Schema et montage electronique d'un detecteur de gaz

Les vols nocturnes d’appartement sont en perpétuelle augmentation. Les voleurs utilisent des gaz anesthésiants afin de neutraliser les habitants pendant leur sommeil. Pour se défendre contre cette méthode, il existe un système d’alarme à installer dans les chambres à coucher capable de détecter la présence de tels gaz et d’activer une petite sirène.



La tendance toujours plus affirmée de ces dernières années est de commettre des cambriolages dans les habitations après avoir “anesthésié” les occupants pendant leur sommeil.
En les rendant ainsi inoffensifs, les cambrioleurs peuvent réussir leurs “coups” avec une incroyable simplicité.
Les voleurs choisissent cette pratique car c’est une méthode simple et efficace. En effet, même si une maison est équipée d’un système antivol, nombre d’occupants ne l’utilisent pas lorsqu’ils sont chez eux. En outre, lorsque les occupants sont au lit, une partie immédiatement accessible de leurs richesses est à portée de main.
Voilà pourquoi les délinquants de peu d’envergure, ceux qui n’ont pas l’expérience ou les moyens pour pouvoir s’emparer de biens encombrants ou pour forcer un éventuel coffrefor t, trouvent plus facile de s’introduire de nuit dans une maison. Lorsque tout le monde dort, ils vaporisent un gaz anesthésiant dans la chambre à coucher, attendent quelques instants que le produit fasse son effet, puis passent à l’action.
La méthode et les “outils” sont simples.
En effet, il n’y a aucune difficulté à se procurer la matière première, c’est-à-dire le gaz anesthésiant.
Le plus utilisé est l’éther, plus exactement l’éther de méthyle ou éther méthylique : on le trouve très facilement dans le commerce sous forme de bombonne, normalement utilisées pour le démarrage rapide des moteurs.
Un autre “avantage” de cette pratique est de pouvoir réaliser des “coups” sans aucun risque. En effet, même s’ils sont arrêtés, les voleurs ne prendront, au maximum, qu’une condamnation pour vol avec effraction. Ils ne risquent donc pas la condamnation pour vol à main armée, chef d’accusation fréquent lorsque le vol est commis avec la menace d’une arme à feu ou une tout autre arme pointée contre les victimes.
Contre ce fléau, les bons conseils et la prudence ne suffisent pas. La seule solution est de s’équiper d’une alarme sensible aux gaz anesthésiants utilisés par les voleurs. Un dispositif qui puisse se déclencher et actionner une sirène lorsqu’il est activé par la présence d’un tel gaz. C’est ce genre de produit que nous vous proposons aujourd’hui dans cet article, en vous donnant les informations nécessaires à une utilisation optimale afin d’en obtenir une protection et une sécurité maximales.
Il s’agit d’un détecteur de gaz combustibles, capable d’activer une petite sirène incorporée ainsi qu’un relais lorsque son capteur détecte une quantité de gaz anesthésiant dans l’air ambiant, aussi minime soit-elle.


Figure 1 : Le détecteur de gaz FIGARO TGS2610. Sur la figure 1a, on peut voir la photo du détecteur, sur la figure 1b, le brochage et sur la figure 1c, le rapport de la résistance du détecteur en fonction de la saturation de l’atmosphère en gaz (ppm).

Caractéristiques

- Détection de la présence de n’importe quel type de gaz anesthésiant.

- Algorithme de détection de gaz de très grande fiabilité.

- Fonctionnement même en cas de panne secteur grâce à une pile de secours.

- Alerte donnée par une sirène piézo-électrique.

- Renvoi d’alarme sur un relais 10 A.- Mémorisation de l’état d’alerte.

- Mesure du niveau de charge de la pile.

- Surveillance continue de l’état de fonctionnement du capteur.

- LED (DL1) multifonction : 

• allumée = dispositif en action 

• éteinte = capteur en panne, pile déchargée ou absence de courant 

• clignotante = alerte en cours ou ayant eu lieu

Figure 2 : Comment souder, côté pistes, le détecteur de gaz.
Attention au sens de son ergot.

Son fonctionnement
Avant de passer à la description du circuit électronique, nous voulons tout d’abord faire une brève et utile introduction, nécessaire à la compréhension non seulement de certains choix de fabrication, mais également la réalité et les mécanismes qui engendrent l’action des malfaiteurs.
D’après les faits divers relatés et les on-dit rapportés par les professionnels du secteur (médecins, forces de l’ordre, etc.), nous savons que les voleurs interviennent en vaporisant dans l’air un aérosol contenant un gaz anesthésiant : ils introduisent, par une fenêtre entrouverte ou en soulevant légèrement un volet, un tube de caoutchouc relié à un vaporisateur, qui débite le gaz dans l’air jusqu’à saturer la pièce, comme s’il s’agissait d’un énorme masque pour anesthésie.

