Arduino-ESP32: CO-Minimierung mit MQ-9 CO-Modul und MQTT Datenübertragung

SolarEngel · 21. Januar 2020

Winterzeit, Schorni-Messzeit, schon wieder 2 Jahre rum. Bei mir steht auch demnächst wieder eine Messung an,
deshalb habe ich mir noch das fehlende Messgerät für CO - Optimierung zusammengbaut.

Dank der Ideen und Vorarbeiten von Gust, Holz-Volker und vielen anderen die sowas schon gebaut haben, war es auch für mich möglich
ein so wichtiges Messgerät für meinen D15P mit A25-Pelletsbrenner selber zu bauen. Vielen Dank an dieser Stelle.

Im Heizraum wird dieser CO-Messwert vom MQ-9 CO-Modul mit einem ESP32 digital eingelesen und mit MQTT über Wlan zum Smarthome übertragen,
damit eine Aufzeichnung und Messkurvenauswertung mit den Verbrennungsdaten vom LamdaCheck zusammen möglich wird.

Startphase
oberes Bild: CO-Wert gezoomt 0-5V und ADC-Werte 0-4096, weil im unteren Diagramm auf der Y-Achse 0-5V nicht optimal dargestellt wird.
unteres Bild: Rest-O2 0-21%, Abgastemp. 0-200°C, CO unterste Linie 0-5V und Abgasverlust fast parallel zum Rest O2

Betriebsphase

Aus den Messkurven und vielen Messwerten ist bei mir bei einem Rest-O2 von ca 9% das Minimum der CO-Werte zu beobachten.
Bei grösseren Abweichungen Rest-O2 sowohl nach unten als auch nach oben um diesen Wert steigt der CO-Wert bei meiner Verbrennung der Pellets.
Die Abgastemperatur ist ziemlich konstant um 150°C, deshalb konnte ich dazu bzgl. CO-Wert keine weiteren Erkenntnisse gewinnen.

Wollte das Innenleben sehen, Sensor geöffnet, ohne Haube

Ich habe das fertige MQ-9 CO-Modul bei meinem D15P mit A25-Brenner in den hinteren, unteren Reinigungsdeckel neben der Lamdasonde eingebaut.
Ein Kabel für 5V Spannung und Analogausgang geht dann zum Eingang eines Differenzverstärkers (LM358 Operationsverstärker)
mit fest eingestellter 5-fach Verstärkung und dann zum AD-Wandler-Eingang der ESP32 Platine.
Mit dem OP (LM358) wird das Sensor-Analogsignal durch die 5-fach Verstärkung von 100mV-800mV in einen Messbereich von 0,5V-4V angehoben
und kann damit sehr gut mit dem im ESP32 eingebauten 12-Bit AD-Wandler (4096-Schritte) abgetastet und eingelesen werden.
Die eingelesenen AD-Wandlerdaten habe ich dann in 5V umgerechnet, in eine Message eingepackt und mit MQTT über Wlan zum Smarthome zum Aufzeichnen übertragen.

Ich betreibe das MQ-9 CO-Modul und den ESP32 gemeinsam mit 5V von einem separaten Stecker Netzteil (Handyladeteil).
Das MQ-9 CO-Modul habe ich sehr preiswert für 2,70 Euro bei Eckstein und der ESP32 und der LM358 und die Widerstände für ca. 10 Euro bei Reichelt gekauft.

Der Aufbau ist durch das fertige Sensormodul sehr einfach und die OP-Verstärker-Schaltung ist mit 3 Widerständen auch sehr einfach gehalten.
Der ESP32 benötigt am Eingang einen Spannungsteiler (5V nach 3,3V) weil er mit max. 3,3V angsteuert werden darf.

fritzing Schaltbild

Gruß
Jürgen

ESP32 Programm

Holz-Volker · 22. Januar 2020

Hallo Jürgen,

saubere Arbeit, tolle Anregung!!!
Hammax hatte damals schon auf die Möglichkeit eines fertigen CO-Messbausteins hingewiesen. Habe es selber leider nicht weiterverfolgt, auch wegen Bedenken, dass die hohe Umgebungstemperatur unmittelbar am AG-Rohr der Leiterplatte schaden könnte. Ist es am Reinigungsdeckel Deines Atmos nicht zu heiß auf Dauer?

