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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Strahlungspegelanzeige
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Dosimeter Eine Besonderheit des vorgeschlagenen Indikators für den radioaktiven Strahlungspegel besteht darin, dass er von einem PIC12F683-Mikrocontroller gesteuert wird. Bei der Entwicklung des Gerätes machte sich der Autor mit vielen bestehenden Industrie- und Amateurfunkkonstruktionen zu diesem Thema vertraut. Eine Beschreibung von einem von ihnen wurde beispielsweise letztes Jahr in der Radiozeitschrift Nr. 10 veröffentlicht. Mit der Entwicklung dieses Geräts wollte der Autor seine Fähigkeiten den Bedürfnissen eines normalen Menschen näher bringen. Das den Lesern zur Kenntnis gebrachte Gerät weist folgende Eigenschaften auf: - LED (Anzahl der Blitze) zeigt den Grad der radioaktiven Strahlung direkt in microR/h an; - erzwungene Ton- und Lichtanzeige (Blitze) der aufgezeichneten Impulse der Strahlungsquelle (im Normalmodus ist sie deaktiviert, um Batterieenergie zu sparen und irritierende psychologische Auswirkungen zu lindern); - automatische Aktivierung der Ton- und Lichtanzeige der aufgezeichneten Impulse der Strahlungsquelle, wenn der Schwellenwert von 50 μR/h überschritten wird; - automatische Aktivierung eines Alarms, wenn der zweite Schwellenwert von 75 μR/h überschritten wird; - Die Werte des ersten und zweiten Schwellenwerts sowie die Parameter der verwendeten Batterie und der für den Betrieb des Geräts erforderliche spezifische Typ des Geigerzählers werden im nichtflüchtigen Speicher des Mikrocontrollers (EEPROM) gespeichert und lässt sich leicht an individuelle Anforderungen anpassen; - Der Stromverbrauch beim Betrieb unter natürlichen radioaktiven Hintergrundbedingungen beträgt weniger als 1 mA (tatsächlich gemessen - 0,86 mA), die Betriebszeit mit dem verwendeten Lithium-Ionen-Akku mit einer Kapazität von 750 mAh beträgt mehr als 35 Tage; - LED-Anzeige der verbleibenden Tage der Batterielebensdauer; - Kontrolle des Spannungszustandes des Akkumulators; - Aufladen des Akkus über Standard-USB-Anschluss; - maximale Abmessungen (hauptsächlich bestimmt durch den verwendeten Geigerzähler SBM-20) 120x30x25 mm. Somit hat das vorgeschlagene Gerät eine lange Betriebszeit (mehr als einen Monat) ohne Aufladen der Batterie, gibt einen Alarm aus, wenn ein bestimmter Wert an radioaktiver Strahlung überschritten wird, und zeigt den Strahlungspegel direkt in Mikroröntgen pro Stunde an. Ein Foto des Indikatormessgeräts ist in Abb. dargestellt. 1. Das Diagramm des Geräts ist in Abb. dargestellt. 2.
