Sensors Quimiorresistius: Què són, funcionament, tipus i exemples pràctics amb MQ-135, MQ-9 i MQ-3

Els avenços en la detecció de gasos han revolucionat l'electrònica domèstica i industrial, brindant dispositius assequibles i senzills per monitoritzar l'ambient i protegir la salut o la seguretat. En aquest camp, els sensors quimiorresistius de la sèrie MQ han esdevingut una referència obligada, tant per a aficionats de l'electrònica com per a professionals interessats en el control de la qualitat de l'aire, la prevenció de riscos o el disseny de noves aplicacions IoT.

Si has arribat fins aquí segurament t'inquieta saber exactament què és un sensor quimiorresitiu, com s'utilitzen models concrets com el MQ-135, MQ-9 o MQ-3, i quines diferències pràctiques hi ha entre ells. Prepara't perquè aquest article va molt més enllà d'una simple definició: aquí trobaràs una explicació detallada, exemples reals de funcionament, instruccions de connexió i detalls de calibratge, així com totes les claus per entendre i integrar aquests dispositius als teus propis projectes.

¿ Què és un sensor quimiorresistiu?

Un sensor quimiorresistiu és un dispositiu capaç de detectar i mesurar la concentració de determinats gasos o compostos químics a l'aire mitjançant la variació de la resistència elèctrica interna. Quan el sensor s'exposa a una substància concreta –com monòxid de carboni, amoníac, alcohol o benzè, entre d'altres–, la resistència elèctrica d'un material sensible (habitualment òxid d'estany, SnO₂, dopat amb altres compostos) canvia de manera proporcional a la concentració d'aquest gas.

Aquests sensors, àmpliament adoptats pel baix cost, fiabilitat i facilitat d'integració, s'utilitzen en control de qualitat ambiental, domòtica, alarmes de fuites, prevenció d'intoxicacions i centenars d'aplicacions més.

Com funciona un sensor quimioresistiu

El principi bàsic dels sensors quimiorresistius, comú a la família MQ, es recolza en tres elements principals:

• Material sensible: Sobre una superfície ceràmica es diposita una capa d'un material, generalment òxid d'estany, que reacciona químicament amb els gasos de l'entorn i n'altera de manera mesurable la conductivitat.
• Calefactor intern: Un petit filament actua com a calefactor, mantenint la temperatura del sensor al punt òptim perquè les reaccions químiques siguin ràpides i precises.
• Circuit divisor de tensió: El sensor funciona com una resistència variable, formant un divisor de tensió al costat d'una resistència (RL), cosa que permet llegir les variacions mitjançant un microcontrolador, convertidor analògic digital o simplement mitjançant un comparador de llindar.

El procés és el següent: en aplicar tensió, el calefactor escalfa la pastilla sensible. Quan hi ha presència del gas objectiu, la resistència interna (Rs) varia. Mesurant el voltatge de sortida es pot inferir la concentració del gas present. A diferència de sensors únicament digitals, la família MQ sol proporcionar tant una sortida analògica proporcional al nivell detectat, Com una sortida digital d'alarma que s'activa quan se supera un llindar ajustable amb un potenciòmetre.

Família MQ: Tipus de Sensors i les seves Aplicacions

La gamma de sensors MQ és extensa i cada model s?especialitza en la detecció d?una o diverses substàncies. Això els fa tremendament versàtils, però també exigeix ​​conèixer bé què és sensible cada sensor per seleccionar l'adequat a cada necessitat.

A la taula següent es recopilen els models més habituals i els gasos per als que estan optimitzats, així com la tensió recomanada per a l'escalfador:

Dins d'aquests, els MQ-3, MQ-9 i MQ-135 són especialment populars per a aplicacions específiques:

• MQ-3: Detecció d'alcohol, etanol i menor mesura fum i benzè. Comú en alcoholímetres i sistemes de control daccés.
• MQ-9: Per detectar monòxid de carboni (CO) i gasos inflamables com GLP, ideal en alarmes de fuga a cuines i tallers.
• MQ-135: Analitza la qualitat de l'aire, detectant amoníac (NH₃), òxids de nitrogen (NOx), benzè, CO₂, fum i vapors d'alcohol, i és molt versàtil en ambients urbans i laboratorials.

Característiques comunes dels sensors MQ

Més enllà de les diferències entre models, la majoria de sensors MQ presenten unes característiques tècniques i dús similars:

• Sensibilitat a múltiples gasos: Tot i que cada sensor està optimitzat per a determinats gasos, la majoria reacciona a més d'un compost, amb una intensitat diferent.
• Doble sortida: inclouen sortida analògica (valor proporcional a la concentració) i sortida digital (activada en superar un llindar ajustable mitjançant potenciòmetre).
• Requereixen escalfament: El calefactor intern ha dassolir temperatura per a mesuraments precises. Es recomana un “cremat” inicial de minuts a hores, i uns minuts de preescalfament a cada encesa després d'estabilització.
• Consum apreciable: El calefactor pot consumir fins a 800 mW, per la qual cosa es recomana una font adequada si es fan servir diversos sensors.
• Estabilitat i vida útil: Gràcies a la seva construcció robusta i disseny electroquímic, ofereixen llarga durada quan es fan servir segons indicacions, especialment quant a temperatura i humitat.
• Sensibilitat ajustable: Mitjançant el potenciòmetre integrat, permetent modificar el llindar dalarma digital.