Vielleicht sollte Deine Lösung als Ergänzung zum Ausgangs-CO-Thema verschoben werden nach co-messung-mit-dem-greisinger usw.

Gruß Volker

Holz-Volker · 22. Januar 2020

Zitat von SolarEngel

Mit dem OP (LM358) wird das Sensor-Analogsignal durch die 5-fach Verstärkung von 100mV-800mV in einen Messbereich von 0,5V-4V angehoben
und kann damit sehr gut mit dem im ESP32 eingebauten 12-Bit AD-Wandler (4096-Schritte) abgetastet und eingelesen werden.
Die eingelesenen AD-Wandlerdaten habe ich dann in 5V umgerechnet, in eine Message eingepackt und mit MQTT über Wlan zum Smarthome zum Aufzeichnen übertragen.

Hallo Jürgen,

als Anregung zum vereinfachten Nachbau und breiteren Anwendung könnte der Ausgang des OV (LM358) direkt weiterverwendet werden, ohne WLAN Datenübertragung (ESP32), also nur Sensorplatte und OV.

Gruß Volker

SolarEngel · 22. Januar 2020

Hallo Volker,

nachdem ich dem Sensor unter die Haube geschaut habe, sind meine Bedenken verschwunden. Ich hab da nichts temperaturempfindliches gesehen.
Die schwarze Isolierplatte in der die Anschlusstifte vom Sensor eingebaut sind, sieht sehr stabil aus.
Die äussere Metallhülse mit Sensorabdeckung hat tatsächlich Kontakt mit dem Reinigungsdeckel und bekommt die Hitze ab, ist aber ansonsten nach innen isoliert.
Die Platine ist auch einige mm vom Reinigungsdeckel entfernt und der Operationsverstärker ist auf der Oberseite
also auf der kalten Seite. Ich nutze eigentlich nichts von der Platine, sondern greife direkt vom Sensor die Analogspannung ab.
Ich kann bei Gelegenheit mit der Wärmebild-Kamera die Temperatur auf der Platine anschauen.

Eigentlich ist ja alles auf dem MQ-9 CO-Modul drauf. Auch ein Operationsverstärker ist auf der kleinen MQ-9 CO-Modul-Platine drauf.
Nur ist der als Komparator geschaltet.
Vielleicht kann man man die Beschaltung abändern und einen Differenzverstärker draus machen, das wäre die perfekte Lösung.

Dann könnte man den Komparatorausgang, als Verstärkerausgang verwenden und es wären alle Anforderungen
für mit und ohne Datenübertragung erfüllt und man bräuchte für die Version ohne Datenübertragung
keine zusätzliche Platine für einen externen Operationsverstärker bauen.

Gruß
Jürgen

Holz-Volker · 22. Januar 2020

Die Schaltung zur Leiterplatte gibt es hier: CO-Sensor-mit MQ9

Hinweis: Bei Ausmessen der Bauteile meiner vorliegenden Sensorplatinestellte ich fest, dass die Widerstände andere Bezeichnungen gegenüber der genannten Schaltung haben:
R1 lt. Schaltung ist auf der Platine R3 = 5 Ohm, R2 ist R4 = 1k Ohm, Rp =10k Ohm und R3 ist R1 = 4,7 kOhm

Gruß Volker

Holz-Volker · 22. Januar 2020

Hier ein fertiger und preiswerter Verstärker mit Schaltung allerdings aus den USA, den gleichen Verstärker gibt es auch bei Amazon: Signal-Verstärker mit LM358 (China Import) mittels Poti sogar justierbar.

Sorry: Ich sehe eben, dass der Verstärker keinen Gleichstrom(spannung) verstärkt, da die Kondensatoren C2 und C4 1µ F nur Wechselspannungen durchlassen, die müssten erst noch raus (überbrückt werden) sowie die Schaltung evtl. weiter angepasst werden.

SolarEngel · 23. Februar 2020

Hallo,

die Anschlüsse am Eingang des OperationVerstärkers auf der kleinen MQ9-Modulplatine passen für einen möglichen Umbau auf Differenzverstärker
(Änderung, entfernen von ein paar Widerständen) garnicht. Deshalb würde ich von einer Abänderung der Beschaltung des OPV auf der MQ9-Modulplatine absehen, leider.

