Arduino İle MQ2 Gaz-Duman Sensörü Kullanımı

MQ2 Gaz-Duman Sensörü

MQ2 sensörü, MQ ailesinin en popüler sensörlerinden biridir. Bir tür MOS (Metal Oxide Semiconductor - Metal Oksit Yarı İletken) sensörüdür. Bu tür sensörlere, belirli gazlarla temas ettiklerinde elektriksel dirençlerini değiştirerek çalıştıkları için, kimyasal direnç sensörleri de denir. Temel olarak, kalay dioksit (SnO2), op-amp ve gerekli destekleyici bileşenlerden oluşur.

MQ2 gaz sensörü 5 volt DC güçle çalışır ve yaklaşık 800 milliwatt enerji tüketir. Sensör, LPG (sıvılaştırılmış petrol gazı), duman, alkol, propan, hidrojen, metan ve karbonmonoksit gibi gaz türlerini, havadaki konsantrasyonları milyonda 200 ile 10.000 ppm arasında olduğunda tespit edebilir. Sensörün direnci, gazın türüne bağlı olarak farklılık gösterir.

PPM (Parts Per Million): Milyonda bir kısım anlamına gelir ve havadaki belirli bir gazın konsantrasyonunu ölçmek için kullanılan yaygın bir birimdir. Yani, havadaki toplam bir milyon gaz molekülü arasında bir tür gaz molekülünün sayısını belirtir. Örneğin, havada 500 ppm karbonmonoksit varsa, bu, her 1.000.000 gaz molekülünden 500'ünün karbonmonoksit olduğu anlamına gelir. 

MQ2 sensörü birçok farklı gazı algılayabilir ama gaz türünün ne olduğunu bilemez. Bu garip gelebilir, ancak çoğu gaz sensörü aslında böyle çalışır. 

MQ2 Gaz Sensörünün Yapısı ve Çalışma Prensibi

MQ2 Sensörünün İç Yapısı

Sensör, ısı kullanarak gazları algılayan, ısıtıcıyla çalışan bir sensördür. Yanıcı gazlarla çalıştığı için güvenlik çok önemlidir. Bu nedenle sensörün etrafına "patlama önleyici ağ" olarak bilinen iki kat çok ince paslanmaz çelik ağ sarılmıştır. Bu ağ, yanıcı gazlar mevcut olduğunda sensörün içindeki ısıtıcının yangına veya patlamaya neden olmasını önler.

Bu ağ, güvenlik sağlamanın yanı sıra koruyucu bir filtre görevi de görür. Toz ve katı parçacıkların içeri girmesini engeller ve yalnızca gazların algılama alanına geçmesine izin verir. Ağ, etrafını saran ve sensör gövdesinin geri kalanına bağlanan bakır kaplı bir halka ile sıkıca yerinde tutulur.

Dış ağ yapısını dikkatlice çıkardığınızda sensörün içinde, ısı iletkenliğini artırmak için bakalit (sert bir plastik türü) malzemeden yapılmış sensörün siyah tabanını görebilirsiniz. Bunun üzerinde 6 metal ayağa bağlı bir algılama elemanı bulunur. 

H harfiyle belirtilmiş ayaklar, algılama elemanının içindeki, nikel-krom alaşımından yapılmış, ısıtma bobine bağlıdır. 

A ve B harfiyle belirlenmiş ayaklar, algılama elemanından harici elektroniklere elektrik sinyallerini iletmekten sorumludur. Bunlar platin teller kullanılarak algılama elemanına bağlanır. Platin, mükemmel elektrik iletkenliği ve sensör çevresindeki gaz seviyeleri değiştiğinde meydana gelen küçük elektrik değişikliklerine duyarlılığı nedeniyle kullanılır.

Algılama elemanı küçük bir tüpe benzer. İçerisinde algılama elemanını ısıtan nikel-krom alaşımından yapılmış bobin bulunur. Alüminyum Oksit (Al₂O₃) seramikten yapılmış olup üzerinde ince bir Kalay Dioksit (SnO₂) kaplaması bulunmaktadır. Burada kilit madde kalay dioksittir. Nikel-krom bobin tarafından 200-300 °C'ye kadar ısıtılan Kalay Dioksit (SnO₂), yanıcı gazlarla kimyasal olarak reaksiyona girerek sensörün ölçebileceği direnç değişikliklerine neden olur. Seramik taban da ısının eşit dağılımını sağlar ve sensörün uygun çalışma sıcaklığında kalmasını temin eder.