Bevor die Funktionsweise des Geräts beschrieben wird, muss berücksichtigt werden, wie der Grad der radioaktiven Strahlung anhand der Impulse eines Geigerzählers, in unserem Fall SBM-20, bestimmt wird. Nach Angaben des Herstellers [1] beträgt die Empfindlichkeit dieses Zählers gegenüber Gammastrahlung 420 ± 20 Impulse/s bei einer radioaktiven Strahlungsintensität von 4 μR/s, was 14,4 mR/h entspricht. Dementsprechend entspricht ein Strahlungspegel von 1 mR/h 420 ± 20/14,4 = 29,17 ± 1,39 Impulsen/s oder, was dasselbe ist, 1750 ± 83 Impulsen/min. Zerlegen wir 1 mR/h in Faktoren, zum Beispiel 50x20 μR/h. In diesem Fall erzeugt der Geigerzähler SBM-20 bei einem Strahlungspegel von 20 μR/h 1750 ± 83/50 = 35 ± 1,7 Impulse/ Mindest. Nachdem wir die Zeit ermittelt haben, in der der Geigerzähler 20 Impulse mit einer berechneten Rate von 35 ± 1,7 Impulsen/Minute erzeugt, erhalten wir den Zeitraum, in dem die Anzahl der Impulse des Geigerzählers dem Strahlungsniveau in Mikroröntgen pro Stunde entspricht: (60 s/35 ± 1,7 imp.) x 20 = 34,3 s (unter Berücksichtigung der Spanne – von 32,7 auf 36 s). Dieses Impulszählzeitintervall wird durch den im Mikrocontroller PIC12F683 integrierten Timer 1 gebildet. Unter Berücksichtigung der Softwareeinstellungen beträgt die Periode von Timer 1 0,524288 s, was bedeutet, dass die erforderliche Messperiode aus 34,3 s / 0,524288 s = 65 ( einschließlich Rundung) Timer-Perioden 1. In hexadezimaler Form 65 = 0x41 wird die Zahl 41 in die Nullzelle (erste) des nichtflüchtigen Speichers des Mikrocontroller-EEPROM geschrieben und kann leicht geändert werden, wenn ein anderer Typ von Geigerzähler verwendet wird wird eingesetzt. Die nächste, erste (zweite in Folge) EEPROM-Speicherzelle speichert den Hexadezimalwert der geplanten Anzahl Tage Batteriebetrieb: (750 mAh/0,9 mA)/24 h = 35 (inkl. Rundung) = 0x23. Die zweite EEPROM-Zelle ist der Wert des ersten Schwellenwerts (sie schaltet die Ton- und Lichtanzeige der Geigerzählerimpulse ein) 50 µR/h = 0x32. Die dritte Zelle des EEPROMs ist die zweite Schwelle (Alarm) 75 μR / h = 0x4V. Die vierte EEPROM-Zelle ist die Impulsdauer, um am Geigerzähler die erforderliche Spannung zu erzeugen; beim SBM-20 sollte die Betriebsspannung 400 V betragen [1]. Die Formel zur Berechnung der Impulsdauer lautet K x 3 μs + 5 μs, wobei K der Dezimalwert der vierten Zelle ist. Es macht keinen Sinn, die Dauer des „Pump“-Impulses zu berechnen, da die Spannung von den tatsächlichen Parametern des Umformkreises abhängt. Dieser Koeffizient muss experimentell durch Messung der resultierenden Spannung ausgewählt werden. Es ist wichtig zu beachten, dass die Versorgungsspannung des Geigerzählers niedrig ist (eine weitere ist nicht erforderlich, da der maximale Zählerstrom 20 μA nicht überschreitet [1]), diese Spannung über einen hohen Widerstand gemessen werden muss Teiler. Hierzu verwendete der Autor einen Teiler mit einem Gigaohm-Eingangswiderstand, die Messung erfolgte mit einem TDS-210 Oszilloskop. In die fünfte, sechste und siebte (in der Reihenfolge sechste bis achte) EEPROM-Zelle werden Koeffizienten geschrieben, die das Tagesintervall angeben. Dies ist notwendig, um die Batterielebensdauer zu berechnen. Das Produkt dieser drei Zahlen muss gleich der Anzahl der Messperioden am Tag sein. Die Dauer des Tages in Sekunden 60x60x24 = 86400 s wird in die Anzahl der Messintervalle umgerechnet (tatsächlicher Wert 65 x 0,524288 s = 34,07872 s), wir erhalten 86400 s / 