Funktionsprinzip, Spezifikationen und Verwendung des Methangassensors MQ-4

Methan- und Erdgaslecks stellen in Wohn-, Gewerbe- und Industrieumgebungen ein ernstes Sicherheitsrisiko dar und machen eine zuverlässige Gasdetektion zu einem wesentlichen Bestandteil moderner Sicherheitssysteme.Zu diesem Zweck wird häufig der Methangassensor MQ-4 verwendet.In diesem Artikel werden die Definition, das Funktionsprinzip, die Pinbelegung, die interne Struktur, die Empfindlichkeitseigenschaften und mehr des MQ-4-Gassensors erläutert.

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Was ist ein MQ-4-Gassensor?

Der MQ-4-Gassensor ist ein halbleiterbasiertes Sensorgerät zur Erkennung von Methan (CH₄) und Erdgas in der Umgebung.Es wird häufig in Gasleckerkennungssystemen, Sicherheitsalarmen und Überwachungsanwendungen für Privathäuser, Gewerbegebäude und Industrieanlagen eingesetzt.Der Sensor verwendet ein gasempfindliches Material, das reagiert, wenn es brennbaren Gasen ausgesetzt wird, wodurch Änderungen der Gaskonzentration in ein elektrisches Signal umgewandelt werden können.

Einer der Hauptgründe für die weite Verbreitung des MQ-4 ist sein Gleichgewicht zwischen hoher Methanempfindlichkeit, stabiler Leistung und niedrigen Kosten.Er ist als reiner Sensor oder als komplettes Modul mit unterstützender Schaltung erhältlich und eignet sich daher sowohl für professionelle Systemdesigns als auch für einsteigerfreundliche Projekte.Seine einfachen Betriebsanforderungen und seine lange Lebensdauer machen es zu einer praktischen Wahl für kontinuierliche Gasüberwachungsanwendungen.

Funktionsprinzip des MQ-4-Gassensors

Das Funktionsprinzip des MQ-4-Gassensors basiert auf der Änderung des elektrischen Widerstands seines Sensormaterials bei Anwesenheit von Methangas.Im Inneren des Sensors erhöht eine eingebaute Heizung die Temperatur der Zinndioxid (SnO₂)-Sensorschicht auf den richtigen Betriebsbereich.In sauberer Luft heften sich Sauerstoffmoleküle an die Oberfläche des Sensormaterials und fangen freie Elektronen ein, was den Widerstand des Sensors erhöht.

Wenn Methan in den Sensor gelangt, reagiert es mit dem absorbierten Sauerstoff auf der erhitzten Oberfläche.Diese Reaktion gibt die eingefangenen Elektronen zurück in die Sensorschicht, wodurch der Widerstand abnimmt.Die Widerstandsänderung steht in direktem Zusammenhang mit der Gaskonzentration.Durch die Verwendung eines externen Lastwiderstands wird diese Widerstandsänderung in einen messbaren Spannungsausgang umgewandelt.Dieser Ausgang kann von Mikrocontrollern oder Überwachungsschaltkreisen gelesen werden, um das Vorhandensein von Methan zu erkennen und Alarme auszulösen oder Maßnahmen zu steuern, wenn der Gasgehalt sichere Grenzwerte überschreitet.

Beschreibung der MQ-4-Gassensor-Pinbelegung

MQ-4 Gassensor (bloßer Sensor)

Pin Etikett	Pin Typ	Beschreibung
H	Heizung	Heizstifte verwendet um das Sensorelement zu erwärmen.Diese Pins müssen mit Strom versorgt werden, um das zu aktivieren Sensor.
H	Heizung	Zweite Heizung Pin (beide H-Pins sind intern mit der Heizspule verbunden).
A	Signalelektrode	Eine Seite des Sensorwiderstandsausgang.Wird zur Messung der Widerstandsänderung aufgrund von Methan verwendet Gas.
A	Signalelektrode	Duplizieren Elektrode intern verbunden (beide A-Pins können verwendet werden).
B	Signalelektrode	Andere Seite von der Sensorwiderstandsausgang.Arbeitet mit A-Pins zusammen, um den Sensorschaltkreis zu bilden.
B	Signalelektrode	Duplizieren Elektrode intern verbunden (jeder B-Pin kann verwendet werden).