Mais de quel gaz s’agit-il ?
Comme nous y avons déjà vaguement fait allusion, et toujours de sources sûres, le plus utilisé serait l’éther : ce composé se trouve très facilement dans le commerce sous forme de bombes pour le démarrage rapide des moteurs, tant à explosion que diesel (essayer pour le croire !). C’est donc un gaz inflammable qui, s’il facilite l’allumage des moteurs, a sur l’homme (s’il est inhalé directement et en quantité suffisante) un effet anesthésiant.
Il provoque, en somme, la perte des sens. Même les petits voleurs les plus inexpérimentés peuvent aller dans un supermarché ou un centre auto, acheter une bombe de “démarrage rapide” et se retrouver ainsi avec une arme puissante entre les mains, rarement dangereuse, mais idéale pour effectuer des vols sans trop d’effort et sans trop risquer sur le plan pénal…
Mais il y a aussi ceux qui se procurent de véritables vaporisateurs à usage professionnel, en les achetant ou en les volant dans les hôpitaux.
Bref, pour pouvoir donner l’alarme lorsque de l’éther ou un autre gaz anesthésiant (éther méthylique, protoxyde d’azote, etc.), il faut disposer d’un capteur adapté.
Celui que nous utiliserons est un composant fabriqué par FIGARO (non, ce n’est pas un gag !).
C’est un détecteur d’oxydoréduction efficace, capable de percevoir la présence de gaz inflammables, même en quantité modeste (voir figure 1).
Si vous êtes friands de notes techniques, vous pouvez consulter l’adresse www.figarosensor.com.
Ce capteur est composé d’une membrane en aluminium recouverte de bioxyde métallique et semi-conducteur.
Cette membrane, réchauffée par l’intermédiaire d’un filament, atteint la température idéale pour une sensibilité maximale aux gaz à détecter.
Le composant a donc quatre broches, deux pour la membrane de bioxyde et deux pour le filament. Pour pouvoir l’utiliser, il faut de préférence alimenter le réchauffeur à l’aide d’une tension constante.
En plaçant en série une résistance sur la couche de bioxyde, on peut facilement capter les variations de concentration des gaz combustibles, sous forme de changements de la différence de potentiel sur ses extrémités.
En présence de gaz combustibles (dont l’éther de méthyle fait, entre autres, partie), la membrane sensible fait varier sa propre conductibilité, en la réduisant en fonction de la concentration de la substance gazeuse à laquelle elle est exposée. Pour être parfaitement exact, plus la quantité d’éther est importante, moins il y a de résistance.
Dans le circuit que nous avons réalisé, comme le montre le schéma de la figure 3, l’élément sensible est relié en série à deux résistances, dont l’une est variable (il s’agit du trimmer R10), servant à détecter les variations de la tension aux extrémités. C’est U1 qui est chargé de la détection. C’est un circuit spécialisé dont la référence est MF366. Il est programmé en usine de façon à lire la différence de potentiel du capteur selon une méthode particulière ignorant la dérive thermique naturelle.

