أحدثت التطورات في مجال كشف الغازات ثورةً في الإلكترونيات المنزلية والصناعية، حيث وفرت أجهزةً بسيطةً وبأسعار معقولة لمراقبة البيئة وحماية الصحة والسلامة. وفي هذا المجال، أجهزة استشعار مقاومة للمواد الكيميائية من سلسلة MQ لقد أصبحت مرجعًا لا غنى عنه لمحبي الإلكترونيات والمحترفين المهتمين بمراقبة جودة الهواء، أو الوقاية من المخاطر، أو تصميم تطبيقات إنترنت الأشياء الجديدة.
إذا وصلت إلى هذا الحد، فمن المحتمل أنك تشعر بالفضول لمعرفة ذلك بالضبط ما هو المستشعر المقاوم للعلاج الكيميائي؟، كيف يمكن للنماذج المحددة مثل MQ-135 أو MQ-9 أو MQ-3وما هي الفروقات العملية بينها. استعدوا، فهذه المقالة تتجاوز مجرد تعريف بسيط: ستجدون هنا شرحًا مفصلاً، وأمثلة واقعية، وتعليمات توصيل، وتفاصيل معايرة، بالإضافة إلى جميع المفاتيح لفهم هذه الأجهزة ودمجها في مشاريعكم الخاصة.
ما هو المستشعر المقاوم للعلاج الكيميائي؟
Un المستشعر المقاوم الكيميائي هو جهاز قادر على اكتشاف وقياس تركيز بعض الغازات أو المركبات الكيميائية في الهواء. بتغيير مقاومته الكهربائية الداخلية. عند تعرض المستشعر لمادة معينة، مثل أول أكسيد الكربون، أو الأمونيا، أو الكحول، أو البنزين، وغيرها، تتغير المقاومة الكهربائية للمادة الحساسة (عادةً أكسيد القصدير، SnO₂، المضاف إليه مركبات أخرى) بشكل متناسب مع تركيز ذلك الغاز.
تُستخدم هذه المستشعرات، التي تم اعتمادها على نطاق واسع نظرًا لتكلفتها المنخفضة وموثوقيتها وسهولة دمجها، في مراقبة جودة البيئة، وأتمتة المنازل، وأجهزة إنذار التسرب، ومكافحة السموم، ومئات التطبيقات الأخرى.
كيف يعمل المستشعر المقاوم للعلاج الكيميائي
يعتمد المبدأ الأساسي لأجهزة الاستشعار المقاومة للمواد الكيميائية، المشتركة بين عائلة MQ، على ثلاثة عناصر رئيسية:
- المواد الحساسة: تُرسَب طبقة من مادة، عادةً أكسيد القصدير، على سطح سيراميكي. تتفاعل هذه المادة كيميائيًا مع الغازات المحيطة، مما يُغيّر موصليتها بشكل ملحوظ.
- سخان داخلي: يعمل خيط صغير كسخان، مما يحافظ على درجة حرارة المستشعر عند درجة الحرارة المثالية للتفاعلات الكيميائية السريعة والدقيقة.
- دائرة مقسم الجهد: يعمل المستشعر كمقاوم متغير، ويشكل مقسم جهد مع المقاوم (RL)، مما يسمح بقراءة الاختلافات بواسطة متحكم دقيق أو محول رقمي تناظري أو ببساطة من خلال مقارن العتبة.
تتم العملية كما يلي: بتطبيق الجهد، يُسخّن السخّان الحبيبات الحساسة. عند وجود الغاز المستهدف، تتغير المقاومة الداخلية (Rs). بقياس جهد الخرج، يُمكن استنتاج تركيز الغاز الموجود. على عكس المستشعرات الرقمية البحتة، تُوفّر سلسلة MQ عادةً كلاً من الإخراج التناظري متناسب مع المستوى المكتشفكواحد مخرج إنذار رقمي والتي يتم تنشيطها عند تجاوز عتبة قابلة للتعديل باستخدام مقياس الجهد.