MQ-4 Sensormodul

Pin Name	Pin Typ	Beschreibung
VCC	Macht	Liefert 5 V Stromversorgung des Sensormoduls und des Heizkreises.
GND	Boden	Gemeinsamkeit Anschluss für das Modul.
TUN	Digitaler Ausgang	Ausgänge HIGH oder NIEDRIG basierend auf einem voreingestellten Gasschwellenwert (einstellbar über integriertes Potentiometer).
AO	Analoger Ausgang	Ausgänge a variable Spannung proportional zur erfassten Methankonzentration.

Alternativen und gleichwertiger Sensor

• MQ-2

• MQ-3

• MQ-4

• MQ-5

• MQ-6

• MQ-7

• MQ-8

• MQ-9

• MQ-131

• MQ-135

• MQ-136

• MQ-137

• MQ-138

• MQ-214

• MQ-216

• MQ-303A

• MQ-306A

Interne Struktur und Materialien des MQ-4-Gassensors

Das Bild veranschaulicht den inneren Aufbau des MQ-4-Gassensors und die in den einzelnen Komponenten verwendeten Materialien.Es zeigt die gasempfindliche Schicht aus Zinndioxid (SnO₂), die ihren Widerstand ändert, wenn sie Methan ausgesetzt wird.Die Heizspule besteht typischerweise aus einer Nickel-Chrom-Legierung und sorgt für die erforderliche Betriebstemperatur für eine ordnungsgemäße Messung.Andere Teile wie das Keramikrohr, die Elektroden, das Explosionsschutznetz und die Harzbasis sorgen für einen stabilen Betrieb, Sicherheit und Haltbarkeit und tragen dazu bei, dass der Sensor über lange Zeiträume eine zuverlässige Leistung aufrechterhält.

Komponenten des MQ-4-Gassensormoduls

• MQ-4-Gassensorelement – Erkennt Methan und Erdgas durch Widerstandsänderungen

• Spannungskomparator-IC – Wandelt ein analoges Signal in einen digitalen Ausgang um

• Potentiometer zur Empfindlichkeitseinstellung – Legt den Schwellenwert für die Gaserkennung fest

• Power-LED – Zeigt an, dass das Modul eingeschaltet ist

• Ausgangs-LED – Zeigt den digitalen Ausgangsstatus an, wenn Gas erkannt wird

• Analogausgang (AO) – Stellt eine variable Spannung basierend auf der Gaskonzentration bereit

• Digitaler Ausgang (DO) – Gibt ein HIGH/LOW-Signal aus, wenn der Schwellenwert erreicht ist

• VCC-Pin – Versorgt das Modul mit Strom

• GND-Pin – Erdungsanschluss für den Stromkreis

• PCB-Montagelöcher – Ermöglicht eine sichere Installation auf Gehäusen oder Platinen

Internes Anschlussdiagramm des Gassensors MQ-4

Das interne Anschlussdiagramm des MQ-4-Gassensors erläutert, wie der Sensor mit Strom versorgt wird und wie sein Ausgangssignal erzeugt wird.Im Inneren des Sensors ist eine eingebaute Heizspule an die Klemmen H–H angeschlossen und mit einer stabilen 5-V-Wechsel- oder Gleichspannung versorgt.Diese Heizung erhöht die Temperatur des Sensormaterials und ermöglicht so eine ordnungsgemäße Reaktion, wenn Methan oder Erdgas vorhanden ist.

Das Diagramm zeigt außerdem zwei identische Messelektroden mit den Bezeichnungen A und B. Diese Elektroden sind mit der gasempfindlichen Schicht verbunden, deren Widerstand sich ändert, wenn sich die Gaskonzentration ändert.Ein externer Lastwiderstand (RL) ist in Reihe mit dem Sensorelement geschaltet und bildet einen Spannungsteiler.

Die Ausgangsspannung (Vout) wird über den Lastwiderstand abgenommen.Wenn die Methankonzentration steigt, ändert sich der Widerstand des Sensorelements, was zu einer entsprechenden Änderung von Vout führt.Diese variierende Spannung wird von Mikrocontrollern oder analogen Schaltkreisen gelesen, um den Methangasgehalt zu erkennen und zu messen.

