter un capteur de température et d’humidité lorsque les capteurs de gaz sont utilisés à l’extérieur. De plus, le temps de préchauffage de ces capteurs est d’au moins 24 heures, ils doivent donc être alimentés 24 heures sur 24.

B. Misuratore autonome intérieur ou extérieur

Les capteurs MQ fournissent une petite tension de sortie de l’ordre de dizaines ou de centaines de mV, qui peut être envoyée, par exemple, à un testeur pour une simple lecture, afin de créer un compteur autonome qui peut être utilisé pour mesurer le niveau d’un certain gaz à l’intérieur ou à l’extérieur. Le fonctionnement des capteurs MQ. Notez que la réponse n’est pas linéaire, source : Arduino. Vous pouvez trouver ces capteurs à faible coût en ligne. Pour estimer, à partir de la valeur de cette tension de sortie, les concentrations de gaz : en ppm fournies par les capteurs MQ, vous pouvez utiliser les graphiques des fiches techniques des capteurs spécifiques sélectionnés. On verra plus loin sur cette même page comment le faire. Pour réaliser le simple compteur de gaz autonome qu’on a conçu, vous avez besoin des matériaux suivants, disponibles à un coût modeste sur tout site web spécialisé par exemple Robotitaly, Futura Elettronica, etc., ou encore moins, sur les portails chinois à bas prix par exemple Bangood, option recommandée surtout pour certains capteurs QM plus coûteux ou pour de grandes quantités. La diode clignotante n’est pas indispensable, et est connectée de telle sorte qu’elle clignote, lorsqu’elle reçoit du courant, pour signaler que l’appareil est allumé et fonctionne. Pour l’alimentation électrique, il est préférable d’utiliser une alimentation stabilisée qui délivre une tension de 5 V, ou une alimentation stabilisée et filtrée, toujours 5 V fournie par un port USB quelconque : par exemple celui d’un ordinateur portable ou d’une batterie de secours de poche. L’électronique d’amplification sur laquelle le capteur MQ est monté a une sortie à 4 broches. À la broche GND doit être connecté le pôle négatif provenant de l’alimentation électrique, à la broche VCC le pôle positif de l’alimentation électrique avec une tension de 5 V, vérifier la polarité avec un testeur avant de connecter l’alimentation électrique. La LED est alimentée en parallèle. S’il est alimenté par un transformateur variable, réglez sa sortie sur 5 V.

C. Diagramme de compteur de gaz, valable pour tout capteur de la série MQ.

Quant au conteneur acheté sur Robotitaly, vous devrez faire un trou pour la LED, d’abord avec une perceuse, puis l’élargir en tournant une paire de ciseaux. De plus, avec des cutters, vous devrez faire une petite fenêtre triangulaire sur le côté pour les deux fils de l’alimentation électrique. Dans le conteneur qu’on a choisi, il y a déjà une fenêtre frontale pour le capteur qui doit être légèrement élargie et une pour les fils de sortie. Comme testeur sur lequel afficher la tension de sortie du capteur, c’est-à-dire aux extrémités des deux fils, l’un provenant de la broche fournissant la sortie du signal analogique : A0, et l’autre du GND, vous pouvez également utiliser un modèle peu coûteux, comme ceux que vous trouvez sur n’importe quel site de bricolage. Réglez le premier débit à 2 V DC et lisez la valeur de sortie du capteur Remarque : pendant les 3 premières minutes de préchauffage, la tension de sortie peut être supérieure à 2 V, réglez donc un débit plus élevé.

D. Le compteur de gaz autonome vu de l’extérieur et de l’intérieur.

Bien sûr, la tension de sortie du capteur qu’on vient de décrire peut être utilisée comme entrée pour une carte programmable comme Arduino, et à ce stade, les applications possibles sont presque infinies. Si vous ne connaissez pas l’environnement d’Arduino, il vous est renvoyé à l’article : comment construire un détecteur de particules PM10 et PM2, 5 pour une introduction rapide au sujet. En attendant, dans le projet suivant contenu dans la deuxième partie de l’article projet appelé Alarme de concentration excessive, vous pouvez voir comment faire les connexions entre le capteur et la carte Arduino, ce qui vous permettra d’interfacer le capteur et son électronique d’amplification à la carte Arduino la plus répandue sur le marché. Dans le projet final de la série, Meter interfaced to a computer, on verra plutôt comment représenter graphiquement le signal sur un PC.