عائلة MQ: أنواع المستشعرات وتطبيقاتها
تتميز مستشعرات MQ بنطاق واسع، ويتخصص كل طراز في الكشف عن مادة واحدة أو أكثر. هذا يجعلها متعددة الاستخدامات للغاية، إلا أن اختيار المستشعر المناسب لكل حاجة يتطلب فهمًا دقيقًا لحساسية كل مستشعر.
يوضح الجدول التالي النماذج الأكثر شيوعًا والغازات التي تم تحسينها لها، بالإضافة إلى الجهد الموصى به للسخان:
| نموذج | تم اكتشاف الغازات | تغذية السخان |
|---|---|---|
| MQ-2 | الميثان، البوتان، الغاز البترولي المسال، الدخان | 5V |
| MQ-3 | الكحول والإيثانول والدخان | 5V |
| MQ-4 | الميثان والغاز الطبيعي | 5V |
| MQ-5 | الغاز الطبيعي، غاز البترول المسال | 5V |
| MQ-6 | البوتان، غاز البترول المسال | 5V |
| MQ-7 | أول أكسيد الكربون | بدائل 5 فولت / 1.4 فولت |
| MQ-8 | هيدروجين | 5V |
| MQ-9 | أول أكسيد الكربون، الغازات القابلة للاشتعال | بدائل 5 فولت / 1.5 فولت |
| MQ-131 | الأوزون | 6V |
| MQ-135 | البنزين، الكحول، الدخان، جودة الهواء | 5V |
ومن بين هؤلاء، MQ-3 وMQ-9 وMQ-135 تحظى بشعبية خاصة لتطبيقات محددة:
- MQ-3: الكشف عن الكحول والإيثانول، وبدرجة أقل، الدخان والبنزين. يُستخدم بكثرة في أجهزة قياس نسبة الكحول في الدم وأنظمة التحكم في الدخول.
- MQ-9: لكشف أول أكسيد الكربون (CO) والغازات القابلة للاشتعال مثل غاز البترول المسال، مثالي لأجهزة إنذار التسرب في المطابخ وورش العمل.
- MQ-135: يقوم بتحليل جودة الهواء، واكتشاف الأمونيا (NH₃)، وأكاسيد النيتروجين (NOx)، والبنزين، وثاني أكسيد الكربون، والدخان وبخار الكحول، مما يجعله متعدد الاستخدامات للغاية في البيئات الحضرية والمختبرية.
الميزات المشتركة لأجهزة استشعار MQ
إلى جانب الاختلافات بين النماذج، فإن معظم أجهزة استشعار MQ لديها عدد قليل خصائص تقنية واستخدامية مماثلة:
- حساسية الغازات المتعددة: على الرغم من أن كل مستشعر مُحسَّن لغازات محددة، فإن معظمها يتفاعل مع أكثر من مركب واحد، بكثافة متفاوتة.
- إخراج مزدوج: وهي تشمل مخرج تناظري (القيمة متناسبة مع التركيز) و الإخراج الرقمي (يتم تنشيطه عند تجاوز عتبة قابلة للتعديل بواسطة مقياس الجهد).
- إنهم يحتاجون إلى الإحماء: يجب أن يصل السخان الداخلي إلى درجة حرارة عالية للحصول على قياسات دقيقة. يُنصح بتسخينه لمدة تتراوح بين دقائق وساعات، يليه تسخين مسبق لبضع دقائق في كل مرة بعد التثبيت.
- الاستهلاك الملحوظ: يمكن أن يستهلك السخان ما يصل إلى 800 ميغاواط، لذا يوصى باستخدام مصدر طاقة مناسب في حالة استخدام أجهزة استشعار متعددة.
- الاستقرار ومدة الصلاحية: بفضل بنيتها القوية وتصميمها الكهروكيميائي، فإنها توفر عمرًا طويلاً عند استخدامها وفقًا للتوجيهات، خاصة فيما يتعلق بدرجة الحرارة والرطوبة.
- حساسية قابلة للتعديل: باستخدام مقياس الجهد المتكامل، مما يسمح بتعديل عتبة التنبيه الرقمي.
التشغيل العملي: من المستشعر إلى القياس
استخدام مستشعرات MQ بسيط، ولكنه يتطلب بعض العناية للحصول على بيانات موثوقة. يتضمن التوصيل الأساسي ما يلي:
- يستقبل المستشعر 5 فولت (يختلف في بعض الموديلات).