Funcionament pràctic: del sensor al mesurament

L'ús dels sensors MQ és senzill, però requereix certes cures per obtenir dades fiables.

• El sensor rep 5V (varia en alguns models).
• El pin GND es connecta a massa del sistema.
• La sortida analògica (A0/AOUT) s'enllaça a una entrada analògica del microcontrolador oa un ADC extern si cal.
• La sortida digital (D0/DOUT) es connecta a una entrada digital per a alarmes o esdeveniments.

El processament dels senyals varia segons el tipus de sortida:

1. Lectura digital: Funciona com un interruptor, activant-se quan la concentració supera el llindar ajustat. Ideal per a alarmes simples.
2. Lectura analògica: Permet monitoritzar nivells de gasos en una escala continuada, útil per a accions proporcionals o visualització.

Important! Encara que els sensors MQ són precisos per detectar presència, el seu ús com a mesuradors quantitatius requereix calibratge específic a cada entorn i amb cada sensor, consultant els datasheets del fabricant.

Calibratge, corba de sensibilitat i càlcul de concentració en PPM

Un dels reptes principals és transformar la lectura en una concentració fiable, normalment en PPM. Cada sensor té una corba de sensibilitat específica, documentada al seu full de dades, que relaciona la resistència del sensor en diferents concentracions.

• Rs: Resistència del sensor a la mostra del gas.
• Ro: Resistència en aire net o referència després del cremat inicial.

La ràtio Rs/Ro permet, mitjançant la corba del datasheet, estimar la concentració en PPM. Els passos bàsics de calibratge són:

1. Operar en aire net durant l'estabilització inicial (on Ro s'obté).
2. Mesurar el voltatge en aquestes condicions i calcular Ro amb: Ro = (RL x (Vcc – Vout)) / Vout.
3. Mesurar en presència del gas i calcular Rs amb la mateixa fórmula, usant el Vout corresponent.
4. Calcular Rs/Ro i consultar-ho a la corba per determinar la concentració estimada.

Aquest procés es pot automatitzar en microcontroladors, permetent monitorització contínua i calibratges periòdics per mantenir la precisió.

Exemple detallat de calibratge i ús amb el sensor MQ-3 (Alcohol)

El sensor MQ-3 s'usa àmpliament per detectar alcohol a l'aire, en alcoholímetres o controls d'accés. El seu funcionament és similar a altres MQ, afinat per a etanol i alcohol en general.

Per muntar un sistema amb Arduino, es recomana:

• Connectar seguint l'esquema habitual (VCC, GND, AOUT a entrada analògica, DOUT a digital).
• Fer el cremat inicial de 24 a 48 hores per estabilitzar.
• Calcular Ro en aire net amb la fórmula prèvia, usant RL = 1kΩ (típic).
• Mesurar Rs a cada mostra, calcular Rs/Ro i convertir a concentració amb la corba del datasheet.

L'algorisme a Arduino pot implementar funcions de mesura, càlcul i visualització per facilitar el control i l'adquisició de dades en projectes de monitorització ambiental o control d'alcoholèmia.

Avantatges i limitacions pràctiques dels sensors MQ

Avantatges:

• Baix cost i disponibilitat: Són econòmics i fàcils d'aconseguir, permetent-ne l'ús en múltiples sensors.
• versatilitat: Models especialitzats per a molts gasos, obrint moltes possibilitats a diferents camps.
• Facilitat d'integració: Amb mòduls estàndard i llibreries compatibles, la seva incorporació a sistemes és senzilla.
• Sortides dobles: Digital per a alarmes i analògica per a monitorització contínua.
• Àmplia documentació i comunitat: Facilita l'aprenentatge, la resolució de problemes i el desenvolupament.

Limitacions i precaucions:

• Precisió limitada: No substitueixen equips professionals quan cal exactitud absoluta.
• Sensibilitat creuada: Detecten múltiples gasos, podent falsejar resultats en ambients amb composicions variades.
• Resposta no instantània: La inèrcia tèrmica i química significa que la reacció és relativament lenta i la recuperació pot ser perllongada.
• Calibratge periòdic: És essencial per mantenir la fiabilitat i precisió.
• Consum d'energia: El calefactor pot arribar a consumir fins a 800 mW, cosa que requereix consideració en sistemes amb múltiples sensors.
• Condicions ambientals: Temperatura i humitat afecten la precisió, per la qual cosa el seu ús ha dajustar-se a les especificacions del fabricant.

Integració i exemples de codi a Arduino i microcontroladors

Integrar els sensors MQ a plataformes com Arduino és molt senzill, amb exemples i llibreries disponibles.

lectura digital

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);
}

Lectura analògica

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);
}

Càlcul de concentració (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);
}

Per obtenir concentració en PPM, comparar la ràtio amb la corba logarítmica específica del sensor i interpolant segons el datasheet.

Càlculs avançats i classes de gestió per sensor

Per a sistemes amb múltiples sensors MQ, és recomanable encapsular la lògica a classes o funcions específiques, gestionant paràmetres com Ro, corbes, temps, llindars i gestió del cicle de cremat. Això facilita el manteniment, el calibratge i la fiabilitat del sistema, a més de permetre funcions addicionals com a control d'alarmes, integració IoT i visualització de dades.

Article relacionat:

Guia Completa sobre el Sensor MQ-2 per a Arduino: Funcionament i Aplicacions