Датчики газа: MQ-серия, электрохимия и NDIR-датчики CO₂

Три принципа и что от них ждать

Металлооксидный датчик, по Sensirion, широкополосный: окисляющие газы вроде NO₂ увеличивают сопротивление слоя, восстанавливающие — летучие органические вещества, водород, пропан — уменьшают, а водяной пар действует как восстанавливающий газ. Откалиброванный по одному газу, такой датчик не становится избирательным: в примере Sensirion один и тот же сигнал «1000 ppb» дают и 500 ppb этанола, и 2000 ppb толуола. Поэтому MOX хорош для вопроса «изменился ли воздух», а для измерения концентрации одного газа нужны электрохимия или NDIR.

Датчики MQ: устройство и параметры

Датчик MQ состоит из нагревателя и чувствительного слоя диоксида олова SnO₂. В чистом воздухе проводимость слоя низкая, с ростом концентрации целевого газа она растёт (Winsen, раздел Profile). У датчика шесть выводов: 2 и 5 — нагреватель, 1 и 3 — один измерительный электрод, 4 и 6 — второй (рис. 8 документа MQ-2); на модулях их обозначают H, A и B.

Все параметры Winsen нормирует в стандартных условиях: 20 ± 2 °C, влажность 55 ± 5 %, кислорода 21 % (не меньше 18 %) — от содержания кислорода зависят начальное сопротивление, чувствительность и повторяемость. В других условиях кривая сдвигается: рис. 4 документа MQ-2 показывает, как Rs в 2000 ppm пропана меняется с температурой и влажностью.

Нагреватель и питание

Нагреватель держит слой при рабочей температуре и потребляет больше, чем вся остальная схема. При сопротивлении 30 Ом и 5 В по закону Ома:

У экземпляра с нижним допуском 27 Ом при 5,0 В — 185 мА и 0,93 Вт, в пределах 950 мВт из документа; но при верхнем допуске питания 5,1 В тот же экземпляр потребляет 0,96 Вт — чуть больше нормы (наш расчёт). Поэтому питание нагревателя лучше держать ближе к 5,0 В, чем к краю допуска. Отсюда практические выводы:

• Только 5 В. Стабилизатор 3,3 В для нагревателя не подходит — нужно 5,0 ± 0,1 В, а источник должен отдавать 170 мА на каждый датчик сверх остальной нагрузки. Превышение напряжения Winsen прямо запрещает: даже без видимого повреждения у датчика необратимо меняются характеристики (Cautions, п. 1.6).
• Батарейное устройство. 167 мА непрерывно — это около 4 А·ч в сутки (наш расчёт); MQ не годится для питания от батареек. Оцените бюджет в калькуляторе потребления.
• Нагреватель включён постоянно. Характеристики MQ-2 и MQ-135 Winsen нормирует при постоянном VH = 5 В; прерывистый нагрев в их документах не описан. Циклический режим предусмотрен только у MQ-7B.

Схема включения и расчёт сопротивления

Чувствительный слой включают последовательно с нагрузочным резистором RL от напряжения VC, а измеряют напряжение VRL на резисторе. Сопротивление слоя и мощность, которая в нём выделяется, по документу Winsen:

RL в документах «подбирается»; кривая на рис. 5 документа MQ-2 снята с RL = 4,7 кОм. Чем больше газа, тем меньше Rs и тем выше VRL.

Пример. После прогрева в чистом воздухе при VC = 5 В и RL = 4,7 кОм АЦП показывает VRL = 1,0 В. Тогда R0 = (5/1,0 − 1) · 4,7 кОм = 18,8 кОм — это базовое сопротивление именно этого экземпляра. Позже VRL вырос до 3,0 В: Rs = (5/3,0 − 1) · 4,7 кОм ≈ 3,1 кОм, отношение Rs/R0 ≈ 0,17. По документу у годного MQ-2 в 2000 ppm пропана Rs/R0 не больше 0,2 — то есть газа много, порядка тысяч ppm. Но какого именно газа, датчик не скажет: дым, пары спирта и метан тоже снижают сопротивление (рис. 3).

АЦП на 3,3 В. VRL доходит до 4 В и выше, поэтому у ESP32 или STM32 выход приводят к шкале делителем напряжения. Делитель подключён параллельно RL и уменьшает его: при делителе 10 + 20 кОм и RL = 4,7 кОм в формулу нужно подставлять уже 4,7 ∥ 30 ≈ 4,06 кОм и умножать напряжение на коэффициент делителя (наш расчёт). Проще взять делитель в 10–20 раз больше RL или повторитель на ОУ.