MQ2 Sensörünün Çalışma Prensibi

MQ2 gaz sensörünü açtığınızda, içindeki Kalay Dioksit (SnO₂) yarı iletken tabakası yüksek bir sıcaklığa kadar ısınmaya başlar. Bu yüksek sıcaklıkta, havadaki oksijen molekülleri Kalay Dioksit yüzeyine yapışır. Bu oksijen molekülleri, Kalay Dioksitten serbest elektronları çeker. Bu durum, Kalay Dioksiti elektrik akımına karşı oldukça dirençli hale getirir. Bu nedenle sensörün içinden yalnızca az miktarda elektrik akımı geçebilir. 

Yanıcı gazlar sensöre girdiğinde, Kalay Dioksit yüzeyine yapışmış oksijen molekülleriyle reaksiyona girerler. Bu kimyasal reaksiyon, oksijen tarafından tutulan elektronları serbest bırakır. Bu elektronlar Kalay Dioksite geri döner. Bu durum direnci azaltarak elektriğin sensörden çok daha kolay akmasını sağlar. Aşağıdaki resimler ile bu durum anlatılmıştır:

MQ2 sensörü, elektriksel dirençteki bu değişiklikleri algılayarak çalışır. Ne kadar çok yanıcı gaz varsa, o kadar çok oksijen molekülü tepkimeye girer ve direnç o kadar azalır. Bu da sensöre bağlı mikro denetleyicilerin havadaki gazın hem varlığını hem de konsantrasyonunu tespit etmesini kolaylaştırır. Sensörün ürettiği voltaj, atmosferdeki gaz seviyesine göre değişir. Sensör, duman/gaz konsantrasyonuyla orantılı bir voltaj üretir. Şöyle:

• Gaz konsantrasyonu ne kadar yüksekse, analog çıkış voltajı da o kadar yüksek olur.

• Gaz konsantrasyonu ne kadar düşükse, analog çıkış voltajı da o kadar düşük olur.

Gaz konsantrasyonu potansiyometre ile ayarlanan belirli bir eşiğe ulaştığında, modül üzerindeki yeşil LED yanar ve dijital pinde (DO) DÜŞÜK dijital sinyal üretilir.

MQ2 Sensör Modülünün Yapısı

MQ2 gaz sensörü, hem gazların mevcut olup olmadığını gösteren dijital çıkış,  hem de havadaki gaz konsantrasyonunu gösteren analog çıkış sağlar. AO pinindeki analog çıkış, gaz konsantrasyonuna bağlı olarak değişir. Havada daha fazla gaz olduğunda çıkış voltajı artar. Daha az gaz olduğunda ise çıkış voltajı azalır.

Bu analog sinyal ayrıca LM393 karşılaştırıcı op-amp’a da gider ve bu karşılaştırıcı, sinyali modül üzerindeki bir potansiyometre ile ayarlanan referans voltajıyla karşılaştırır. Gaz konsantrasyonu ayarladığınız seviyenin üzerine çıktığında, karşılaştırıcı dijital pinde (DO) DÜŞÜK dijital sinyal üretir. Gaz konsantrasyonu ayarladığınız seviyenin altında kaldığında ise YÜKSEK dijital sinyal üretir. Bu dijital çıkışı kullanarak alarm çalmak veya telefonunuza uyarı göndermek gibi eylemleri tetikleyebilirsiniz.

10KΩ'luk trim-pot Dijital Çıkış (DO) için sensörün eşik değerini ayarlar. Trim-pot’u saat yönünde çevirmek eşiği düşürür (yani daha az gaz varlığında bile alarm tetiklenir), saat yönünün tersine çevirmek ise eşiği artırır (yani alarmı tetiklemek için daha fazla gaz gerekir).

Modülde ayrıca iki adet gösterge LED'i bulunmaktadır: Modül güç aldığında Power LED'i yanar. Gaz konsantrasyonu belirlediğiniz eşik değerini aştığında Dout LED'i yanar.

