Исследование прогрева датчика алкоголя MQ-3

В данной статье приведены результаты исследования датчика паров алкоголя MQ-3. Определены варианты корректного использования этого датчика. Приведена его схема включения.
Этот датчик является металлооксидным и для корректной работы требует разогрева измерительного резистора (элемента). Следовательно его температура является важным фактором, влияющим на результат измерения.
Целью исследования является определение выходного напряжения датчика MQ-3 в период нагрева.

Исследование проводилось для проекта «Алкотестер своими руками«

О датчике MQ-3

Особенности:

• Высокая чувствительность к алкоголю и несколько меньшая к бензину!
• Быстрый отклик и высокая чувствительность
• Стабильный и долговечный
• Простая схема включения

Применение:

Алкодетекторы и дыхательные анализаторы.

Характеристики:

• Напряжение питания: 5В
• Ток потребления: 180мА
• Нагрузочный резистор: 200кОм
• Сопротивление нагревателя: 33 Ом (при комнатной температуре)
• Сопротивление измерительного резистора: 1 … 8 МОм
• Диапазон определения концентрации алкоголя: 0.05 … 10 мг/л
• Диапазон чувствительности: 10-1000 ppm
• Время восстановления: менее 30 с

Согласно паспортным данным датчика MQ-3, определение концентрации алкоголя производится по отношению сопротивления датчика с измеряемой концентрацией паров алкоголя Rs к базовой Ro, полученной при 0.4 мг/л алкоголя в воздухе.
Надо учесть, что датчик реагирует и на другие газы (особенно бензин!), но в меньшей степени.

В паспорте также приводится зависимость относительного сопротивления от температуры и влажности.

Эксперимент

На практике, при работе с датчиком имеют дело не с его сопротивлением, а с выходным напряжением схемы включения. Поэтому имеет смысл исследовать работу реального датчика с позиции его выходного напряжения.
Типовая схема включения представлена на рисунке:

То есть, датчик включен по схеме делителя напряжения, а значит имеет нелинейность выходного напряжения.
В исследовании использовался готовый модуль датчик газа MQ-3 нагрузочным резистором 200кОм.

Для выполнения исследования применялся ИК пирометр, секундомер и вольтметр.
Ход эксперимента можно посмотреть на видео:

Результаты

Для удобства результаты измерений представлены в графическом виде.
Визуализация зависимости напряжения от температуры в отсутствии алкоголя:

Очевидна нелинейная зависимость.
Если показать зависимость параметров от времени:

То наблюдается сильные изменения на первых секундах нагрева и последующий спад темпов изменения параметров. Данный процесс хорошо описывается экспоненциальным законом, поэтому можно представить графики в логарифмической шкале:

Температура нагрева теперь стала линейной при логарифмической шкале времени. Здесь хорошо виден начальный этап нагрева, при котором напряжение вначале резко возрастает до 1 В, а затем начинает падать до уровня 0.7 В, а в последствии медленно расти до 0.8 В. Т.е. рабочий диапазон выходного напряжения здесь 0.7 … 0.8 В.
Для того, чтобы избежать попадания в период возникновения переходных процессов в начале нагрева, необходимо подождать не меньше 400 с. В таком случае выходной сигнал успевает стабилизироваться.

Вывод

Данный датчик не может быть использован сразу после включения, т.к. показания будут непредсказуемо изменяться в период нагрева, в тоже время держать его постоянно включенным не желательно при питании от батареи, т.к. он потребляет относительно большой ток на нагрев.
Если применять его для портативных устройств, то нужно выжидать время нагрева (не менее 400 с) и затем производить измерение. Альтернативным вариантом является мониторинг скорости изменения напряжения — если напряжение находится на уровне ниже 0.9 В и скорость его изменения меньше пороговой, то произвести измерение.
В любом случае стоит предусмотреть сохранение значения напряжения при отсутствии алкоголя и затем сравнить его с измеренным значением при неизвестным значением алкоголя. Так будет нивелироваться плавающее базовое значение напряжения.

Если возникнут вопросы и предложения по результатам данного исследования, то буду рад обсудить в комментариях или в группе ВК.

(с) Роман Исаков