Le schéma électrique
A ce sujet, il faut ouvrir une parenthèse nécessaire à mieux comprendre les problématiques du montage. Le capteur travaille à une température pour laquelle le fabricant donne une sensibilité à un type de gaz spécifique. Toutefois, en raison de toute une série de facteurs (dérive thermique du semi-conducteur, variations climatiques de l’environnement, etc.), la couche sensible peut voir sa résistance varier, même si la quantité de gaz dans l’air reste constante.
En l’absence de compensation thermique, un éventuel circuit élémentaire serait amené à mal évaluer les variations de tension, même minimes, déterminées non pas par les variationsde la concentration du gaz, mais par celles provoquées par les effets de la chaleur.
Pour ne pas se laisser prendre, U1 profite d’une routine de calcul spécifique, qui teste de façon dynamique la couche du capteur en tenant également compte de l’unité de temps durant laquelle les mesures sont effectuées.
Il s’agit d’une routine qui analyse périodiquement la tension donnée par le capteur en faisant 10 mesures dont la moyenne sera ensuite comparée avec celle des 10 lectures précédentes qui ont été conservées en mémoire.
A partir de cette valeur moyenne, U1 calcule une gamme de tolérance qui, reportée à la variation dans le temps, permet de comprendre si telle différence enregistrée est causée par la tolérance du capteur, par une variation de température ambiante, par la rupture du capteur ou par la présence de gaz. La routine a été calibrée pour intervenir avec des concentrations de gaz (ppm) particulièrement faibles, c’est-à-dire avant qu’il ne puisse avoir un quelconque effet sur l’organisme l’inhalant.
Le circuit spécialisé U1 gère à lui seul les différentes fonctions.
C’est donc lui qui lit la tension qui se trouve sur le capteur, qui active la mini-sirène, qui gère les signaux optiques donnés par l’intermédiaire d’une LED (LD1) et, enfin, qui active le relais RL1. C’est le coeur du système.
L’alimentation, une tension continue de 12 volts (il faut 150 milliampères en plus de la consommation de la sirène utilisée), doit être appliquée entre les pôles + et – VAL (Volts ALimentation).
Elle pourra être fournie par un bloc secteur comme on en trouve chez tous les annonceurs de la revue (voir figure 7).
La diode D1 assure une protection contre l’inversion de polarité. Le condensateur électrolytique, quant à lui, filtre chaque perturbation.
Le régulateur intégré U2, un classique 7805, sert à fournir les 5 volts stabilisés nécessaires au microcontrôleur, au relais, ainsi qu’au filament réchauffeur du capteur.
La sirène, elle, est alimentée par la tension d’entrée VAL.
Nous avons également prévu une pile qui peut prendre le relais en cas de panne de courant. Il s’agit d’une pile alcaline de 9 volts ordinaire, reliée aux pôles + et – de BATT, et pouvant débiter son propre courant à travers la diode D2. Evidemment, la sirène que nous utilisons est donc capable de fonctionner également à 9 volts.
Le potentiel de référence porté à la broche 5 (GP2) de U1 par la diode zener DZ1 sert à ce que le circuit spécialisé sache que le système est alimenté par le courant secteur. En présence du courant secteur, la ligne GP2 est polarisée par la tension de zener.
Le circuit réalisé autour du transistor T1, un BC557, est rattaché à la broche GP3 de U1 ce qui lui permet de savoir si la pile est chargée ou déchargée.
En cas d’absence de courant ou si la pile est déchargée, la LED LD1 s’éteint, ce qui indique une anomalie.
De la même manière, LD1 s’éteint lorsque le capteur tombe en panne.
Tout ceci pour dire que lorsque la LED LD1 est éteinte, il faut vérifier le circuit car cela signifie que quelque chose ne va pas (problème d’alimentation, prise secteur débranchée, capteur de gaz endommagé, etc.).
La pile de 9 volts doit être alcaline. On peut également utiliser une pile de 9 volts rechargeable en insérant la résistance R8. Dans ce cas, la pile servira de tampon à la tension d’alimentation mais le circuit de contrôle de l’état de charge placé sur T1 ne pourra plus fonctionner.
Le relais RL1 peut être utilisé pour activer des sonneries supplémentaires ou pour exciter l’entrée d’une seconde sirène de l’alarme, par exemple, celle de l’antivol de la maison. C’est la raison pour laquelle nous avons prévu un relais de 10 A à 1 repos/travail, dont tous les contacts sont disponibles.
En procédant ainsi, nous pouvons piloter des entrées et des dispositifs de différente nature qui, en position de repos, peuvent être activés ou éteints.
Après chaque alerte donnée, la LED LD1 se met à clignoter et reste dans cet état pour indiquer, même après que le circuit ait retrouvé son état initial, qu’une alerte a eu lieu.
Pour interrompre cette signalisation, c’est-à-dire pour interrompre le clignotement de la LED, il faut obligatoirement débrancher le courant (la pile ne doit pas être retirée) pour faire en sorte que U1 trouve un niveau logique zéro sur sa broche 5 (ligne GP2) et réinitialise la diode, qui s’allume à nouveau de façon fixe et reste allumée.
Voyons à présent comment réaliser le montage et comment le mettre au point.

Figure 3 : Schéma électrique du détecteur de gaz anesthésiant.

Figure 4 : Schéma d’implantation des composants du détecteur de gaz anesthésiant. Attention, le détecteur est vu par transparence, donc monté côté pistes.

Figure 5 : Photo d’un des prototypes du détecteur de gaz anesthésiant. Attention, la photo a subi une rotation de 180° par rapport à l’implantation ! Le détecteur (du moins ses pattes !) se retrouve en bas à droite.