Modül üzerinde bulunan RL yük direnci, sensörün iç direnci ile seri bir gerilim bölücü devre oluşturur. Orijinal üreticiler bu direncin değerini 2kΩ ile 20kΩ arasında seçilmesini tavsiye eder. Modülün laboratuvar hassasiyet testlerinde 5kΩ olarak alınmıştır. Fakat elimizdeki modülde 1kΩ’dur. 1kΩ hassasiyet açısından uygun değildir. Çünkü sensörün analog çıkış voltajını çok dar bir aralığa hapseder. Bu da küçük gaz değişimlerini mikro denetleyici ile okumayı zorlaştırır.

MQ2 Sensör Modülünün Devre Şeması

MQ2 Sensör Modülünün Pin Açıklamaları

VCC :Sensöre güç sağlar. 5V güç kaynağına bağlanır.

GND :Bu pin topraklama pinidir.

AO(Analog Çıkış) :Bu pin, gaz konsantrasyonuna karşılık gelen değişken bir voltaj üretir. Havadaki gaz miktarı ne kadar fazlaysa, çıkış voltajı o kadar yüksek, gaz miktarı ne kadar azsa voltaj o kadar düşük olur. Bu pini Arduino'nuzdaki bir analog girişe (örneğin A0'a) bağlayabilirsiniz

DO (Dijital Çıkış) :Gaz konsantrasyonu potansiyometre tarafından ayarlanan eşik değerinin üzerinde olduğunda DÜŞÜK sinyal, altında olduğunda ise YÜKSEK sinyal üretir. Bunu Arduino'daki bir dijital giriş pinine bağlayabilirsiniz.

MQ2 Sensör Modülünün Teknik Özellikleri

• Çalışma gerilimi :5V

• Yük direnci :2kΩ ile 20 kΩ olmalı ama elimizdekinde 1kΩ.

• Isıtıcı direnci :33Ω ± 5%

• Isıtma tüketimi :<800mW

• Algılama Direnci :10 kΩ – 60 kΩ

• Konsantrasyon Aralığı :200 – 10000 ppm

• Ön Isıtma Süresi :24 saatten fazla

MQ2 Sensör Modülünün Kalibrasyonu ve Ön Isıtma Süresi

Bu tip gaz sensörleriyle çalışırken, cihazın düzgün çalışması için ön ısıtma veya stabilizasyon süresi gereklidir. Cihazın teknik veri sayfasına baktığınızda, 24 saatlik bir ön ısıtma süresi gerektirdiğini görebilirsiniz. MQ2 sensörünüzü bir aydan fazla süredir kullanmadıysanız, 24 ila 48 saat boyunca ısınması gerekecektir. Çünkü sensörün bu kadar uzun süre kullanılmadan kaldıktan sonra normal çalışma koşullarına ulaşması için zamana ihtiyacı vardır. Ancak sensörünüzü yakın zamanda kullandıysanız, tekrar kullanmadan önce 5 ila 10 dakika ısıtmanız yeterlidir.

Sensörün veri sayfasındaki bu 24 saatlik ön ısıtma süresi, tipik performans verilerini elde etmek için gereken süredir. Veri sayfasındaki ölçümler laboratuvarda 24 saat sonra yapılan ölçümlerdir. Dolayısıyla, spesifikasyonlara uymak istiyorsanız 24 saatlik ön ısıtma süresine uymanız gerekir. Veri sayfasında verilen verilerin birkaç yüzdesine yaklaşmak muhtemelen sadece birkaç dakika sürecektir. Sensörü ilk kez çalıştırdığınızda, ısınma süresi boyunca yanlış okumalar verebilir. Endişelenmeyin! Sensör ısındıkça ve stabil hale geldikçe, okumalar daha doğru olacaktır. Eğer gaz konsantrasyonunun çok doğru bir ölçümünün yapılmasını istiyorsanız bu 24 saatlik süreyi beklemeniz gerekir.

MQ2 Sensör Modülünün Hassasiyet Grafikleri

Yandaki grafik MQ2 gaz sensörü modülünün, çeşitli gazlar için tipik hassasiyet özelliklerini göstermektedir. Grafik, Rs/Ro ile ppm değeri arasındaki ilişkiyi gösterir. Grafik logaritmiktir.

Ro: Sensörün temiz hava koşullarındaki (belirli bir nem ve sıcaklıkta) iç direncidir. Genellikle sensör ilk çalıştırıldığında (ısıtıldıktan sonra) temiz havada ölçülerek sabit bir değer olarak kaydedilir. Ro, sensör için temel referans (kalibrasyon) noktasıdır.