Kennlinie der MQ-4-Empfindlichkeit

Die MQ-4-Empfindlichkeitskennlinie zeigt, wie der Sensor auf verschiedene Gase reagiert, indem das Verhältnis des Sensorwiderstands (Rs/Ro) zur Gaskonzentration, gemessen in Teilen pro Million (ppm), aufgetragen wird.Das Diagramm verwendet auf beiden Achsen eine logarithmische Skala, die dabei hilft, das Verhalten des Sensors über einen weiten Bereich von Gaskonzentrationen hinweg zu veranschaulichen.Jede Linie stellt ein anderes Gas dar, was einen einfachen Vergleich der Empfindlichkeit des Sensors gegenüber Methan im Vergleich zu anderen Gasen ermöglicht.

Aus der Kurve geht hervor, dass Methan (CH₄) im Vergleich zu vielen anderen Gasen eine deutlichere Widerstandsänderung erzeugt, was bestätigt, dass der MQ-4 für die Methanerkennung optimiert ist.Mit zunehmender Methankonzentration sinkt der Rs/Ro-Wert, was auf eine höhere Sensorleitfähigkeit hinweist.Andere Gase wie Flüssiggas, Wasserstoff, Alkohol und Rauch wirken sich ebenfalls auf den Sensor aus, jedoch mit unterschiedlichen Steigungen, was zu einer geringeren Empfindlichkeit oder Querempfindlichkeit führt.

Die Luftlinie bleibt relativ stabil und dient als Referenzbasislinie (Ro).Diese Kurve wird hauptsächlich zur Kalibrierung und Schätzung der Gaskonzentration verwendet und hilft Designern zu verstehen, wie der MQ-4 unter realen Betriebsbedingungen Methan von anderen Gasen unterscheidet.

Technische Daten des MQ-4

Kategorie	Parameter	Symbol	Spezifikation	Bemerkungen
Elektrisch	Stromkreisspannung	Vc	5 V ±0,1 V	Wechselstrom oder Gleichstrom
	Heizspannung	Vh	5 V ±0,1 V	Wechselstrom oder Gleichstrom
	Lastwiderstand	RL	20 kΩ	Empfohlen
	Heizung Widerstand	RH	33 Ω ±5 %	Raumtemperatur
	Heizleistung Verbrauch	PH	< 750 mW	—
Umweltfreundlich	Betrieb Temperatur	Tao	−10 °C bis 50 °C	—
	Lagerung Temperatur	Tas	−20 °C bis 70 °C	—
	Relativ Luftfeuchtigkeit	RH	< 95% RH	Nicht kondensierend
	Sauerstoff Konzentration	O₂	21 % (Standard)	Mindestens > 2 %; beeinflusst die Empfindlichkeit
Empfindlichkeit	Spüren Widerstand	Rs	10 kΩ – 60 kΩ (1000 ppm CH₄)	—
	Konzentration Steigungsrate	α	≤ 0,6 (1000–5000 ppm CH₄)	—
	Erfassungsbereich	—	200 – 10.000 ppm	Methan, natürlich Gas
Testbedingungen	Standardtest Bedingungen	—	20°C ±2°C, 65% ±5 % relative Luftfeuchtigkeit	Vc = 5 V, Vh = 5 V
Nutzung	Vorheizzeit	—	≥ 24 Stunden	Erster Einsatz

Merkmale des Methangassensors MQ-4

• Hohe Empfindlichkeit gegenüber Methan (CH₄) – Optimiert für die Erkennung von Methan- und Erdgaslecks.

• Geringe Empfindlichkeit gegenüber Alkohol und Rauch – Reduziert Fehlauslösungen durch haushaltsübliche Dämpfe.

• Großer Erkennungsbereich – Unterstützt Methankonzentrationen von 200 bis 10.000 ppm.

• Schnelle Reaktionszeit – Reagiert schnell auf Änderungen der Gaskonzentration.

• Gute Erholungseigenschaften – Rückkehr zum Grundwiderstand nach Gasentfernung.

• Stabile Ausgabeleistung – Bietet konsistente Messwerte unter normalen Bedingungen.

• Lange Betriebslebensdauer – Entwickelt für einen längeren Dauerbetrieb.

• Einfache Antriebsschaltung – Erfordert nur minimale externe Komponenten für den Betrieb.

• Analoges Ausgangssignal – Einfache Anbindung an Mikrocontroller und ADCs.

• Eingebautes Heizelement – ​​Gewährleistet die ordnungsgemäße Aktivierung und Empfindlichkeit des Sensors.