Hier der Schaltplan für den externen analogen Differenzverstärker mit LM358

Den Aufbau des externen OperationsVerstärkers LM358 mit den drei Widerständen halte ich für machbar. Die Herausforderung für mich war eine möglichst
einfache Schaltung zu finden, die das (100mV-800mV) DC-Ausgangssignal vom MQ9-Modul möglichst unverfälscht in meinen gewünschten Messbereich (0,5V-4V) verstärkt,
damit es optimal weiterverarbeitet, in meinem Fall mit dem AD-Wandler vom ESP32 eingelesen werden kann.

Natürlich kann man die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers auch direkt mit einem Voltmeter analog anschauen, so wie es ja viele machen.

Es gibt ja schon eine Version vom CO-Messgerät mit Anschluss zur UVR16xx und zu einem Digital-Voltmeter,
dies würde theoretisch dem Spannungsabgriff am Ausgang des Operationsverstärkers entsprechen.

Bei meinem Pelleter D15P mit A25-Brenner ist die Beschickung der Pelletsmenge mit der Schnecke nicht sehr gleichmässig.
Deshalb kann ich eine Optimierung vom CO-Wert bei meinem Pellet-Kessel nur mit Hilfe einer aufgezeichneten Messkurve empfehlen.
Da sieht man auch die Messwerte über einen längeren Zeitraum und man kann dann bedingt durch die Trägheit der Verbrennung
auch eine Tendenz vom CO-Wert nach oben oder nach unten gut erkennen, wenn man Änderungen an der Einstellung am Luftschieber vom A25 Brenner durchgeführt hat.

Gruß
Jürgen

Glutgeist · 29. Februar 2020

Hallo

Schön langsam kommt meine CO Messung auch zum laufen.
Nachdem ich einen MQ9 Sensor direkt in den Putzdeckel des Rauchrohres vor der Einmündung
in den Kamin eingebaut hatte ,habe ich einige Verstärkerschaltung durchprobiert.
Leider nur mit nicht ganz zufriedenstellenden Erfolg.
Verstärkerschaltungen mit den LM358P haben einfach ein zu hohes Ausgangssignal (so um die 3.3V) und reagieren gar nicht auf das Eingangssignal von MQ9 .
Drei selbstbauten mit verschieden Gegenkopplungen brachten einfach nicht gewünschten Erfolg wenn man sie direkt am Spannungseingang von UVR x2 betreibt.
Auch eine fertige Verstärkerplatine ,wo ich die Eingangs und Ausgangskondensatoren überbrückte (zwechs Gleichspannungsverstärkung) blieb ohne Erfolg.

Am besten Funktionierten noch die Transitorschaltungen mit den 2 BC237, aber auch Abänderungen in unteren Eingansspannungsbereich waren nicht linear möglich.
(verzögertes oder gar kein Ansprechverhalten im unteren Ausgangsspannungsbereich des MQ9 (0,17 -0,30 V).

Heute hab ich einfach probiert den Ausgang des MQ9 direkt auf den Eingang des UVR zu legen
und (Eingang und diesen einfach hochzuskalieren und siehe da es geht auch so.

Habe einfach 10 fache Verstärkung genommen dh der Eingang wird wie folgt parametriert:
Eingangswert 1 0.00V
Zielwert 1 0.00V
Eingangswert 2 1.00V
Zielwert 2 10.00V
So erreiche ich eine Ausgangsspannung von 2.2 bis 11.2 V je nach CO Höhe die läst sich wunderbar im Winsol darstellen.
Ich finde das ist eine einfache Lösung wie der CO Gehalt gemessen werden kann .
Insbesonders der Finanzelle Aufwand hält sich in Grenzen MQ9 kostet ja unter 3 € und ein altes Handyladegerät mit 5V für die Versorgung des MQ9 hat man eh zu Hause .
Notfalls einen Step up Spannungswandler nehmen und die 12 oder 24 V von UVR Runtertransformieren auf 5 V für den MQ9.

Erste Auswertungen ergeben das sich bei einer Brennkammertemperatur im Bereich von 730 -780°C die niedrigsten CO Werte ergeben ,bei einen Restsauerstoffgehalt von 8 -11 % .(Abgastemperatur 115 - 125 °C)
Wie gesagt die ersten Eindrücke ,werde später Berichten.

