Para o procedimento de verificação dos sensores foram utilizados os seguintes gases de interesse, Hidrogênio (H2) e ar sintético para detecção dos respectivos gases, hidrogênio e dióxido de carbono.
Para o cálculo da resistência do sensor de óxido de estanho sob exposição à diferentes concentração dos gases ( ) a equação genérica 11 foi utilizada:
(11) Sendo RL dado pelo datasheet do sensor, a VRL é a voltagem de resposta do leitor do sensor e Vc é a voltagem da alimentação.
A VRL é obtida por meio da equação 12, sendo AngR a leitura do pino analógico na qual o sensor esta conectado:
(12)
A leitura do sensor de CO2 (MG-811) é realizada a partir da voltagem fornecida pelo sensor (VCO2), segundo a equação (13):
(13)
Sendo VSCO2, o valor do sensor de CO2 obtido da leitura da porta analógica, 100 é o fator de conversão de unidades.
A equação característica da sensibilidade do sensor foi obtida do gráfico de sensibilidade do equipamento fornecido pelo datasheet do sensor, o modelo deste gráfico pode ser observado nas figuras que seguem (Fig. 14, 15 e 16).
Figura 16 - Curva de sensibilidade do sensor MG-811.
Fonte: Hanwei Electronics, MG-811 (2015). Figura 14 - Curva de sensibilidade aos gases do
sensor MQ-4.
Fonte: Hanwei Electronics MQ-4 (2015).
Figura 15 - Curva de sensibilidade aos gases do sensor MQ-8.
As leituras dos gráficos foram efetuadas com o auxílio de um escalímetro, seguindo a Equação 14.
(14) Na qual x é o valor correspondente a concentração em ppm ou a resposta em relação a corrente, Li é o valor da leitura no ponto inicial do intervalo de interesse, a é a medida do ponto inicial da leitura ao ponto x e b é a medida da distância do intervalo de leitura, como pode ser observado no exemplo da Figura 17.
O sistema foi conectado à energia por, aproximadamente, 24 horas para estabilização dos sensores e aquecimento das resistências, e então os gases foram adicionados para verificar o funcionamento dos sensores e obter os parâmetros dos sensores que necessitam ser calibrados.
Para a obtenção dos parâmetros R0 do sensor MQ8 foram injetados, no sistema, diferentes concentrações de hidrogênio de modo a obter a leitura do sensor e por ela obter os valores de RS e R0. Primeiramente foi injetado no sistema uma quantidade de ar sintético (pressão inicial) e, posteriormente, foi injetado uma pressão de hidrogênio. Este procedimento foi realizado em cinco repetições. Com isso foi possível encontrar o número de mols de hidrogênio e número de mols total da mistura e a fração molar, consequentemente a concentração em (partes por milhão) do hidrogênio.
A equação 15 utilizada para obtenção do número de mols foi: Figura 17 - Exemplo de leitura do gráfico.
(15) Onde P é a pressão do sistema, V é o volume do Kitassato (0,00105 m³), n é o número de mols, R é a constante dos gases (8,314 m³.Pa.mol-1.k-1) e T é a temperatura do sistema (K).
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1. DETERMINAÇÃO DAS CURVAS DE Rs/R0 EM FUNÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DOS GASES
Para os gases em estudo, foram obtidas as equações da razão de Rs/Ro em função da concentração da espécie para o H2 e CH4. Para o CO2 o sensor fornecia diretamente a conversão da voltagem lida pelo pino analógico, podendo obter-se o valor da concentração do gás.
Na Figura 18 tem-se a curva obtida de calibração do sensor MQ8 gerada pela análise do datasheet do gás hidrogênio, na temperatura de 20ºC e 65% de umidade relativa.
Figura 18 – Razão Rs/R0 em função da concentração de hidrogênio.
Por meio dos dados obtidos, obteve-se a equação pela qual é realizada a leitura da resposta dada pelo sensor no momento do funcionamento, dada em sinais de tensão e transformados para os parâmetros R0 e Rs a partir dos quais são calculadas as concentrações do gás analisado.
A curva da sensibilidade do sensor MQ-4 para o gás metano, obtida pelo mesmo método de análise do gráfico do datasheet está apresentada na Figura 19, sob a condição de
Rs/Ro = 23420.[H2]-1,465 R² = 0,99854 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 Rs /R0 Concentração de H2 (ppm)
temperatura de 20ºC e 65% de umidade relativa. Neste caso a equação obtida no gráfico também é utilizada para transformação, do sinal obtido pelo sensor, para uma resposta em concentração do gás em estudo.
Figura 19 – Razão Rs/Ro em função da concentração de metano.
