Neste projeto, vamos iniciar a construção de um detector de vazamento de gás hidrogênio usando um sensor MQ-8 e um Arduino.

O gás hidrogênio, H₂, é o elemento número 1 na tabela periódica dos elementos, e é a substância mais leve que existe no Universo. E é altamente inflamável!

Nas CNTP (condições normais de temperatura e pressão), é um gás sem cheiro, sem gosto e sem cor, de modo que não é possível detectar sua presença apenas com nossos sentidos.

Encontra inúmeras aplicações industriais e tem sido pesquisado como possível fonte de energia alternativa em diversas áreas, como por exemplo em aplicações especiais na indústria automobilística, na forma de células de hidrogênio.

Evidentemente, por suas características físicas e químicas, se trata de uma substância perigosa, pois pode provocar explosões e incêndios se houver vazamento do gás e faiscamento, e portanto, é importante que seja monitorada a presença do elemento em um ambiente.

Vamos trabalhar aqui com um sensor MQ-8, que permite detectar a presença de gás hidrogênio. Não se trata de um sensor de nível industrial, mas ele serve perfeitamente para aprendermos como funciona esse tipo de circuito e aplicação, e a importância desse tipo de medida de segurança.

Sensor de gás hidrogênio MQ-8

Componentes

Os componentes que empregaremos no projeto são:

• Módulo de Sensor de Gás Hidrogênio MQ-8
• Arduino (Uno, Mega, etc)
• Um Buzzer (para sinalização)
• LED (para sinalização)
• Matriz de Contatos (Breadboard)
• Conectores diversos

Para gerar o gás hidrogênio que será usado nos testes vamos usar:

• Erlenmeyer  (preferencialmente) ou outro recipiente de vidro, como um copo grande.
• 5 g de hidróxido de sódio (NaOH), (uma colher de chá de soda cáustica)
• 200 ml de água
• Tiras ou pedaços pequenos de alumínio (por exemplo, uma latinha de refrigerante cortada. Cuidado para não se machucar!!!)
• Óculos de proteção
• Luvas de látex ou de nitrilo

ATENÇÃO: MUITO CUIDADO ao realizar testes com o gás hidrogênio, pois se trata de um gás altamente inflamável e explosivo. USE luvas e óculos de segurança, e teste o circuito em local bem arejado, preferencialmente em ambiente externo.

Vamos estudar agora as características do sensor MQ-8.

Sensor MQ-8 de Gás Hidrogênio

O conjunto MQ é uma série de sensores de gases de baixo custo. Existem sensores disponíveis para detecção de vários tipos de gases, com alguns listados na tabela a seguir:

O sensor MQ-8 que utilizaremos neste projeto é um sensor de custo bastante baixo e de fácil obtenção, podendo ser adquirido em lojas e sites especializados em eletrônicos, sites de leilões e sites de produtos da China em geral.

Trata-se de um sensor semicondutor para gás hidrogênio, do tipo sensor químico de metal-óxido, que utiliza como material sensível o SnO₂ (dióxido de estanho), o qual possui baixa condutividade elétrica em ambiente com ar sem hidrogênio presente. Quando um sensor de metal-óxido, como SnO₂, é aquecido a uma determinada temperatura no ar, oxigênio é absorvido na superfície do cristal e um potencial de superfície é formado, inibindo o fluxo de elétrons. Quando essa superfície é exposta a gases redutíveis, como moléculas de hidrogênio e outros gases (como metilmercaptana – CH₃SH – e álcool etílico – C₂H₅OH), o potencial de superfície diminui e a condutividade elétrica do sensor aumenta consideravelmente, de acordo com o aumento da concentração do gás.

Esse sensor encontra aplicações diversas tais como alarme de vazamento de gás doméstico, alarme de gases inflamáveis industriais e detetor portátil de gás, entre outras.

Este tipo de sensor é classificado como um sensor direto. Em um sensor direto uma característica elétrica é afetada em um elemento sensível. Os classificamos em:

• Dispositivos condutométricos: sofrem alteração de resistência ou impedância
• Dispositivos amperométricos: sofrem alteração na corrente elétrica que atravessa o sensor
• Dispositivos potenciométricos: sofrem alteração na tensão elétrica entre um par de eletrodos.