Möchte allen durch ihre vorhergehenden Beiträge danken ,das ich diese Messung in Angriff nehmen konnte und verwirklichen konnte.

mfg Glutgeist

Glutgeist · 22. März 2020

Hallo

Mal wieder ein kleiner Bericht von der CO -Front .
Wie in vorhergehenden Beitrag beschrieben ist meine CO Messung seit Anfang März in Betrieb.
Habe inzwischen auch den Universal Meßverstärker (UMV4-DL) direkt angeschlossen ,der ja ein breites Spektrum an Eingängen aufweist (0-30 mV;0-300 mV;0-3V;0-30V;und auch für Thermoelemente -25-750°; -25-3200°C).
Für den MQ9 habe ich den 3Volt Bereich gewählt ,welcher den Messwert in der DL einließt und einen Wert von 0 -30000 ausgibt.
Selbigen sollte man entsprechend über Mathemodul auf einen konformen Wert für Winsoldarstellung umrechnen.
Durch die CO Messung bekommt man wesendlich bessere Einblicke in das Verbrennungsgeschehen.
Insbesonders Anheizen ,aber vor allen der Ausbrannt zeigen entsprechende hohe Werte ,
aber auch kurze Spitzen ,wenn sich ein Hohlbrannt ergibt ,zeigen eine verschlechterung
der Verbrennung die an anderen Parametern nur verspätet oder unzureichend interprediert werden können.

Mit der Auswertung der CO - Werte im Hauptabbrannt hat man ein Mittel in der Hand um
entsprechende Maßnahmen dagegen zu unternehmen. Ist bei mir in Arbeit ,dz Eingriffe über
die Summenregelung(Brennraumtemperatur - Unterdruck etc.) sind zwar Wirksam aber nicht in den Umfang wie es für einen stabilen Abbrannt (mit geringen CO) wünschenswert sein sollten.

Es ist zwar die CO Konzentration die man mißt ,aber nicht die Menge die man Ausstoßt,da wäre noch eine zusätzliche Volumsmessung der Rauchgase wünschenswert (zb Venturi Messung) über die Ventilatordrehzahl kann man ja auch nur bedingt Rückschließen ,ins besondes im Abbrannt ,wo man ja den Ventilator nur auf mindest Drehzahl hat ,der dann wie eine Bremse den Naturzug entgegenwirkt.

Für etwaigige Vorschläge in dieser Richtung Dankbar.

Möchte auch allen Danken ,die als Vorreiter in dieser Richtung tätig waren .

Wäre auch wünschenswert wenn noch viele eine solche CO Messung in Angriff nehmen ,denn dadurch lernt man seinen HVG noch etwas besser kennen ,ist ja auch für die Überprüfung ganz gut ,aber vor allen für die Umwelt.

mfg Glutgeist

Anbei ein paar Fotos für den einfachen Nachbau.

SolarEngel · 31. März 2020

Hallo Ludwig,

Gratulation.
Mit dem Universellen Messverstärker UMV4-DL von Technische Alternative bist über Umwege zum perfekten Anschluß des MQ-9 CO-Modul an die UVR16xx, RSM610 über
den DL-Bus gekommen. Für 35 Euro ist dieser professionelle Messverstärker für jeden UVR - User erschwinglich.
Diese UVR-Lösung vom CO-Messgerät zur CO-Minimierung mit MQ-9 CO-Modul ist besonders für User geeignet, die nicht basten können oder wollen.
Ich kannte diesen UMV4-DL gar nicht. Werde mir bei Gelegenheit auch den Messverstärker UMV4-DL zulegen, denn damit kann sehr viel analoges in die UVR direkt hineinkommen.

Das Problem bei den selbstgebauten Verstärkern (LM358) ist die Anpassung (Impedanz) vom Verstärkerausgang zur nachfolgenden Messeinheit.
Ich bin bin sehr gut ausgerüstet mit Messgeräten und kann die ganzen Schwierigkeiten erkennen und nachmessen und dann entscheiden passt oder passt nicht.
Der ESP32-AD-Wandler ist sehr hochohmig und belastet dadurch meinen selbstgebauten Messverstärker (LM358) nicht messbar, deshalb klappt das bei mir auch sehr gut mit der Anpassung.

Hier sieht man wenn sich viele Köpfe mit dem gleichen Thema beschäftigen, kommt doch was brauchbares raus.
Schwarmintelligenz ist doch was Gscheites.

Gruß
Jürgen

Arduino-ESP32: CO-Minimierung mit MQ-9 CO-Modul und MQTT Datenübertragung

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