- يتصل دبوس GND بأرضية النظام.
- يتم ربط المخرج التناظري (A0/AOUT) بمدخل تناظري للميكروكنترولر أو بمحول تناظري رقمي خارجي إذا لزم الأمر.
- يتصل المخرج الرقمي (D0/DOUT) بمدخل رقمي للتنبيهات أو الأحداث.
تختلف معالجة الإشارة حسب نوع الإخراج:
- القراءة الرقمية: يعمل كمفتاح، يُفعّل عند تجاوز التركيز الحدّ المُحدّد. مثالي للإنذارات البسيطة.
- القراءة التناظرية: يسمح بمراقبة مستويات الغاز على نطاق مستمر، وهو مفيد للإجراءات المتناسبة أو التصور.
مهم! على الرغم من أن أجهزة استشعار MQ دقيقة في اكتشاف الوجود، إلا أن استخدامها كمقاييس كمية يتطلب معايرة محددة في كل بيئة ومع كل مستشعر، مع استشارة أوراق بيانات الشركة المصنعة.
المعايرة ومنحنى الحساسية وحساب التركيز في PPM
أحد التحديات الرئيسية هو تحويل القراءة إلى تركيز موثوق، وعادةً ما يكون ذلك في جزء في المليونيتمتع كل مستشعر بمنحنى حساسية محدد، موثق في ورقة البيانات الخاصة به، والذي يربط بين مقاومة المستشعر عند تركيزات مختلفة.
- روبية: مقاومة المستشعر في عينة الغاز.
- رو: مقاومة الهواء النظيف أو المرجع بعد الاحتراق الأولي.
تسمح لك نسبة Rs/Ro بتقدير التركيز بوحدة جزء في المليون باستخدام منحنى ورقة البيانات. خطوات المعايرة الأساسية هي:
- قم بالعمل في الهواء النظيف أثناء التثبيت الأولي (حيث يتم الحصول على التناضح العكسي).
- قم بقياس الجهد في ظل هذه الظروف وحساب Ro باستخدام: Ro = (RL x (Vcc – Vout)) / Vout.
- قم بالقياس في وجود الغاز وحساب Rs بنفس الصيغة، باستخدام Vout المقابل.
- احسب Rs/Ro وابحث عنه على المنحنى لتحديد التركيز المقدر.
يمكن أتمتة هذه العملية في المتحكمات الدقيقة، مما يسمح بالمراقبة المستمرة والمعايرة الدورية للحفاظ على الدقة.
مثال تفصيلي للمعايرة والاستخدام مع مستشعر MQ-3 (الكحول)
El الاستشعار MQ-3 يُستخدم على نطاق واسع للكشف عن الكحول في الهواء، وفي أجهزة قياس نسبة الكحول في الزفير، وفي ضوابط الدخول. يشبه عمله أجهزة قياس نسبة الكحول الأخرى، وهو مُصمم للكشف عن الإيثانول والكحول بشكل عام.
لبناء نظام باستخدام Arduino، يوصى بما يلي:
- قم بالتوصيل وفقًا للمخطط المعتاد (VCC، GND، AOUT إلى الإدخال التناظري، DOUT إلى الإدخال الرقمي).
- قم بإجراء عملية "الحرق" الأولية لمدة تتراوح بين 24 إلى 48 ساعة لتحقيق الاستقرار.
- احسب التناضح العكسي في الهواء النظيف باستخدام الصيغة السابقة، باستخدام RL = 1kΩ (نموذجي).
- قم بقياس Rs في كل عينة، وحساب Rs/Ro وتحويله إلى التركيز باستخدام المنحنى الموجود في ورقة البيانات.
يمكن لخوارزمية Arduino تنفيذ وظائف القياس والحساب والعرض لتسهيل التحكم واكتساب البيانات في مشاريع مراقبة البيئة أو جهاز قياس نسبة الكحول في الدم.
