Semestrální práce z 34EZS
vypracoval: Martin Řehák


Detektor hořlavých plynů



     Základem detektoru je polovodičový oxidový senzor MQR1003 určený pro detekci hořlavých plynů a par, např. propan-butan, zemní plyn, alkohol, benzín... Princip těchto senzorů založených na Sn02 je známý z 60. let z Japonska jako TGS (Taguchi Gas Sensor). Podstatou činnosti je změna elektrické vodivosti materiálu při sorpci plynů a par. Chemisorpce vyžaduje určitou aktivační energii a proto senzory pracují při zvýšené teplotě (MQR1003 má odporové vyhřívání [30 ohmů] napájené z 5V). Nejpoužívanějšími materiály jsou oxidy kovů, které mají dobrou dlouhodobou stabilitu. Tyto oxidy vykazují vlastnosti polovodičů. Na vzduchu se oxid pokrývá kyslíkem, který vzhledem ke své elektronové afinitě odebírá z oxidu část elektronů. Na povrchu vzniká ochuzená oblast pokrytá ionty kyslíku a vodivost se značně sníží. Pokud se senzor dostane do styku s plynem schopným oxidace, dochází k reakci s kyslíkem a vodivost opět vzroste (u redukujících plynů naopak klesá). Nejpoužívanějším materiálem je Sn02 pro svoji relativně nízkou pracovní teplotu (200-400°C), vysokou citlivost a nízkou cenu. Detekční limit je řádově jednotky ppm. Hlavní nevýhodou je nedostatečná dlouhodobá stabilita a závislost na teplotě a vlhkosti, kterou nelze z principu senzoru vyloučit. Po dlouhé době nečinnosti je třeba při zapnutí počítat s určitou dobou na ustálení odporu, asi kolem 20s.
    Zapojení s tímto senzorem je poměrně jednoduché. Jeden pár vývodů pro vyhřívání je připojen na stabilizovaný zdroj napětí 5V z LM78M05. Druhý pár snímacích vývodů tvoří spolu s odporem R1 a trimrem P1 (kterým lze nastavit citlivost) odporový dělič, z jehož středu se snímá napětí komparátorem K2. Komparátor se opírá o teplotně kompenzovanou referenci tvořenou děličem R2,R3,th. Pro rychlejší přeběh komparátoru je zapojen R4 mezi jeho výstup a neinvertující vstup, čímž tvoří slabou kladnou zpětnou vazbu. Překročí-li vlivem změny odporu senzoru napětí na neinvertujícím vstupu K2 napětí nastavené referenčním děličem, rozepne komparátor svůj výstupní tranzistor (výstupy LM339 nejsou typu R2R ale s otevřeným kolektorem). Aby se výstup K2 nepřetěžoval, je signalizační LED připojena přes K1 jako přes oddělovač. Pro akustickou signalizaci byl využit K3 jako astabilní klopný obvod (AKO), jehož kmitočet je převážně určen časovou konstantou R8-C1. Průběhy viz oscilogram níže. Díky otevřeným kolektorům lze výstupy komparátorů spojovat a vytvořit tak montážní log. součin. AKO běží neustále, ale protože je v klidu jeho výstup "zkratován" sepnutým výstupním tranzistorem K2, není na bázi T1 žádný signál a sluchátkem neprochází žádný proud. Protože se při rozpínání sluchátka (obdélníkový průběh napětí) objevovaly na C-E T1 vysokonapěťové špičky, byla paralelně ke sluchátku připojena zhášecí dioda D2. Tranzistor se tím zničit nepodařilo, ale z hlediska dlouhodobé spolehlivosti je ochrana na místě. Dioda D3 si neklade za cíl ani tak býti usměrňovačem pro střídavé napájení, jakožto spíše zvýšit 'blbovzdornost' zařízení při náhodném přepólování.
     Zapojení bylo nejprve odladěno na nepájivém kontaktním poli pomocí multimetru Metex M-3860M a osciloskopu Grundig MO 52. Poté přeneseno na plošný spoj domácí výroby. Senzor byl umístěn do patice na miniaturní celoskleněné 7-nohé elektronky aby jej bylo možno snadno zaměnit za jiný typ z řady MQR1003-XX. Detektor byl vyzkoušen na přítomnost butanu (plyn do zapalovačů), lihových, benzínových a toluenových par na které bez problémů reagoval. Bohužel je také dost citlivý na změnu vlhkosti (dýchnutí). S tím je třeba počítat aby nedocházelo k planým poplachům. Vzhledem k nízké ceně to však senzoru nelze vyčítat.

schema zapojení:

schema detektoru

seznam součástek:


čidlo hořlavých plynů MQR1003 (GES Electronic)
K1,K2,K3 - 4-násobný komparátor LM339
S1 - stabilizátor LM78M05
P1 - odporový trimr 100k
R1 - 1k5/0,125W
R2,R3 - 5k6/0,125W
R4 - 1M/0,125W
R5 - 270R/0,125W
R6 - 82k/0,125W
R7 - 2k7/0,125W
R8,R10 - 10k/0,125W
R9 - 1k/0,125W
th - termistor NTC 10k
C1 - 10nF (keramika)
C2 - 470uF/16V (elektrolyt)
C3,C5 - 100nF (keramika)
C4 - 6,8uF/16V (tantal)
C6 - 1000uF/16V (elektrolyt)
D1 - LED
D2 - signálová Si dioda
D3 - usměrňovací Si dioda 1A
T1 - KC508

MQR1003 LM339

obrazec plošného spoje s naznačeným osazením:

obrazec PCB, osazeni


osazený plošný spoj:

osazeny PCB


průběh napětí AKO (2V/cm, 500us/cm):

prubeh AKO



Použitá literatura:
Ing. Miroslav Husák, CSc - skripta Senzorové Systémy, ČVUT 1993
katalogové listy MQR1003 a LM339

Sportovní výživa a posilovací stroje Ronnie.cz