Open Electronics publicó el diseño de un detector que avisa cuando el ambiente donde está instalado contiene gas sobre el umbral de peligro. Sirve para detectar fugas de GLP, metano y otros gases combustibles.
El peligro de una fuga de gas en casa
Los accidentes domésticos por fugas de gas de cocina y calefacción, ya sea de red o de cilindro, aparecen con frecuencia en las noticias. El riesgo principal no es la intoxicación, porque los gases combustibles de uso doméstico no envenenan si se inhalan en cantidades moderadas. El riesgo es la explosión, que puede gatillar una chispa en la habitación, por ejemplo la de un interruptor, el contacto de un relé o un termostato electromecánico.
Por eso hay que poder detectar a tiempo si una cañería, una cocina, un calefón o una estufa a gas tienen una fuga. Si estamos en casa y despiertos, normalmente lo notamos por el olor, pero cuando no hay nadie la fuga puede volverse muy peligrosa. El metano puro no tiene olor. Lo que se percibe se debe a sustancias que se le agregan, llamadas mercaptanos, u otros odorizantes.
¿Cómo funciona un detector de gas?
Los llamados "detectores de gas" existen hace tiempo. Algunos solo generan un aviso óptico o sonoro, emitido por un transductor de estado sólido que maneja un transistor para no producir chispas. Otros, además de la alarma visual y sonora, cortan la cañería de entrada del gas mediante una electroválvula instalada en serie con el tubo que sale del medidor. El circuito que propone Open Electronics tiene esa doble acción, señalización y corte del gas.
El dispositivo se basa en un sensor clásico de gases combustibles (y no solo de esos) con un elemento sensible calefaccionado.
Hacia dónde va el gas, GLP contra metano
Cuando hay una fuga, el peligro depende del peso específico del gas, porque de eso depende cómo se dispersa. El GLP, el gas típico de los cilindros o de los estanques exteriores enterrados o sobre el suelo, es más pesado que el aire y tiende a acumularse abajo. En una casa eso significa que baja, por ejemplo, hacia el subterráneo, porque se desplaza como lo haría el agua.
Ese comportamiento es peligroso por dos motivos. Es difícil detectar una fuga de GLP estando de pie, salvo cuando la habitación ya está tan saturada que la menor chispa puede hacer volar todo. Y el gas puede acumularse en un sótano o, al aire libre, en una entrada de autos o en un patio bajo el nivel de la calle, donde forma una "piscina" potencialmente explosiva. Es una de las razones por las que los autos a GLP no se aceptan en estacionamientos subterráneos.
El gas natural, conocido como metano (aunque no es metano puro), tiene un peso específico menor que el del aire, así que tiende a subir, hacia el techo en un recinto cerrado o hacia el cielo si la fuga está al aire libre. Por eso una fuga de gas natural en una casa se nota con más facilidad estando de pie.
Características del sensor MQ-2
El sensor que usa el proyecto es el MQ-2 de Hanwei Electronics (www.hwsensor.com). Se basa en una estructura de película de óxido metálico, usada hace años para detectar gases y aerosoles como los de solventes y alcoholes. Detecta GLP, isobutano, propano, metano e hidrógeno, y también, con otra sensibilidad, alcohol etílico, monóxido de carbono (CO) y humo de combustión.
El elemento sensible es una capa de óxido que calienta un filamento ubicado debajo, alimentado por dos pines dedicados (marcados H, de heater) para llegar a su temperatura óptima de trabajo. El filamento tiene una resistencia en frío de cerca de 33 ohm, es de una aleación de níquel y cromo y no tiene polaridad, aunque para este uso conviene alimentarlo con corriente continua.
La película metálica es de dióxido de estaño (SnO2) y va sobre un soporte cerámico tubular de alúmina (Al2O3), que es aislante eléctrico. Su característica es que, al calentarse, se vuelve permeable en distinto grado a los átomos de los gases a los que es sensible.
Estructura y forma de uso del sensor
En uso, el sensor se conecta formando un divisor con una resistencia, idealmente variable para ajustar la sensibilidad. Sobre esa resistencia se toma una tensión continua cuya amplitud depende directamente de la concentración de gas en el aire.
El contacto con el gas y la reacción química de óxido-reducción que provoca alteran la conductividad eléctrica de la película de dióxido de estaño. En reposo, la resistencia medible, que el fabricante llama Rs, es del orden de unos pocos kilohm.