Калибровка и почему «ppm» на модуле — оценка

Концентрацию по датчику MQ находят через отношение Rs/R0 и типовую кривую чувствительности из документа (рис. 3). У этого пути три слабых места:

1. R0 у каждого экземпляра своё. Его измеряют в чистом воздухе, после прогрева не меньше 48 ч, и записывают в энергонезависимую память. Если датчик долго лежал без питания, Winsen требует более долгой выдержки: не меньше 48 ч после хранения до месяца, 72 ч — до полугода, 168 ч — дольше полугода (табл. 2).
2. Кривая типовая. Winsen гарантирует только Rs(воздух)/Rs(газ) ≥ 5 и наклон α ≤ 0,6 в двух точках. Чтобы считать ppm, датчик калибруют в эталонной смеси выбранного газа — в домашних условиях этого не сделать.
3. Условия и другие газы. Температура, влажность, кислород и любые восстанавливающие газы сдвигают Rs так же, как целевой газ.

Поэтому разумное применение MQ — сравнение с собственной базовой линией: «сопротивление упало в N раз относительно чистого воздуха за последние часы», порог с гистерезисом и включение вытяжки или проветривания. Числа «ppm», которые выводят библиотеки для модулей, рассчитаны по типовой кривой и коэффициентам не вашего экземпляра.

Что губит датчик MQ

Winsen перечисляет условия, после которых датчик теряет чувствительность (Cautions):

• пары органического кремния — силиконовый герметик, клей, шпаклёвка, силиконовая резина рядом с датчиком; чувствительность теряется навсегда;
• высокие концентрации едких газов — H₂S, SOx, Cl₂, HCl;
• щелочи и соли щелочных металлов (особенно солевой туман), галогены;
• вода, конденсат и замерзание;
• долгая работа в высокой концентрации газа; струя газа из зажигалки сильно повреждает датчик;
• постоянная вибрация и удары — обрываются выводы;
• пайка: только ручная, канифольный флюс с минимумом хлора, 250 °C не дольше 3 с.

MQ-7B: цикл нагрева для угарного газа

MQ-7B меряет CO при низкой температуре слоя, когда на нагревателе 1,5 В, а при 5,0 В очищается от других адсорбированных газов. Цикл по документу: 60 ± 1 с при 5,0 ± 0,1 В, затем 90 ± 1 с при 1,5 ± 0,1 В; измерять нужно в фазе низкого нагрева. Средняя мощность нагревателя за цикл при 30 Ом — около 0,38 Вт против 0,83 Вт у MQ-2 (наш расчёт: 0,83 Вт · 60 с + 0,075 Вт · 90 с за 150 с).

Два напряжения получают ключом с ШИМ или переключаемым стабилизатором. Если на модуле нагреватель просто подключён к 5 В, датчик работает не по своему документу, и даже типовая кривая для CO к нему неприменима.

Электрохимический модуль ZE07-CO

Электрохимическая ячейка избирательнее металлооксидной, хотя тоже не идеальна: в документе ZE07-CO среди мешающих газов назван спирт. Модуль уже откалиброван и выдаёт концентрацию сам.

Выводы по документу: 15 — питание, 5 и 14 — общий, 7 — RXD, 8 — TXD, 10 — аналоговый выход. Аналоговый выход линейный: при напряжении U концентрация

например 1,2 В соответствуют 250 ppm (наш расчёт по шкале из документа). Ячейка расходуется: через 3–5 лет модуль меняют, а показания старого сравнивают с поверенным прибором.

Углекислый газ: инфракрасные NDIR-датчики

Углекислый газ сильно поглощает инфракрасное излучение с длиной волны около 4,2 мкм. В NDIR-датчике свет излучателя проходит через полосовой фильтр, а не через призму — отсюда «недисперсионный» (Sensirion, Info Note). В пропускающем датчике фотоприёмник на другом конце камеры видит, сколько света дошло; для малых концентраций нужен оптический путь порядка сантиметров, а механические и тепловые напряжения камеры искажают результат. В фотоакустическом излучатель работает импульсами, поглощённая энергия создаёт в камере звуковую волну, и её амплитуду меряет микрофон; камера получается меньше и устойчивее.

MH-Z19C: UART и ШИМ

MH-Z19C — модуль с позолоченной камерой, питанием 5,0 ± 0,1 В и выходами UART и ШИМ.

Если напряжение питания выйдет из диапазона 4,5–5,5 В или источник не даст 150 мА, модуль, по документу, занижает показания или не работает.