Sensores químicos diretos usam diversos fenômenos de reações químicas que afetam diretamente uma característica elétrica mensurável, como resistência elétrica, tensão, corrente ou capacitância. Esse tipo de sensor necessita de algum tipo de condicionamento de sinal elétrico, mas não tem a necessidade de um transdutor (conversor de formas de energia).

Tente usar sempre o módulo de sensor, e não o sensor por si só, caso contrário você terá de criar o circuito de controle do sensor, que já vem embutido no módulo, facilitando assim muito o desenvolvimento do projeto (e diminuindo seu custo).

Características gerais:

• Faixa de detecção vai de 100 a 1000 ppm de H₂.
• Resistência de Carga: Ajustável
• Tensão de alimentação: 5.0 V AC ou DC
• Consumo: <= 900 mW
• Tensão de saída: de 2,5 V a 4.0 V (em 1000 ppm H₂)
• Resistência do aquecedor: 31 kΩ ±5% (temperatura ambiente)
• Temperatura de operação: -10°C a +50°C

Pinagem do MQ-8

A seguir temos a pinagem do sensor MQ-8 e suas respectivas funções.

• Pino 1: VCC
• Pino 2: AOUT (saída analógica)
• Pino 3: DOUT (saída digital)
• Pino 4: GND

Modo de operação do sensor MQ-8

Os pinos VCC e GND fornecem alimentação ao sensor. O pino AOUT é o pino de saída analógica, cujo valor é proporcional à quantidade de gás detectada. Caso a tensão detectada neste pino ultrapasse um valor limite (threshold), o pino DOUT (saída digital) vai para nível 1, e é essa mudança de nível lógico que vamos detectar com o Arduino, para sinalizar que o nível de gás hidrogênio no ambiente ultrapassou o limite estabelecido ou aceitável.

O módulo possui também um potenciômetro para ajuste da sensibilidade do nível de detecção.

Curva de Sensibilidade do MQ-8

O gráfico a seguir mostra a curva de sensibilidade do sensor de gás MQ-8 com relação a diversos gases. Note que o hidrogênio é o gás primordial detectado por esse sensor, mas ele também apresenta uma certa sensibilidade a outros gases:

Por exemplo, esse sensor também é capaz de detectar gases como etanol e GLP (gás liquefeito de petróleo, mistura doméstica de butano e propano), embora com muito menor sensibilidade.

Agora que já sabemos como funciona o sensor MQ-8, vamos partir para a construção do circuito eletrônico de detecção de gás usando o Arduino. Essa será nossa tarefa na parte 02 do projeto!

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O Arseneto de Gálio, de fórmula GaAs, é um composto formado por quantidades iguais dos elementos químicos gálio (elemento 31 na tabela periódica) e arsênico (elemento de número atômico 33). Trata-se de um material semicondutor do tipo III/V (elementos dos grupos III e V da tabela periódica), que é largamente empregado na manufatura de dispositivos como circuitos integrados para frequência de microondas, diodos emissores de luz infravermelhos, diodos laser, células solares, LEDs comuns, transistores JFET e MOSFET e janelas ópticas.

O GaAs é frequentemente utilizado como um material de substrato para o crescimento epitaxial de outros semicondutores III/V tais como InGaAs e GaInNAs. Sua densidade é de 5,32 g/cm³.

O GaAs é resistente a danos causados por exposição à umidade, radiação e luz ultravioleta. Por conta dessas propriedades, esse material é uma excelente opção para aplicações aeroespaciais, nas quais outros tipos e semicondutores seriam facilmente danificados por esses fatores.

Aplicações do GaAs

Algumas das principais aplicações do arseneto de gálio são:

• Fabricação de LEDs
• Construção de Diodos Laser
• Células Solares de alta eficiência
• Detetores luminosos (sensores)
• Transistores de alta frequência (250 GHz) e alta potência
• Emissores de ondas na faixa de THz (terahertz)

Estrutura Molecular do Arseneto de Gálio

Breve Histórico

1250 – O alquimista Albert, o Grande foi o primeiro a obter o elemento Arsênico quase puro

1874 – Lecoq de Boisbaudran descobre o Gálio enquanto estudava o Zinco. Após procurar por anos, ele percebeu que o Gálio poderia ser o próximo elemento após o zinco, baseado nas tendências periódicas da tabela de Dmitri Mendeleev.