El fabricante define Ro como la resistencia del elemento sensible con una concentración en aire de 1.000 ppm de hidrógeno, y ese es el valor de referencia. La figura 2 muestra cómo responde la capa sensible del MQ-2 a los distintos gases y aerosoles, a 20 °C de temperatura ambiente, 65% de humedad relativa y 21% de oxígeno en el aire.
La curva de sensibilidad
La curva corresponde a una resistencia de carga de 5 kΩ, que es la que forma el divisor con la capa sensible en el esquema eléctrico. El gráfico muestra que el MQ-2 también responde a varios aerosoles y gases, porque así se comporta la película de dióxido de estaño, aunque para este proyecto lo que importa es la respuesta a los gases combustibles.
En aire limpio, la razón entre la resistencia del sensor y la resistencia de referencia Ro no cambia. Cuando sube la concentración de gas, alcohol u otro compuesto, esa razón baja en distinto grado, porque Rs disminuye. La pendiente de la caída de resistencia es bastante lineal y depende del gas o aerosol. Si es de 0,6 veces por cada década del diagrama logarítmico, y a 1.000 ppm corresponde un cierto valor de Rs/Ro, con diez veces esa concentración la razón queda en cerca de 0,6 veces ese valor.
Cómo se calcula la razón Rs/Ro
Para el GLP, el gas típico de cilindro, la figura 2 muestra una razón Rs/Ro de cerca de 0,8 a 1.000 ppm, que baja a cerca de 0,27 a 10.000 ppm, con una pendiente media de cerca de 0,35. Para el metano, Rs/Ro vale 3 a 200 ppm y 1,5 a 2.000 ppm, con una tasa de 0,5.
El valor de Rs que entrega el fabricante para una concentración de isobutano de 1.000 ppm es cercano a 3. Como Rs/Ro es cerca de 0,9 a 1.000 ppm, Ro resulta cercano a 3,3 kilohm.
Para detectar el cambio de resistencia, la película se ubica en un divisor resistivo alimentado a 5 V, con una resistencia de carga (la que va a tierra del circuito de medición) típicamente de 5 kilohm. Al subir la concentración de gas en el aire que entra al MQ-2, la resistencia de la película baja y la tensión medible sobre la resistencia de carga sube.
El esquema eléctrico del circuito
El circuito cumple dos funciones. Da una indicación visual y sonora, con un LED y un zumbador piezoeléctrico, y conmuta un circuito mediante el contacto de un relé. El relé es de tipo sellado y su contacto no queda expuesto al ambiente, así que no genera chispas peligrosas cuando detecta gas sobre las concentraciones de riesgo.
El divisor resistivo y el disparo
El esquema usa la configuración descrita más arriba. La resistencia del elemento sensible va en serie con otra resistencia y forma un divisor con ella. Como el sensor es analógico, entre las resistencias R3 y R5 se obtiene una tensión que varía según el gráfico de la figura 2 en función de la concentración de gas o de aerosol de alcohol.
R5 es un trimmer de 10 kilohm (R3 tiene un valor despreciable al lado), así que la amplitud de esa tensión se puede ajustar en un margen amplio. Lo que se ajusta es la razón entre la diferencia de potencial que llega al pin 2 del integrado U1 y la tensión de alimentación del filamento, que es de 5 V continuos.
Tal como indica el fabricante del MQ-2, en serie con el filamento calefactor va una resistencia que limita la corriente y la potencia disipada. Así se mantiene en valores seguros que garantizan una respuesta correcta, durabilidad y estabilidad en el largo plazo.
La señal del elemento sensible, o sea la tensión sobre la serie R3-R5, se usa de una forma poco habitual. No la lee el conversor de un microcontrolador. Va directo a la entrada de disparo de un timer 555 común, cuyos flip-flops internos aprovecha el diseño.
¿Qué hace el timer 555 en este circuito?
Dentro del 555 hay dos comparadores que comparten un divisor de tensión en escalera de resistencias. Ese divisor polariza la entrada inversora del amplificador operacional superior y la entrada no inversora del inferior.
Los términos superior e inferior se refieren al potencial de referencia que recibe cada comparador desde el divisor múltiple, así que el superior recibe la tensión más alta. Desde afuera se accede a la entrada no inversora del comparador superior, en el pin 6 (THR, de threshold, umbral), y a la entrada del pin 2 (TRI, de trigger, disparo).
El nodo entre la primera y la segunda resistencia del divisor de referencia, contando desde la alimentación positiva en el pin 8, sale al exterior por el pin 5 (CV). Este circuito no lo usa.
