Il sensore MQ-3: principi di funzionamento dei sensori di alcool

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Molti hanno in casa i rilevatori di GPL o metano, che lanciano un allarme nel momento in cui viene rilevata una fuga di gas: una funzione utilissima soprattutto se integrata in un sistema munito di elettrovalvole che interrompono la fornitura di gas.

Si vanno sempre più diffondendo, inoltre, anche quei piccoli etilometri portatili nei quali si accendono alcuni led ad indicare il “livello di ebrezza”: funzione utilissima anche questa soprattutto se pensiamo alle stragi dovute appunto alle persone incoscienti che si mettono alla guida dopo aver alzato il gomito oltre misura.

Come vedete si tratta sempre, alla fine, di applicazioni che in qualche modo hanno a che vedere con la sicurezza dell’essere umano. Le loro applicazioni non sono affatto recenti e i primi sensori di gas a semiconduttore sono stati inventati intorno agli anni ’70.

Ebbene, sia l’uno che l’altro tipo di strumento, pur montando sensori di tipo differente, sono basati sullo stesso principio di funzionamento.

In questa trattazione farò riferimento ai sensori di alcool (più precisamente Alcool Etilico o Etanolo – l’alcool presente nelle bevande insomma), utilizzati in alcuni etilometri (conosciuti nel mondo anglosassone con il nome di Breathalyzer – analizzatori di “fiato”).

Ho deciso di trattare questo argomento perchè abbraccia due branche a cui sono affezionato: chimica ed elettronica. Quindi per forza di cose e in maniera tale da essere il più accurato possibile dovrò tirare fuori delle nozioni di chimica che magari saranno sconosciute ai più ma possono essere utili per chi invece la chimica la studia.

I sensori di gas/vapore di cui tratterò sono sensori abbastanza piccoli, montati all’interno di un involucro plastico dotato di una reticella superiore che ha una funzione antideflagrante/antifiamma e di protezione verso l’elemento sensibile.

Principi di funzionamento dei sensori di Gas a semiconduttore

Tali sensori sono costituiti all’interno da un tubicino in materiale ceramico (Al2O3) intorno al quale è depositato un film sottile di Biossido di Stagno (SnO2).

Il Biossido di Stagno è un semiconduttore, più precisamente un semiconduttore di tipo N: ovvero tale materiale viene drogato (vengono cioè aggiunti elementi chimici alla sua struttura) in maniera tale che vi sia al suo interno un eccesso di elettroni liberi che sono i responsabili della conduzione di corrente elettrica.

Fin qui nulla di nuovo: è lo stesso sistema che si utilizza per i normali semiconduttori a cui siamo abituati: diodi, leds, transistors ecc. Sappiamo bene qual é la prerogativa dei semiconduttori: a seconda del materiale con cui vengono drogati e della loro struttura possono essere “pilotati” per poter condurre/non condurre la corrente soltanto in particolari casi.

Questo film sottile di biossido di stagno inoltre è poroso, il che vuol dire che presenta dei microfori all’interno dei quali può facilmente penetrare l’ossigeno ambientale. In condizioni normali l’ossigeno viene adsorbito da questo film sottile, sottraendo elettroni alla struttura secondo la reazione:

Come abbiamo detto il Biossido di Stagno ha un eccesso di elettroni; l’ossigeno entrando all’interno del semiconduttore, sottrae questi elettroni (e–) con la conseguenza di far diminuire la conducibilità del materiale (o in altre parole: ne fa aumentare la resistenza elettrica).

In queste condizioni, quindi,  la misurazione di una resistenza molto elevata sul sensore può farci capire che nell’ambiente è “tutto ok”.  Nelle normali applicazioni il sensore viene posto in un circuito a partitore  di tensione in maniera tale da poter misurare la tensione in uscita e fare quindi le opportune conversioni:

Rs è la resistenza offerta del sensore (variabile in funzione della concentrazione di gas), R2 viene anche indicata su alcuni schemi come RL (Resistenza di carico). Vout viene inviato ad un microcontrollore o ad un sistema di misura che effettuerà le opportune conversioni per poter riportare il valore di tensione letto dal partitore nella grandezza misurata dal sensore. La tensione in uscita sarà uguale a:

Per cui man mano che aumenta Rs, tanto minore sarà la tensione Vout misurata.

Per maggiori informazioni: Wikipedia – Partitore di tensione

Mettiamo adesso il caso che nell’ambiente si trovino dei vapori di alcool (faccio l’esempio con l’alcool ma la trattazione può essere adattata anche ad altre sostanze chimiche). Le molecole di alcool saranno adsorbite sulla superficie e l’alcool subirà un processo di ossidazione.

Precisazione per i non-chimici:
Una sostanza si ossida quando perde elettroni. Una sostanza si riduce quando acquista elettroni. Di conseguenza una sostanza viene chiamata ossidante quando causa la perdita di elettroni (quindi di per sè si riduce: ovvero acquista elettroni ma togliendoli ad un’altra sostanza). Una sostanza viene chiamata riducente quando causa l’acquisto di elettroni (e quindi di per sè si ossida).

E’ prassi comune dire difatti che una sostanza si ossida quando si trova a contatto con l’ossigeno (con l’aria) ed è corretto: difatti l’ossigeno è appunto ossidante in quanto tende a togliere elettroni dalle altre sostanze.