Figure 6 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du détecteur de gaz anesthésiant.

Liste des composants
R1 = 100 kΩ
R2 = 150 kΩ
R3 = 330 kΩ
R4 = 100 kΩ
R5 = 1 kΩ
R6 = 47 kΩ
R7 = 4,7 kΩ
R8 = voir texte
R9 = 6,8 kΩ
R10 = 22 kΩ trimmer horiz.
R11 = 4,7 kΩ
R12 = 47 kΩ
R13 = 470 Ω
C1 = 100 μF 25 V électrolytique
C2 = 100 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
D1-D4 = Diodes 1N4007
DZ1 = Diode zener 5,1 V
U1 = Intégré spécialisé MF366
U2 = Régulateur 7805
T1 = Transistor PNP BC557
T2-T3 = Transistors NPN BC547
LD1 = LED verte 5 mm
RL1 = Relais 5 V 1 RT pour ci
SIRÈNE= Sirène 12 V 105 dB
SEN = Détecteur de gaz FIGARO TGS2610

Divers :
3 Borniers 2 pôles
1 Bornier 3 pôles
1 Support 2 x 4 broches
1 Contact pression pr pile 9V
1 Boîtier TEKO mod. 10002
3 Entretoises plastique adhésives 6 mm
1 Circuit imprimé réf. S366

La réalisation pratique…
Il faut tout d’abord se procurer ou réaliser le circuit imprimé donné en figure 6, à l’échelle 1.
Ceci fait, en vous référant au schéma d’implantation des composants de la figure 4, vous pouvez y insérer les résistances, les trimmers, les diodes au silicium et le support de U1, ainsi que les condensateurs, en faisant bien attention à la polarité des électrolytiques.
Rappelez-vous que les diodes aussi ont une polarité précise et que la bague peinte sur leur corps indique la cathode.
Insérez ensuite les transistors, en suivant les indications fournies sur l’illustration, puis le régulateur intégré 7805, en dirigeant sa partie métallique vers le condensateur C1.
En ce qui concerne le capteur de gaz, vous devez l’insérer du côté des soudures comme le montre la photo de la figure 2, en soudant soigneusement les 4 broches directement sur les pistes.
L’opération est simple, mais il est très important que le composant soit maintenu avec son repère-détrompeur tourné comme sur le schéma d’implantation où il est vu par transparence.
La sirène doit être une sirène de type miniaturisé, fonctionnant à l’aide d’une tension de 9 à 12 volts et ne consommant pas plus de 400 milliampères.
Notre prototype absorbe à peine 200 mA et permet d’enregistrer une pression sonore de 105 dB à 1 mètre de distance.
Une fois le circuit terminé et après avoir vérifié qu’il a été monté correctement, vous pouvez le monter dans un boîtier plastique comme on peut le voir sur la figure 7.

Figure 7 : Le circuit détecteur de gaz monté dans un boîtier plastique. Le fond à été percé pour laisser passer le capteur. La place est largement suffisante pour y loger une pile alcaline de 9 volts.

…et les réglages
Il est nécessaire de procéder à un calibrage de notre détecteur de gaz anesthésiant en réglant le trimmer (R10) trois minutes au moins, après la mise sous tension.
Ce délai sert à stabiliser le fonctionnement du capteur de gaz, dont le comportement peut être considéré valable seulement après deux ou trois minutes de réchauffement.
Ce n’est pas un hasard si le circuit spécialisé U1 ne commence à tenir compte des lectures du capteur que 5 minutes après la mise sous tension (par le power-on-reset).
Donc, une fois ces trois minutes écoulées, si le dispositif est installé dans un endroit à température ambiante comprise entre 20 et 25 degrés et si aucune perturbation extérieure ne se présente (fumée de cigarette, etc.), réglez R10 jusqu’à placer le potentiel de la broche 7 du microcontrôleur à environ 2,5 volts.
Après cela, le circuit est prêt à l’utilisation.
Le calibrage s’effectue dans des conditions tout à fait “rassurantes”. Nous rappelons, en effet, que le programme de gestion porté par U1 rend le capteur insensible aux variations normalement possibles à l’intérieur d’une habitation et aux différentes tolérances de fabrication.
Il est tout de même recommandé que pendant cette phase, l’air soit le plus pur possible. Si vous êtes fumeur, aérez la pièce avant le calibrage et laissez-la reprendre sa température de 20/25 °C.