Rs: Sensörün hedef gazlara maruz kaldığında değişen anlık direncidir.

Rs/Ro: Direnç oranıdır. Temiz havada bu oran genellikle sabittir. Grafikte ~9,8 veya 10’dur.

Eğim: Çizginin eğimi, sensörün o gaza ne kadar duyarlı olduğunu gösterir.

Hava(air): En üstteki düz siyah çizgi temiz havayı temsil eder ve oran yaklaşık ~9,8 veya 10’dur.

Grafik aşağıdaki koşullar altında elde edilmiştir:

O2 : %21.

Sıcaklık : 20℃.

Nem : %65.

Ro : İçerisinde 1000 ppm H2 bulunan temiz havadaki sensör direnci.

Rs : Çeşitli gaz konsantrasyonlarında sensör direnci.

RL : 5 kΩ. Bu direnç yük direncidir. MQ2 modülünde hali hazırda kartın üzerine lehimlenmiş durumda, genellikle ayarlanabilir bir potansiyometre veya sabit bir direnç olarak bulunan dirençtir. Sensörün iç direnci ile seri bir gerilim bölücü devre oluşturur.

Grafiğin yukarıda belirtilen koşullar altında çizildiğini göz önüne aldığımızda, en üstteki düz siyah çizgi olan hava (air) için konuştuğumuzda; Ro, sensörün, temiz havadaki 1000 ppm H2 (Hidrojen) gazı altındaki direncini ifade eder. Rs ise, içinde LPG, duman, alkol vb gaz barındırmayan temiz havadayken sensörün direncini ifade eder. Bundan dolayı Rs direnci Ro direncinden büyüktür ve Rs/Ro oranı yaklaşık 9,8 veya 10 civarında çıkar. Bu nedenle grafikteki havayı(air) temsil eden siyah çizgi ~10 olarak çizilmiştir. LPG, duman, alkol vb gaz algılandığında Rs azalacağı için Rs/Ro oranı da azalarak 0,1 değerine doğru iner.

NOT: MQ2 sensörü birçok farklı gazı algılayabilir ama gaz türünün ne olduğunu bilemez. Yani ortamda hem duman hem de LPG varsa, sensör bunların karışımına bir tepki verir ama hangisinin ne kadar olduğunu tek başına ayırt edemez.

Yandaki grafik, sensörün çevresel faktörlerden nasıl etkilendiğini açıklar. Sensörler sadece gaza değil, ısı ve neme de tepki verirler. Sıcaklık arttıkça (özellikle -10°C'den 20°C'ye kadar), Rs/Ro oranında belirgin bir düşüş görülür.

Gaz Konsantrasyonu Nasıl Hesaplanır?

• 1. Yöntem PPM hesaplama aşamaları:

Bu yöntemde “Rs/Ro – ppm” grafiğini kullanacağız. Buradaki Rs/Ro oranını kullanarak yeni kalibrasyon değeri olan Ro’yu ve diğer bileşenleri bulacağız:

1. Adım: Sensörü ısıtma (Preheat). Sensörü devreye aldıktan sonra en az 2-5 dakika (ideal olanı 24 saattir) ısınmasını beklemeniz gerekir.

2. Adım: Oda ortamındaki temiz havada kalibrasyon değeri olan Ro’yu bulma. Grafiğin oluşturulduğu laboratuvar koşullarında “içerisinde 1000 ppm H2 bulunan temiz hava ortamında”yken sensörün iç direnci ölçülmüş ve buna Ro denmişti. Sadece temiz hava ortamında sensörün iç direnci ölçülmüş buna da Rs denmişti ve Rs / Ro oranı ~=9,8 çıkmıştı.

 Fakat biz, mevcut bulunduğumuz oda ortamında hesaplama yapacağımız için, referans direnci olan Ro’yu bu oda ortamındaki temiz havaya göre belirleyeceğiz. Bu nedenle oda ortamındaki temiz hava içinde sensörün direncini (Rshava) ölçüp bunu 9,8’e bölerek Ro’yu buluruz. Bu Ro değeri artık sabit referans değerimizdir. Sensörün sıfır noktasıdır. Bu Ro değerini bir kenara not ederiz. Grafik üzerinden okuma yapacağımız için laboratuvar ortamındaki Rs/Ro oranını korumak için sensör direncini 9,8’e böldük. 