Чтение по UART (подробнее об интерфейсе) — команда из 9 байт, ответ тоже из 9:

// MH-Z19C: read CO2 over UART at 9600 8N1 (Winsen manual v1.2, command 0x86)
static const uint8_t cmd_read[9] = {0xFF, 0x01, 0x86, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x79};

// Checksum per the manual: 0xFF minus the sum of bytes 1..7, plus 1
uint8_t mhz19_checksum(const uint8_t *p) {
    uint8_t sum = 0;
    for (int i = 1; i < 8; i++) sum += p[i];
    return (uint8_t)(0xFF - sum + 1);
}

// Returns ppm, or -1 if the reply is malformed
int mhz19_parse(const uint8_t r[9]) {
    if (r[0] != 0xFF || r[1] != 0x86 || r[8] != mhz19_checksum(r)) return -1;
    return r[2] * 256 + r[3];   // HIGH * 256 + LOW
}

Ответ FF 86 01 F4 … означает 1 · 256 + 244 = 500 ppm.

ШИМ. Период 1004 мс ± 5 %: 2 мс высокого уровня в начале, 1000 мс полезной части и 2 мс низкого в конце. Для шкалы 2000 ppm

где T_H — длительность высокого уровня, T — период. При T_H = 252 мс и T = 1004 мс — 500 ppm. Меряют обе величины, а не подставляют номинальный период: генератор модуля уходит на ±5 %.

Калибровка нуля. Ноль модуля — 400 ppm. Ручная калибровка: модуль выдерживают в воздухе с 400 ppm (например, на улице) и притягивают вывод HD к нулю не меньше чем на 7 с. Время выдержки в документе указано по-разному — 20 минут в разделе о калибровке и больше 30 минут в примечаниях; берите 30. Автокалибровка включена с завода и срабатывает каждые 24 ч после включения; Winsen предупреждает, что она годится для офиса и дома, а в теплицах, на фермах и в холодильниках её выключают командой 0x79 с байтом 0x00. Калибровать модуль, по документу, нужно не реже раза в полгода.

Sensirion SCD40 и SCD41: I²C

SCD4x — фотоакустический датчик размером 10,1 × 10,1 × 6,5 мм для пайки оплавлением, со встроенным датчиком температуры и влажности SHT4x для компенсации.

Питание. Излучатель потребляет импульсами до 205 мА, а внутренний стабилизатор датчика чувствителен к пульсациям: напряжение без нагрузки датчика не должно меняться больше чем на 30 мВ. Sensirion рекомендует отдельный малошумящий LDO, рассчитанный на пиковый ток, а выводы VDD и VDDH соединить на плате рядом с датчиком. Подтяжки SDA и SCL — внешние, в примере даташита 10 кОм; точнее их подбирают по ёмкости шины в калькуляторе подтяжек I²C.

Обмен. Команды — 16-битные слова старшим байтом вперёд, после каждого слова данных идёт CRC-8 с полиномом 0x31 и начальным значением 0xFF. Основная последовательность: 0x21B1 — запустить периодические измерения (новые данные раз в 5 с), 0xEC05 — прочитать три слова, 0x3F86 — остановить (следующая команда — не раньше чем через 500 мс). Пересчёт по таблице 11 даташита:

Пример из даташита: слова 0x01F4, 0x6667, 0x5EB9 — это 500 ppm, 25 °C и 37 %.

// SCD4x CRC-8 (datasheet v1.7, section 3.12): polynomial 0x31, init 0xFF
uint8_t scd4x_crc(const uint8_t *data, int len) {
    uint8_t crc = 0xFF;
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        crc ^= data[i];
        for (int b = 0; b < 8; b++)
            crc = (crc & 0x80) ? (uint8_t)((crc << 1) ^ 0x31) : (uint8_t)(crc << 1);
    }
    return crc;
}

// After read_measurement (0xEC05) and a 1 ms wait the sensor returns 9 bytes:
// CO2 MSB, LSB, CRC, T MSB, LSB, CRC, RH MSB, LSB, CRC
int scd4x_parse(const uint8_t r[9], uint16_t *co2, float *t, float *rh) {
    for (int i = 0; i < 9; i += 3)
        if (scd4x_crc(&r[i], 2) != r[i + 2]) return -1;
    *co2 = (uint16_t)((r[0] << 8) | r[1]);
    *t   = -45.0f + 175.0f * (float)((r[3] << 8) | r[4]) / 65535.0f;
    *rh  = 100.0f * (float)((r[6] << 8) | r[7]) / 65535.0f;
    return 0;
}

Если данных ещё нет, датчик отвечает на чтение NACK; чтобы не гадать, перед чтением опрашивают готовность командой 0xE4B8.