1907 – Henry Joseph Round, pesquisador de rádio britânico, que era assistente de Marconi, descobre a emissão infravermelha chamada eletroluminescência do arseneto de gálio quando fazia experimentos com o material e um detetor a cristal (cat´s whisker / bigode de gato)

1962 – O físico da IBM J. B. Gunn realiza pesquisas com o GaAs que levam à descoberta de oscilações de ata frequência da corrente elétrica que flui através de determinados sólidos semicondutores – o agora conhecido “Efeito Gunn“. Esta descoberta pavimentou o caminho para a construção dos primeiros detectores militares, usando diodos Gunn.

1970 – As primeiras células solares de GaAs foram criadas pela equipe liderada por Zhores Alferov, na URSS.

1978 – Engenheiros da empresa Tektronix começam a realizar experimentos com o arseneto de gálio como material base para a fabricação de circuitos integrados. Sete anos depois, é formada a corporação TriQuint Semiconductor como uma subsidiária da Tektronix.

Década de 1980 – A eficiência das células solares de GaAs ultrapassa a das células solares convencionais baseadas em silício.

1985 – Microprocessadores de GaAs desenvolvidos pela RCA são considerados para o programa militar Guerra nas Estrelas do Departamento de Defesa dos Estados Unidos, iniciado pelo então presidente Reagan.

1998 – A empresa RFMD (RF Micro Devices, que se fundiu com a TriQuint formando a atual Qorvo) anunciou que 87% do faturamento da empresa, para o trimestre que finalizou em 30 de junho, foi derivado da venda de transistores bipolares de heterojunção fabricados com GaAs, sendo manufaturados pela TRW, maior acionista da empresa.

Década de 1990 – Células solares de arseneto de gálio suplantam células de silício como o tipo mais empregado em arrays para aplicações de satélites.

Alguns fatos interessantes sobre o arseneto de gálio

• Ao contrário das células solares fabricadas com silício (Si), as células feitas com arseneto de gálio são relativamente insensíveis ao calor.
• Ligas feitas de GaAs usando materiais como alumínio (Al), fósforo (P), antimônio (Sb) ou índio (In) possuem características complementares às do GaAs, permitindo assim grande flexibilidade.
• O GaAs é muito resistente a danos por radiação. Isso, juntamente com sua alta eficiência, torna o arseneto de gálio altamente desejável em aplicações espaciais.
• Porém, o GaAs tem algumas desvantagens. A maior barreira para o sucesso de dispositivos de GaAs tem sido o alto custo de um substrato de GaAs de cristal único.
• O GaAs, quando umedecido, exala um odor semelhante ao do alho.
• O elemento Gálio, quando puro, é um metal que se funde à temperatura de 29°C. Isso significa quem, em uma dia quente, é possível derreter um pedaço do metal apenas segurando-o na palma da mão!
• O elemento Arsênico é muito tóxico, sendo usado atualmente na fabricação de venenos contra pragas, e ao longo da história, como forma de se livrar de “pessoas indesejáveis”.
• Células solares de GaAs alimentam os veículos de exploração Spirit e Opportunity, que exploram a superfície do planeta Marte. Na prática, programas espaciais já vem usando células solares de arseneto de gálio há mais de 25 anos.
• O arseneto de gálio já vem sendo empregado na fabricação de células solares há mais de quatro décadas.

Contras do GaAs

O GaAs possui, porém, um problema: o material tem custo elevado. Espera-se que seu custo de fabricação decline ao longo dos p´roximos anos, permitindo que o material possa ser empregado em escala cada vez maior.

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Essa é uma dúvida muito comum. A maioria das pessoas pensa que a água é um bom condutor de eletricidade, principalmente pelo fato de que no dia-a-dia testemunhamos ocorrências casuais como levar um choque elétrico com os pés molhados, ou ainda casos trágicos com pessoas sendo eletrocutadas durante enchentes em que há danos à rede elétrica. Desta forma, é fácil pensar-se que a água é um bom condutor de corrente elétrica – mas a realidade não é bem assim.