المزايا العملية والقيود على أجهزة استشعار MQ
المزايا:
- انخفاض التكلفة والتوافر: إنها غير مكلفة ويسهل الحصول عليها، مما يسمح باستخدامها في أجهزة استشعار متعددة.
- التنوع: نماذج متخصصة للعديد من الغازات، مما يفتح العديد من الإمكانيات في مجالات مختلفة.
- سهولة التكامل: باستخدام الوحدات النمطية القياسية والمكتبات المتوافقة، يصبح دمجها في الأنظمة أمرًا سهلاً.
- مخرجات مزدوجة: رقمية للإنذارات وتناظرية للمراقبة المستمرة.
- توثيق واسع النطاق والمجتمع: تسهيل التعلم وحل المشكلات والتطوير.
القيود والاحتياطات:
- دقة محدودة: إنها ليست بديلاً عن المعدات الاحترافية عندما تكون الدقة المطلقة مطلوبة.
- الحساسية المتبادلة: إنها قادرة على اكتشاف غازات متعددة، ويمكنها تزوير النتائج في البيئات ذات التركيبات المتنوعة.
- استجابة غير فورية: إن القصور الحراري والكيميائي يعني أن التفاعل يكون بطيئًا نسبيًا ويمكن أن تطول فترة التعافي.
- المعايرة الدورية: من الضروري الحفاظ على الموثوقية والدقة.
- استهلاك الطاقة: يمكن أن يستهلك السخان ما يصل إلى 800 ميغاواط، وهو ما يتطلب النظر فيه في الأنظمة ذات أجهزة الاستشعار المتعددة.
- condiciones ambientales: تؤثر درجة الحرارة والرطوبة على الدقة، لذا يجب أن يكون الاستخدام وفقًا لمواصفات الشركة المصنعة.
أمثلة التكامل والترميز لـ Arduino والميكروكنترولر
دمج مستشعرات MQ في منصات مثل Arduino سهلٌ للغاية، مع توفر أمثلة ومكتبات. فيما يلي بعض الأمثلة الأساسية:
قراءات رقمية
const int MQ_PIN = 2; // Pin conectado a DOUT del sensor
const int MQ_DELAY = 2000;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
bool estado = digitalRead(MQ_PIN);
if (!estado) {
Serial.println("Detección de gas");
} else {
Serial.println("No detectado");
}
delay(MQ_DELAY);
}
القراءة التناظرية
const int MQ_PIN = A0; // Pin conectado a AOUT del sensor
const int MQ_DELAY = 2000;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int valor_adc = analogRead(MQ_PIN);
float voltaje = valor_adc * (5.0 / 1023.0);
Serial.print("Valor ADC:");
Serial.print(valor_adc);
Serial.print(" V:");
Serial.println(voltaje);
delay(MQ_DELAY);
}
حساب التركيز (PPM)
const int MQ_PIN = A0;
const int RL = 1; // kΩ, resistencia del circuito
float Ro = 10.0; // Valor calibrado en aire limpio
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int adc_value = analogRead(MQ_PIN);
float voltaje = adc_value * (5.0 / 1023.0);
float Rs = RL * (5.0 - voltaje) / voltaje;
float ratio = Rs / Ro;
// Consultar curva del fabricante para convertir ratio en PPM
Serial.print("Voltaje:");
Serial.print(voltaje);
Serial.print(" Rs:");
Serial.print(Rs);
Serial.print(" Ratio Rs/Ro:");
Serial.println(ratio);
delay(1000);
}
للحصول على التركيز بوحدة PPM، قارن النسبة مع المنحنى اللوغاريتمي الخاص بالمستشعر وقم بالتدخل وفقًا لورقة البيانات.
دورات الحسابات المتقدمة وإدارة المستشعرات
بالنسبة للأنظمة التي تحتوي على مستشعرات MQ متعددة، يُنصح بتغليف المنطق في فئات أو وظائف محددة، مع إدارة معلمات مثل RO، والمنحنيات، والتوقيت، والعتبات، وإدارة دورة الاحتراق. يُسهّل هذا صيانة النظام ومعايرته وموثوقيته، مع تمكين ميزات إضافية مثل مراقبة الإنذارات، وتكامل إنترنت الأشياء، وتصور البيانات.