34,07872 s = 2535 ganze Intervalle. Wir faktorisieren die Zahl 2535 = 13x 13x 15 bzw. schreiben in die Zellen 13 = 0x0D, 13 = 0x0D, 15 = 0x0F. Wichtiger Hinweis. Für den normalen Betrieb des im Mikrocontroller eingebetteten Programms ist es erforderlich, dass die Quelldaten die Bedingung 0 < X < 127 erfüllen, da diese Bedingung für einige im Programm verwendete Befehle erfüllt sein muss. Um Zahlen in verschiedene Zahlensysteme umzuwandeln, können Sie bequem die Website calc-x.ru/conversion_number.php verwenden. Betrachten Sie nun die Geräteschaltung. Das Gerät wird von einem Lithium-Ionen-Akku gespeist, zum Aufladen dient eine vorgefertigte Platine mit den Maßen 20x25 mm aus China, auf Wunsch können Sie es mit der Mikroschaltung TP4056 selbst herstellen. Um das Gerät mit einer stabilisierten Spannung von 3,3 V zu versorgen, wird die Mikroschaltung LP2980-3.3 verwendet. Sein wichtiges Merkmal ist der Betrieb bei niedrigem Laststrom und geringem Eigenstromverbrauch (bei einem Laststrom von 1 mA überschreitet er 170 μA nicht). Die Einheit zur Aufnahme der Versorgungsspannung des Geigerzählers entspricht vollständig der Schaltung eines ähnlichen Geräts [2]. An Pin 7 des Mikrocontrollers (GP0) wird ein kurzer Impuls erzeugt, dessen Dauer durch den Inhalt der vierten EEPROM-Zelle bestimmt wird. Dann folgt eine Pause von 250 μs und die Programmausführung kehrt zur Impulserzeugung zurück. Ursprünglich plante der Autor, einen separaten Block zur Erzeugung von Hochspannung zu verwenden (es gibt viele Schaltungen mit ähnlichen Blöcken). Dadurch würde ein Pin des Mikrocontrollers frei, aber praktische Tests zeigten, dass solche Knoten einen Strom von 1 mA oder mehr verbrauchen. Mikrostrom konnte nicht erreicht werden. Das Zählen der Geigerzählerimpulse (Pin 4) und die Reaktion auf die Messtaste SB1 (Pin 3) werden durch die Aktivierung der entsprechenden Programminterrupts im Mikrocontroller realisiert. Es sind auch Unterbrechungen über Timer 1 zulässig, die die Bildung eines Messintervalls gewährleisten. Die Licht- und Tonanzeige der aufgezeichneten Impulse des Geigerzählers erfolgt wie folgt. Für den Fall, dass keine Anzeige von Eingangsimpulsen erforderlich ist, sind an den Ausgängen GP1, GP2 (Pins 6, 5) die Anzeigeimpulse mit einer Frequenz von ca. 4 kHz in Phase, daher weder die rote LED HL2 noch der Piezo-Emitter HA1 auf sie reagieren. Wenn Sie die Zwangsanzeigetaste SB2 drücken, wird eine der Leitungen der LED und des Piezo-Emitters mit dem gemeinsamen Kabel verbunden und die Anzeige wird zwangsweise eingeschaltet. Es ist wichtig zu beachten, dass der Widerstand R9 in diesem Fall den Ausfall des GP1-Mikrocontroller-Ausgangs verhindert und daher nicht ausgeschlossen werden kann (z. B. um die Lautstärke zu erhöhen). Bei Überschreiten der ersten Schwelle der radioaktiven Strahlung sind die Anzeigeimpulse an den Ausgängen GP1, GP2 gegenphasig, die Anzeige wird automatisch eingeschaltet. Im nächsten Messzyklus bleibt die Anzeige eingeschaltet, und zwar so lange, bis der gemessene Füllstand unter den ersten Schwellenwert fällt. Bei Überschreitung des zweiten Schwellenwerts wird ein Alarmsignal angezeigt, bei dem es sich um ein dreimaliges Blinken der HL2-LED für 0,25 s handelt, begleitet von einem Tonsignal mit zwei Frequenzen (ca. 4 kHz). Danach wird die Strahlungspegelmessung fortgesetzt. Ein kurzer (nicht länger als 0,25 s) Druck auf die SB1-Taste startet den Anzeigemodus des gemessenen Niveaus der radioaktiven