E. Comment convertir le voltage en PPM ?

Les valeurs affichées maintenant par le testeur sont la tension de sortie du capteur. Mais comment transformer les valeurs brutes fournies par le testeur en parties par million : ppm ? Normalement, l’étalonnage du capteur avec une ou plusieurs sources standard de concentrations connues fournit la formule de conversion de la tension : V émise par le capteur en concentration de gaz : ppm. Cependant, il n’est ni stable pendant de longues périodes ni très précis et, en tout état de cause, il est généralement hors de portée d’un amateur. Toutefois, si vous n’utilisez pas le capteur pour la sécurité de la vie ou de la santé, ou comme seul dispositif de détection pour une telle application, pour estimer les concentrations de gaz : généralement, en ppm, vous pouvez utiliser la courbe caractéristique fournie dans la fiche technique du capteur utilisé, si vous êtes en mesure de le faire. En fait, la fiche technique des capteurs MQ ne vous indique malheureusement pas le mV par ppm. On verra bientôt une première façon de convertir le voltage en concentration de gaz. On sait déjà que plus la concentration de gaz est élevée, plus la tension de sortie du capteur est élevée. Plus la concentration de gaz est faible, plus la tension de sortie est faible. Toutefois, cette relation n’est pas linéaire, sauf en première approximation et pour des variations de quelques points de pourcentage. Avec le testeur, vous ne pouvez donc effectuer que des mesures relatives approximatives de la concentration du gaz qui vous intéresse, et dans tous les cas, celles-ci doivent être effectuées dans des conditions de température et d’humidité constantes ou presque en pratique, uniquement à l’intérieur. Comment peut-on donc transformer les valeurs de tension de sortie du capteur en concentration de gaz en parties par million : ppm en tenant compte de la courbe caractéristique indiquée dans la fiche technique du capteur ? On va maintenant voir comment faire en décrivant une première manière possible, une manière plus simple, utilisant Arduino, sera décrite dans la deuxième partie de l’article, mais gardez à l’esprit que même les mesures absolues réalisables avec vos capteurs non calibrés peuvent être considérées comme valables uniquement en première approximation.

F. Les courbes caractéristiques du capteur MQ-2. Source : fiche technique

Le graphique ci-dessus montre plusieurs gaz sur une échelle logarithmique : 100, 1000, 10 000 ppm, etc., correspondant à une concentration de 0,01 %, 0,11 %. Lorsque ces valeurs sont tracées sur un graphique normal, elles représentent une courbe exponentielle : en fait, le graphique d’une fonction exponentielle sur une échelle logarithmique est une ligne droite. La formule de dérivation de cette courbe exponentielle à partir du graphique de la courbe de sensibilité du capteur fourni dans la fiche technique correspondante est donc toujours la même, et peut être utilisée pour d’autres types de capteurs de gaz MQ. 

G. La formule de dérivation de la courbe exponentielle. Source : Instructables

Pour obtenir la courbe de concentration : ppm en fonction de la tension : V, vous pouvez recréer la courbe de sensibilité en sélectionnant les points de données du graphique ci-dessus ou utiliser un logiciel d’analyse graphique tel que numériseur Engauge. Tracez les valeurs en ppm sur l’axe des y et la tension du capteur sur l’axe des x. Cette méthode est suffisamment précise pour identifier les niveaux de gaz dangereux. Les barres d’erreur estimées sont d’environ 20 ppm pour les capteurs de GPL et de méthane et d’environ 5 ppm pour le capteur de monoxyde de carbone : CO.

H. La courbe de concentration : ppm en fonction de la tension : V obtenue.

À ce stade, vous pouvez trouver une équation approximative pour la courbe de la concentration : ppm en fonction de la tension : V. Vous pouvez faire le meilleur ajustement directement avec une exponentielle, c’est-à-dire avec une fonction comme y = ex et obtenir l’équation que vous recherchez. 

I. Les courbes de meilleur ajustement ont été déterminées pour trois capteurs de la série MQ.

En approximant la courbe qui intéresse les gens avec un polynôme approprié, vous pouvez mettre en œuvre la conversion automatique de la tension en volts à la concentration en ppm au niveau du logiciel, c’est-à-dire dans un croquis Arduino. Et en ce qui concerne les influences de la température et de l’humidité, si vous voulez déterminer ou comparer avec précision des valeurs relatives ou absolues, vous devez également envisager de mesurer ces paramètres pour compenser, et cela complique les choses.