I vapori di alcool subiranno il seguente processo:

In realtà questa non è precisamente la reazione che avviene ma ne è soltanto il “prodotto finale” e rappresenta una semplificazione. La sequenza reale dovrebbe essere la seguente: L’alcool etilico (CH3CH2OH) viene ossidato dall’ossigeno molecolare (O2 e non dall’ossigeno caricato negativamente che di per sè non è ossidante in quanto è già ridotto) rilasciando due protoni (H+) i quali reagiscono con l’ossigeno carico negativamente (O–) formando appunto acqua e liberando gli elettroni in eccesso (e–).

In pratica l’alcool (CH3CH2OH) reagisce ossidandosi ad acido acetico (CH3COOH) ed acqua (H2O) e (cosa importante) liberando elettroni.

Gli elettroni liberati ora aumentano la conducibilità del materiale , di conseguenza  la resistenza elettrica diminuisce causando un aumento di Vout nel nostro partitore di tensione.

L’alcool in effetti non si ossida direttamente ad acido acetico ma passa per uno stato intermedio in cui si forma Acetaldeide, ma tale reazione è talmente rapida che in pratica l’acetaldeide non ha vita.

Nella nostra applicazione andremo quindi a determinare una diminuzione di resistenza  del sensore che ci indica che nell’ambiente circostante è appunto presente alcool (o la sostanza per la quale il sensore è stato costruito).

Abbiamo fatto l’esempio dell’alcool etilico ma in realtà il meccanismo è lo stesso per tutti i tipi di gas/vapori: avviene sempre una reazione di ossido-riduzione, ovvero c’è sempre una sostanza che si ossida liberando elettroni e aumentando la conducibilità del sensore. La sensibilità all’uno o all’altro tipo di gas, nei diversi sensori, viene “impostata” (passatemi il termine) cambiando l’elemento di drogaggio del semiconduttore.

C’è un’altra cosa importante da aggiungere: tali sensori hanno sempre all’interno un elemento riscaldante (costituito da una lega di Nickel-Cromo). Questo è necessario per vari motivi. La sensibilità è difatti in funzione della temperatura: maggiore è la temperatura maggiore è la capacità del sistema di “captare” molecole di gas nell’ambiente circostante. Le reazioni che si sviluppano sulla superficie del sensore sono endotermiche, ovvero assorbono calore dall’ambiente circostante, e un aumento di temperatura favorisce il verificarsi delle reazioni chimiche, aumentando di conseguenza la sensibilità, così come l’adsorbimento di ossigeno.

Questi sensori hanno una sensibilità molto elevata: possiamo difatti notare come in presenza di piccole quantità di gas nell’ambiente, la tensione in uscita dal partitore aumenta in maniera repentina. Hanno però numerosi svantaggi tra cui la durata (non hanno una vita molto lunga e necessitano di essere sostituiti dopo alcuni anni di funzionamento) e la risposta non lineare. Il loro basso costo e la loro semplicità di uso però ne hanno di molto diffuso l’utilizzo.

Sensori di Alcool

I sensori di alcool maggiormente diffusi attualmente sono l’MQ-3 (immagine ad inizio articolo) prodotto (?) in Cina dalla Hanwei Electronics e il TGS822 prodotto dalla Giapponese Figaro.

La Figaro, come sensore di alcool etilico oltre al TGS822 ha in catalogo anche il TGS2620, più piccolo, in formato standard e con un basso consumo di corrente.

Le due ditte hanno in catalogo tanti altri sensori di gas molto molto utili, tra cui sensori di Metano o di GPL per citarne alcuni.

Curiosità: il TGS822, in particolare, è sempre stato utilizzato nelle gare di robotica italiane negli istituti tecnici per la rilevazione di alcool nei labirinti (uno degli “obiettivi” da individuare per acquisire punteggio in gara).

I due sensori in questione sono del tutto simili esteticamente e come funzionalità, cambiano i valori di sensibilità (il TGS822 è più preciso ma per contro è molto difficile riuscire a trovarlo attualmente).

Esternamente presentano 6 pin: 2 alimentano la resistenza dell’elemento riscaldante e i restanti 4 sono i due capi dell’elemento sensibile (ovvero della nostra Rs), sdoppiati, in questa figura faccio riferimento all’MQ-3:

Nota: la reticella inferiore non è presente nei sensori di recente produzione

Togliendo la protezione plastica è possibile vedere come è costituito il sensore all’interno:

Foto di Eun Jung Park – sensorworkshop.blogspot.com

Come è possibile vedere dai datasheet (scaricabili in fondo all’articolo) la sensibilità di tali sensori viene espressa in funzione della concentrazione di alcool, come Rs/Ro dove Rs è la resistenza “attuale” del sensore (cioè a varie concentrazioni di vapore) e Ro è  il valore di  resistenza ad una concentrazione nota di alcool (200ppm per l’MQ-3  e 300ppm per il TGS822).

Inoltre il valore di Ro (che ripeto: è il valore di Rs ma ad una concentrazione nota di alcool) non è “fisso” ma oscilla tra 1MΩ e 8MΩ per l’ MQ-3 (@ 0,4mg/l di alcool, corrispondente a circa 200ppm) e tra 1KΩ e 10KΩ per il TGS822 (@ 300ppm), per cui come vedete il TGS822 ha un valore di Ro più ristretto.

La sensibilità di tali sensori è ovviamente in funzione anche dell’umidità ambiente oltre che della temperatura, per cui potete capire come sia molto molto difficile ottenere un sistema di misura preciso con tali sensori, considerando anche il fatto che l’andamento della conducibilità in funzione della concentrazione di gas è logaritmico.

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