Компенсации. Температура и влажность учитываются внутри датчика автоматически. Давление — нет: высоту установки (0–3000 м) или текущее давление (70 000–120 000 Па, по умолчанию 101 300 Па) передают командами — давление удобно брать с барометра BMP280. Встроенный датчик температуры греется от платы, поэтому для правильных T и RH задают смещение температуры (по умолчанию 4 °C), измеренное в готовом корпусе. На точность CO₂ смещение не влияет.

Калибровка SCD4x: ASC и FRC

Автоматическая (ASC) включена с завода. Алгоритм предполагает, что датчик хотя бы раз дольше 3 минут видел свежий воздух с 400 ppm за каждую неделю работы; первая коррекция — через 44 ч работы, дальше — каждые 156 ч. Это часы именно в режиме измерений, накопленные блоками по 4 ч (разд. 3.8 и 3.11): время в режиме ожидания и короткие включения не считаются. Если помещение не проветривают, ASC выключают. В однократном режиме с обесточиванием между измерениями или с командой power_down ASC недоступна совсем — калибровать придётся вручную.

Принудительная (FRC) — по известной концентрации: датчик не меньше 3 минут работает в нужном режиме в однородном воздухе (например, на улице), затем 0x3F86, 500 мс, команда 0x362F с эталонным значением в ppm и ещё 400 мс до ответа. Ответ 0xFFFF означает, что калибровка не удалась, потому что датчик перед командой не работал. После пайки FRC делают не раньше чем через 5 дней: монтаж, доставка и неаккуратное обращение сдвигают показания, и даташит прямо оговаривает этот срок.

SGP41: индекс летучих веществ вместо ppm

SGP41 — цифровой металлооксидный датчик Sensirion в корпусе DFN 2,44 × 2,44 мм с двумя чувствительными элементами: для летучих органических веществ (VOC) и для окисляющих газов (NOx). Питание 1,7–3,6 В, ток 3,0 мА при 3,3 В, I²C с адресом 0x59.

• Сырые сигналы — 16-битные числа, пропорциональные логарифму сопротивления слоя. Для точности датчику передают текущую влажность и температуру — их берут с датчика влажности, например SHT4x.
• Индексы VOC и NOx от 1 до 500 вычисляет библиотека Sensirion на микроконтроллере. Базовая линия индекса VOC — скользящее среднее за 24 ч: 100 — средний для этого помещения уровень, больше 100 — летучих веществ больше обычного (готовка, уборка, люди), меньше — свежий воздух.
• Запуск. После включения сначала идёт кондиционирование — 10 с, и не дольше, иначе чувствительный слой повреждается; затем измерения раз в секунду. Индекс VOC выходит на характеристики меньше чем за 1,5 ч, индекс NOx — меньше чем за 6 ч.

SGP41 хорош для управления вытяжкой и очистителем воздуха, но как и MQ, он не измеряет концентрацию конкретного вещества.

Типичные ошибки

• MQ без прогрева. Winsen требует не меньше 48 ч под напряжением перед измерениями; R0 и порог, выставленные раньше, относятся к ещё не стабильному датчику.
• Питание нагревателя от слабого источника. Просадка 5 В из-за 170 мА нагревателя меняет и VH, и VC, и опорное напряжение АЦП.
• Силикон в корпусе. Герметик и клей рядом с MQ отравляют его навсегда.
• «ppm» из библиотеки для MQ-135 принимают за измерение CO₂. Это пересчёт по типовой кривой для другого газа и чужого экземпляра.
• Датчик CO₂ без проветривания. Автокалибровка «подтягивает» минимум суток или недели к 400 ppm, и в закрытом помещении показания уплывают вниз.
• SCD4x на общем шумном питании. Датчик берёт импульсы до 205 мА, а пульсации питания без его нагрузки не должны превышать 30 мВ; Sensirion рекомендует отдельный LDO.

Что выбрать

• Порог «появился газ или дым» для эксперимента — MQ-2 или MQ-135 с калибровкой R0 по своему экземпляру, но не для защиты людей.
• Концентрация CO в ppm для лабораторного стенда — электрохимический модуль вроде ZE07-CO; для защиты жизни — только сертифицированный сигнализатор.
• CO₂ в комнате, проветривание по CO₂ — SCD41 на плате или MH-Z19C модулем; для батарейного устройства — SCD41 в однократном режиме, помня, что при обесточивании между измерениями ASC не работает и нужна ручная калибровка (FRC).
• Качество воздуха для очистителя или вытяжки — SGP41 с индексом VOC и датчиком влажности.

Другие датчики — в разделе «Датчики», единицы концентрации — в статье «ppm».