3. Adım: Artık Ro referans değerini biliyoruz. Sensöre LPG, duman, alkol vb gaz geldiğinde sensörün iç direncini (Rsgaz) aşağıdaki formülle buluruz:

ÖNEMLİ: Kullandığımız MQ2 sensöründe RL =  1KΩ’dur.

Ro sabittir. Kalibrasyon aşamasında (temiz havada) bir kez hesaplandığında, bu değer o sensörün "sıfır noktası" veya "temel referans noktası" olarak kabul edilir.

Rs değişkendir. Gaz yoğunluğuna bağlı olarak anlık değişen iç dirençtir. Ortamda yanıcı gaz (LPG, duman, hidrojen vb.) yoğunluğu arttıkça sensörün iletkenliği artar ve buna bağlı olarak Rs direnci düşer.

Ölçüm süresince sabit olan Ro ile anlık değişen Rs arasındaki oran (Rs/Ro), bize grafikteki ppm değerine ulaşmamızı sağlar.

4. Adım: Ro ve Rs’yi bulduğumuza göre, Rs/Ro değerini buluruz. Grafiğe bakarız. Hangi gazın ölçümünü yapıyorsak o gazın grafikteki doğrusu üzerinden, bulduğumuz değerin karşılığındaki ppm değeri bize sonucu verir. 

• 2. Yöntem PPM hesaplama aşamaları:

Yukarıdaki grafik okuma yönteminden farklı olarak formüller ile sensörden gelen analog veriyi anlamlı bir ppm değerine dönüştürebiliriz. 1. yöntemdeki 4. adıma kadar olan kısmı aynı şekilde uyguladıktan sonra y = m· x + b doğru denklemini kullanarak aşağıdaki formül ile ppm değerini buluruz:

Burada:

m : Grafikteki doğrunun eğimidir.

b : Y eksenini kestiği noktadır.

1. Eğim (m) bulma

Grafik üzerinden hedeflediğin gazın (örneğin LPG) çizgisi üzerinde birbirinden uzak iki nokta seçersin.

• Nokta 1: (x1, y1)  

• Nokta 2: (x2, y2) 

Eğim formülü logaritmik ölçekte şöyledir:

2. Doğrunun y eksenini kestiği noktayı (b) bulma

Matematikteki klasik doğru denklemi olan y = m· x + b üzerindeki b parametresi, doğrunun y eksenini kestiği noktadır. Seçtiğimiz noktalardan birini kullanarak b değerini çekebiliriz:

log(y1) = m· log(x1) + b      →       b = log(y1) - m· log(x1)

3. ppm’i bulma

Seçtiğimiz gaz doğrusunun eğimini (m) ve doğrunun y eksenini kestiği noktayı (b) bulduğumuza göre aşağıdaki formül ile ppm değerini bulabiliriz:

MQ2 Gaz Sensörünün Arduino İle Kullanımı

1. Dijital Çıkış (DO) Kullanarak Gaz Varlığının Tespiti

Sensör çalıştırıldığında ön ısıtma veya stabilizasyon için belli bir süre beklenmelidir. İdeal olanı 24 saattir fakat ölçüm yapmadan 2-5 dk arası ya da daha uzun süre beklenmesi uygun olur.

MQ2 modülünün üzerindeki 10KΩ'luk mavi renkli trim-pot Dijital Çıkış (DO) için sensörün gaz konsantrasyonu eşiğini ayarlamanıza olanak tanır. Trim-pot’u saat yönünde çevirmek eşiği düşürür (yani daha az gaz varlığında bile alarm tetiklenir), saat yönünün tersine çevirmek ise eşiği artırır (yani alarmı tetiklemek için daha fazla gaz gerekir).

Bu eşik, sensörün dijital çıkışını değiştirdiği noktadır. Gaz konsantrasyonu bu noktanın üzerine çıktığında, sensör Durum LED'ini yakar ve dijital çıkışı (DO pini) DÜŞÜK konuma getirir. Bu noktanın altında ise Durum LED'i söner ve dijital çıkışı (DO pini) YÜKSEK konumdadır.

2. Analog Çıkış (AO) Kullanarak Gaz Konsantrasyonunun Ölçülmesi

NOT: Sensör çalıştırıldığında sensörün ön ısıtma veya stabilizasyonu için belli bir süre beklenmelidir. İdeal olanı 24 saattir fakat ölçüm yapmadan 2-5 dk arası beklenmesi uygun olur.