A curva da sensibilidade do sensor MG-811 para dióxido de carbono está apresentada na Figura 20, sob a condição de temperatura de 20ºC e 65% de umidade relativa. A resposta apresentada por este sensor durante a leitura é dada em mV, a partir deste dado é possível realizar a leitura direta da concentração de CO2 no gráfico por meio da equação gerada na curva de sensibilidade do sensor. Esta curva foi obtida a partir do gráfico disposto no datasheet do equipamento, sendo a leitura no eixo das ordenadas, linear.
Figura 20 – Leitura da concentração de dióxido de metano em função da leitura em mV.
Rs/Ro = 11,436.[CH4]-0,353 R² = 0,99982 0,1 1 10 100 1000 10000 Rs/ R0 Concentração de CH4 (ppm) mV = 462,52[CO2]-0,06 R² = 0,9969 250 260 270 280 290 300 310 320 330 100 1000 10000 Lei tu ra d o sen sor e m m V Concentração de CO2 (ppm)
Nos testes realizados com o sensor MQ8, as diferentes pressões de ar sintético e hidrogênio foram utilizadas para calcular o parâmetro Rs e com este obter o R0 para este sensor. No Quadro 1 pode-se observar os valores das pressões de ar sintético e hidrogênio.
Pressão de Ar sintético (ppm) 154.490 160.472 145.676 136.044 126.837 Pressão de Hidrogênio (ppm) 157.525 167.358 163.255 167.469 134.581
Temperatura (ºC) 26,2 28,7 31,5 38,6 36,4
Peso Molar (H2) (g) 2 2 2 2 2
Peso Molar (Ar) (g) 28 28 28 28 28
mols de hidrogênio (nH2) 0,00128 0,00288 0,00729 0,01273 0,00316 mols de ar (nAr) 0,06518 0,06714 0,06039 0,05511 0,05175 nH/(nH2 + nAr) 0,01927 0,04115 0,10768 0,18765 0,05754 Concentração de H2 (ppm) 19.266,8 41.145,3 107.678,2 187.646,7 57.541,6 Leitura do sensor (mV) 450 702 634 559 631 Rs 12,73 4,57 6,14 8,30 6,21 R0 1029,4 1123,5 6170,8 18834,9 2494,8
Quadro 1- Dados para obtenção dos valores de Rs e R0 do sensor MQ-8 (H2).
A partir dos dados de pressão de ar sintético e pressão de hidrogênio foi calculado pela equação 16, o número de mols de hidrogênio injetado e o número de mols total do sistema, sendo obtida a concentração de hidrogênio no recipiente. Com este valor da concentração e a resposta dada pelo sensor em mV foi possível calcular com a equação 13 o valor de Rs, posteriormente com a equação da curva de calibração do sensor MQ8 obteve-se o valor de R0.
A temperatura e a pressão do sistema foram aferidas por meio do sensor GY-65 no momento da amostragem.
Foi possível observar nos valores de R0 uma grande variação, não sendo estes dados satisfatórios para a aplicação nos cálculos de concentração das leituras do sensor. Alguns fatores podem ter ocasionado esta dispersão dos valores, bem como a precisão da amostragem do hidrogênio, a sensibilidade do sensor ou mesmo a instabilidade deste.
Os períodos de leitura nos testes com o gás hidrogênio com o sensor MQ8 foram curtos devido a alta difusão deste gás e a possibilidade de haver vazamento no sistema de análise.
A medida de dióxido de carbono foi aferida com o sensor MG811 e o gás utilizado para esta medida foi ar sintético. O tempo de medição foi 60 segundos e a resposta dada pelo
sensor em mV foi diretamente convertida em concentração de CO2 pela equação obtida no
datasheet deste equipamento. Na Figura 21 pode-se observar a concentração de CO2 no período de 60 segundos.
Figura 21- Gráfico de leitura de CO2.
No período observado não houve grandes variações nas leituras do dióxido de carbono, os valores das concentrações acima do valor apresentado pela curva de calibração não sendo aplicáveis, visto que o valor médio de CO2 no ar é entorno de 3.000 ppm. A temperatura no período de leitura foi aferido pelo sensor GY-65.
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 0 10 20 30 40 50 60 70 Co 2 (p p m ) Tempo (s)
6 CONCLUSÃO
Os estudos realizados tiveram como objetivo a construção de um sistema de análise de gases provenientes de um reator anaeróbio, por meio de sensores de CH4, H2 e CO2 ligados a uma placa Arduino Uno para detectar a presença e a concentração destes, permitindo a análise de mistura destes gases com um custo inferior ao de equipamentos clássicos como um cromatógrafo a gás.