A água destilada (pura) é um isolante muito eficiente, pois possui uma resistividade muito elevada. Porém, há um mecanismo de condução elétrica, muito fraco, baseado no fluxo de íons no líquido – não fluxo de elétrons, mas de íons. Esse fenômeno se dá pelo mecanismo de Autoionização, que permite a formação de quantidades (ínfimas) de íons de forma espontânea na água.

Autoionização da água

A autoionização é uma reação de ionização que ocorre na água pura ou em uma solução aquosa, na qual uma molécula de água, H₂O, se torna um íon OH^– (ânion hidróxido), por meio da perda de um núcleo de hidrogênio (desprotonação). Esse núcleo então protona (se une) com outra molécula de água, formando um cátion aquoso Hidrônio, H₃O⁺.

A figura a seguir ilustra esse processo:

Imagem: Wikimedia Commons

A concentração desses íons na água, determinada experimentalmente, é de 1:10^-7 – um par de íons para cada 10⁷ moléculas de água. Assim, em um litro de água temos, aproximadamente, 6 x 10¹⁶ pares de íons formados por autoionização. Trata-se de uma razão de 1 para 560 milhões – para cada íon formado, temos 560 milhões de moléculas de água não ionizadas. É uma quantidade realmente pequena, praticamente desprezível, que não permite a passagem de uma corrente elétrica pela água.

Tentando medir corrente na água

Se conectarmos uma bateria, de tensão conhecida, a dois eletrodos de cobre (ou outro metal condutor), posicionados a certa distância dentro de uma cuba com água pura, e tentarmos medir uma corrente nos fios conectados aos eletrodos, usando a Lei de Ohm vamos descobrir que a água apresenta uma resistência elétrica de cerca de 18,2 x 10⁶ Ω/cm (18 MΩ por centímetro) – muito elevada.

Entre os eletrodos, dentro do líquido, íons H₃O fluem em direção ao eletrodo negativo, e os íons OH^– vão em direção ao eletrodo positivo. Quando os íons entram em contato com os eletrodos, transferem ou recebem um elétron, de modo que o íon se recombina de volta em uma molécula normal de água, H₂O.

Porém, essa taxa de recombinação é tão baixa que, para todos os efeitos, a água pura age como um perfeito isolante.

E a água com impurezas?

Tomemos como exemplo a água salgada. Nesse caso, adicionar compostos iônicos na forma de sais, como o sal de cozinha comum (NaCl, Cloreto de Sódio), aumenta a concentração de íons dentro da solução, pois o sal se dissocia em íons Na⁺ e Cl^–.

Cada grama de sal de cozinha adicionada à água introduz cerca de 2 x 10²² íons na solução. Esses íons agirão como portadores de cargas, diminuindo consideravelmente a resistência elétrica da solução para algo abaixo de um ohm por metro (1Ω/m). A resistividade da solução diminui conforme a concentração de íons aumenta.

Neste cenário, a solução irá se comportar como um condutor de corrente elétrica, e seremos capazes, por exemplo, de acender uma lâmpada conectada em série em nosso circuito de exemplo. Lembrando que, como a quantidade de íons positivos e de íons negativos é a mesma, a água, no geral, continuará com caráter neutro, apesar da condutibilidade aumentada

O mesmo se dá na presença de outros tipos de substâncias dissolvidas, porém com concentrações iônicas diferentes de acordo com a substância.

Conclusão

A água pura, destilada, possui uma resistência elétrica tão grande que podemos considerá-la como uma substância isolante, mesmo se levarmos em conta a produção espontânea de íons por autoionização.

Já a água com algum tipo de impureza dissolvida, como por exemplo sais, bases ou ácidos, ou mesmo água comum de torneira, possui uma quantidade de íons dissociados muito maior, tornando-se eventualmente uma substância boa condutora de eletricidade. Seu grau de condutibilidade vai depender do tipo de substâncias presentes em solução, assim como de sua concentração.

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