• Kostengünstige Lösung – Geeignet für Low-Budget- und Massenproduktionsprojekte.

• Kompaktes und robustes Design – Einfache Integration in verschiedene Gasmesssysteme.

MQ-4-Gassensoranwendungen

• Systeme zur Erkennung von Methangaslecks

• Erdgasüberwachung in Häusern und Gebäuden

• Gasleckalarme für Küchen und Rohrleitungen

• Arbeitssicherheits- und Gasüberwachungssysteme

• Gasdetektion in Bergbauumgebungen

• Detektionsgeräte für brennbare Gase

• Projekte zur Überwachung von Umweltgasen

• Smart-Home-Gassicherheitssysteme

• IoT-basierte Gasdetektions- und Alarmsysteme

Mechanische Abmessungen des MQ-4-Gassensors

Fazit

Das widerstandsbasierte Messprinzip des Methangassensors MQ-4 ermöglicht in Kombination mit einer eingebauten Heizung und einer einfachen Ausgangsschaltung eine genaue Gaserkennung bei ordnungsgemäßer Stromversorgung und Kalibrierung.Durch das Verständnis der Pin-Konfiguration, der internen Struktur, der Empfindlichkeitskurve und der Betriebsbedingungen können Sie sicherere und zuverlässigere Gasüberwachungssysteme entwickeln.Ganz gleich, ob der MQ-4 in eigenständigen Alarmanlagen, Mikrocontroller-basierten Projekten oder industriellen Sicherheitsgeräten eingesetzt wird, bleibt er eine zuverlässige Wahl für die kontinuierliche Methanerkennung, wenn er gemäß seinen Spezifikationen und Best Practices eingesetzt wird.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Wie genau ist der Methangassensor MQ-4?

Der MQ-4 bietet eine gute relative Genauigkeit für die Methanerkennung, ist jedoch nicht für Präzision auf Laborniveau ausgelegt.Es eignet sich am besten zur Leckerkennung und Trendüberwachung und nicht zur genauen ppm-Messung.

2. Muss der MQ-4-Sensor vor der Verwendung kalibriert werden?

Ja, zur Verbesserung der Zuverlässigkeit wird eine Kalibrierung empfohlen.Der Sensor sollte in sauberer Luft kalibriert werden, um einen Basiswiderstand (Ro) zu ermitteln, bevor Methankonzentrationen erfasst werden.

3. Wie lange hält ein MQ-4-Gassensor?

Bei ordnungsgemäßer Stromversorgung und ordnungsgemäßen Betriebsbedingungen hält der MQ-4-Sensor in der Regel mehrere Jahre.Ständige Einwirkung hoher Gaskonzentrationen kann die Lebensdauer verkürzen.

4. Warum benötigt der MQ-4-Sensor eine lange Vorheizzeit?

Durch die Vorheizzeit kann sich das Sensormaterial stabilisieren und konstante Betriebsbedingungen erreichen.Dies verbessert die Genauigkeit und verhindert instabile Messwerte bei der ersten Verwendung.

5. Kann der MQ-4-Sensor andere Gase als Methan erkennen?

Der MQ-4 ist für Methan und Erdgas optimiert, reagiert jedoch möglicherweise geringfügig auf andere brennbare Gase.Diese Reaktionen gelten als Querempfindlichkeit und sind normalerweise schwächer.

6. Was ist der beste Lastwiderstandswert für MQ-4-Sensorschaltungen?

Im Allgemeinen wird ein Lastwiderstand von etwa 20 kΩ empfohlen.Der Wert kann jedoch angepasst werden, um die Empfindlichkeit und den Ausgangsspannungsbereich für bestimmte Anwendungen zu optimieren.

7. Wo sollte der MQ-4-Sensor installiert werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen?

Der Sensor sollte in der Nähe potenzieller Gasleckquellen und in gut belüfteten Bereichen platziert werden.Vermeiden Sie Orte mit übermäßiger Luftfeuchtigkeit, Staub oder direkter Hitzeeinwirkung.

8. Was ist der Unterschied zwischen den analogen und digitalen Ausgängen des MQ-4-Moduls?

Der Analogausgang liefert kontinuierliche Spannungsänderungen basierend auf der Gaskonzentration, während der Digitalausgang ein festes HIGH- oder LOW-Signal auslöst, wenn ein voreingestellter Schwellenwert erreicht wird.