As curvas obtidas pelos datasheets dos sensores geraram equações de sensibilidade dos sensores aos gases com um bom ajuste sendo utilizadas para a determinação das concentrações.
As análises do sensor de hidrogênio a diferentes concentrações tiveram como resultados parâmetros para os cálculos de concentração, sendo que os dados não foram satisfatórios verificando-se uma grande variação destes em relação ao parâmetro R0.
As leituras do sensor de dióxido de carbono apresentaram pequenas variações, e as concentrações obtidas encontram-se fora da curva de calibração gerada a partir do datasheet.
Com relação ao sensor de detecção de metano MQ4, não foram realizados testes de leitura devido a falta de gás padrão de CH4 para a aferição desse equipamento.
Para a aplicação deste método para a análise dos gases é necessário que os sensores apresentem uma medida estável, com precisão e exatidão ao longo do tempo para maior confiabilidade nos resultados. Neste sentido a utilização de uma câmara com fluxo contínuo de amostra de gás bem como a utilização de mais sensores para a verificação de erros pela limitação dos equipamentos são medidas que podem auxiliar na obtenção de bons resultados.
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APÊNDICE A – Código para leitura dos sensores
//codigo para sensores de gas para calculo
//sensor de pressao #include <Wire.h>
#include <Adafruit_BMP085.h>
float sensor_t;
// Conectar pino Vcc do BMP085 ao pino 3.3v do Arduino(NAO UTILIZAR 5.0V !) // Conectar pino GND do módulo ao GND do Arduino
// Conectar o pino SCL do módulo ao pino analógico 5 do Arduino // Conectar o pino SDA do módulo ao pino analógico 4 do Arduino // Pino EOC (End of conversion) não utilizado
// Pino XCLR é um pino de reset, também não é utilizado
Adafruit_BMP085 bmp;
//variaveis para o sensor LM35 int temp;
float tempf;
int tempPin=3; //pino analogico A3 para conectar o sensor de temperatura em 3,3 V
//variaveis para os sensores
int ValorSensorHidrogenio; // nome da variavel para o sensor de hidrogenio MQ8 int ValorSensorCO2; // nome da variavel para o sensor de dioxido de carbono MG811 int ValorSensorMetano; // nome da variavel para o sensor de Metano MQ4
//variaveis para o sensor de metano int RLMQ4;
float RSMQ4; float R0MQ4;
float RazaoRSR0MQ4; float ConcMetano;
//variaveis para o sensor de hidrogenio int RLMQ8;
float RSMQ8; float R0MQ8;
float RazaoRSR0MQ8; float ConcHidrogenio;
//variaveis para o sensor de dioxido de carbono float VoltagemCO2; float ConcCO2; void setup() { Serial.begin(9600); if (!bmp.begin()) {
Serial.println("Could not find a valid BMP085 sensor, check wiring!"); while (1) {} } analogReference(INTERNAL); } void loop() {
//**********codigo para a leitura do sensor de hidrogenio ***************
ValorSensorHidrogenio = analogRead(0); //realiza a leitura do valor registrado pelo sensor na porta analogica A0
RLMQ8 = 10; // 10 kohm --> obtido do datasheet RSMQ8=RLMQ8*(1023-ValorSensorHidrogenio)/(ValorSensorHidrogenio); //R0MQ8 = xxxx; //RazaoRSR0MQ8 = RSMQ8/R0MQ8; //ConcHidrogenio = pow((23420/RazaoRSR0MA8),0.682593857);
//imprime no monitor o valor registrado para Rs Serial.print("RS do Hidrogenio : ");
Serial.print(ValorSensorHidrogenio); Serial.println();
//**********codigo para a leitura do sensor de dioxido de carbono ****************** ValorSensorCO2 = analogRead(1); //realiza a leitura do valor registrado pelo sensor na porta analogica A1
VoltagemCO2 = ValorSensorCO2*(5.0/1024.0)*100.0; ConcCO2 = pow((42.6252/VoltagemCO2),16.667);
//imprime no monitor o valor registrado Serial.print("Voltagem do CO2 : "); Serial.print(VoltagemCO2); Serial.print("mV"); Serial.println(); Serial.print("Conc de CO2 : "); Serial.print(ConcCO2); Serial.print(" ppm"); Serial.println();
//**********codigo para a leitura do sensor de Metano *********************
ValorSensorMetano = analogRead(2); //realiza a leitura do valor registrado pelo sensor na porta analogica A2
RLMQ4 = 20; // 20 kohm --> obtido do datasheet RSMQ4=RLMQ4*(1023-ValorSensorMetano)/(ValorSensorMetano); //R0MQ4 = xxxx; //RazaoRSR0MQ4 = RSMQ4/R0MQ4; //ConcMetano = pow((11.436/RazaoRSR0MQ4),2.83286119);
//imprime no monitor o valor registrado Serial.print("RS do Metano : ");
Serial.print(RSMQ4); Serial.println();
//**************leitura da temperatura com LM35 temp=analogRead(tempPin);
tempf= (float)temp*0.48828125; //a constante é obtida por (voltagem*100/1024) Serial.print("Temperatura="); Serial.print(tempf/9.31); Serial.print(" Celsius"); Serial.println();
//**************leitura da pressao interna com GY-65 Serial.print("Temperatura_GY65 = "); Serial.print(bmp.readTemperature()); Serial.println(" *C"); Serial.print("Pressao = "); Serial.print(bmp.readPressure()); Serial.println(" Pa"); Serial.println();
delay(1000); // espera 1000ms (1s) para a proxima leitura }
ANEXO A – Dados técnicos do sensor MQ-4
TECHNICAL DATA MQ-4 GAS SENSOR
FEATURES
* High sensitivity to CH4，Natural gas.
* Small sensitivity to alcohol, smoke.
* Fast response. * Stable and long life * Simple drive circuit APPLICATION
They are used in gas leakage detecting equipments in family and industry, are suitable for detecting of CH4,Natural gas.LNG, avoid the noise of alcohol and cooking fumes and cigarette smoke.
SPECIFICATIONS
A. Standard work condition
Symbol Parameter name Technical condition Remarks Vc Circuit voltage 5V±0.1 AC OR DC VH Heating voltage 5V±0.1 ACOR DC PL Load resistance 20KΩ
RH Heater resistance 33Ω±5% Room Tem PH Heating consumption less than 750mw
B. Environment condition
Symbol Parameter name Technical condition Remarks
Tao Using Tem -10℃ -50℃
Tas Storage Tem -20℃ -70℃ RH Related humidity less than 95%Rh O2 Oxygen concentration 21%(standard
condition)Oxygen
concentration can affect sensitivity
minimum value is over 2%
C. Sensitivity characteristic
Symbol Parameter name Technical parameter Ramark 2 Rs Sensing Resistance 10KΩ- 60KΩ (1000ppm CH4 ) Detecting concentration scope： 200- 10000ppm CH4 , natural gas α (1000ppm/ 5000ppm Concentration slope rate ≤0.6
CH4) Standard detecting condition Temp: 20℃±2℃ Vc:5V±0.1 Humidity: 65%±5% Vh: 5V±0.1 Preheat time Over 24 hour
Electric parameter measurement circuit is shown as Fig.2
Structure and configuration of MQ-4 gas sensor is shown as Fig. 1 (Configuration A or B), sensor composed by micro AL2O3 ceramic tube, Tin Dioxide (SnO2) sensitive layer, measuring electrode and heater are fixed into a crust made by plastic and stainless steel net. The heater provides necessary work conditions for work of sensitive components. The enveloped MQ-4 have 6 pin, 4 of them are used to fetch signals, and other 2 are used for providing heating current.
E. Sensitivity characteristic curve
Fig.4 is shows the typical dependence of the MQ-4 on temperature and humidity.
Ro: sensor resistance at 1000ppm of CH4 in air at 33%RH and 20 degree. Rs: sensor resistance at 1000ppm of CH4 in air at different temperatures and humidities.
SENSITVITY ADJUSTMENT
Resistance value of MQ-4 is difference to various kinds and various concentration gases. So, when using this components, sensitivity adjustment is very necessary. We recommend that you calibrate the detector for 5000ppm of CH4 concentration in air and use value of Load resistance (RL) about 20KΩ(10KΩ to 47KΩ).
When accurately measuring, the proper alarm point for the gas detector should be determined after considering the temperature and humidity influence.
Fig.3- Sensitivity characteristics of the MQ-4
Fig.4 MQ- 4 0. 5 0. 6 0. 7 0. 8 0. 9 1 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 - 10 0 10 20 30 40 50 Temp R s / R o 33%RH 85%RH
ANEXO B – Dados técnicos do sensor MQ-8
TECHNICAL DATA MQ-8 GAS SENSOR
FEATURES
* High sensitivity to Hydrogen (H2)
* Small sensitivity to alcohol, LPG, cooking fumes
* Stable and long life
APPLICATION
They are used in gas leakage detecting equipments in family and industry, are suitable for detecting of Hydrogen (H2), avoid the noise of alcohol and cooking fumes,