Strahlung in Mikroröntgen pro Stunde mit Blinken der HL1-LED (blau in der Version des Autors). Zuerst werden Zehner mit zweiten Lichtimpulsen angezeigt, und dann werden Einheiten des resultierenden Messwerts mit Viertelsekundenimpulsen angezeigt. Um Verwechslungen bei Nulleinheiten (z. B. 10 oder 20 µR/h) zu vermeiden, werden die Werte der Nulleinheiten durch einen kurzen Impuls angezeigt. Wenn Sie die SB1-Taste länger als eine Viertelsekunde drücken, wechselt das Gerät in den Anzeigemodus der verbleibenden prognostizierten Batterielebensdauer in Tagen. Zunächst blinkt die HL2-LED (rot) kurz und signalisiert damit den Übergang in den Batteriekontrollanzeigemodus; nach einer Pause zeigt dieselbe LED den Batteriestatus an. Nach Ablauf der voraussichtlichen Batterielebensdauer wird in diesem Modus die Anzahl der „recycelten“ Tage angezeigt; das Recycling wird durch ein kurzes Blinken der blauen LED HL1 signalisiert. Zehner und Einer werden ähnlich wie im vorherigen Anzeigemodus angezeigt. Mit der Taste SB3 können Sie den aktuellen Zustand der Batterie kontrollieren. Hierzu werden die Widerstände R13, R14 so gewählt, dass bei der Nennbetriebsspannung (3,3 V) die grüne LED HL3 aufleuchtet, bei einer Spannung von etwa 3 V (entladener Batteriestand) jedoch nicht. Der Transistor VT1 bringt die Amplitude der Geigerzählerimpulse auf den für den Betrieb des Mikrocontrollers erforderlichen Pegel. Der Transistor VT3, die Induktivität L2 und ein Diodenvervielfacher an den Dioden VD1, VD2, VD5-VD9 und den Kondensatoren C2-C4, C6, C7, C9, C10 sorgen für die notwendige Versorgungsspannung für den Geigerzähler. Die Verwendung des Transistors VT2 ist auf die Notwendigkeit zurückzuführen, den Mikrocontroller zunächst zu initialisieren. Der Mikrocontroller PIC12F683 verfügt über sechs Optionen für die Erstinstallation, aber entweder ist der Autor auf eine solche Instanz gestoßen, oder es liegt ein Fehler im Programm vor, aber beim Initialisieren des Interrupt-Modus „weigerte“ sich der Mikrocontroller, beim Einschalten ohne „Reset“ zu arbeiten An. Da es die Größe der Platine zuließ, wurde beschlossen, den VT2-Transistor zu belassen. Das Gerät wird auf einer Universalplatine von 100x15 mm mit Aussparung für die Batterie montiert (Abb. 3), die notwendigen Verbindungen werden mit einem Montagedraht hergestellt.
Der Hochspannungsanschluss des Geigerzählers befindet sich im Inneren des Gehäuses, der Niederspannungsanschluss ist von außen mit einer Zierkappe verschlossen (Abb. 4). Die USB-Batterieladeplatine und der Piezo-Emitter befinden sich unter der Hauptplatine. Um den Ladezustand des Akkus anhand der Ladeplatinenanzeigen zu überwachen, werden im Boden des Gehäuses zwei Löcher mit einem Durchmesser von 1 mm gebohrt. Der Mikrocontroller wird über ein Standardpanel auf der Platine installiert und kann so bei Bedarf umprogrammiert werden. Der Geigerzähler wird in in die Platine eingelöteten Sicherungshalterungen eingebaut; falls diese nicht vorhanden sind, können Halterungen aus harten Kupferdrähten hergestellt werden. Das Löten der Messgeräteleitungen kann zu Schäden führen. Eine Ansicht des Geräts mit abgenommener Abdeckung ist in Abb. dargestellt. 5.
An die verwendeten Teile werden keine besonderen Anforderungen gestellt, außer dass der Transistor VT3 Hochspannung haben muss (für KSP42 beträgt die maximal zulässige Kollektor-Emitter-Spannung 300 V), die Nennspannung des Kondensators C1 muss mindestens 40 V betragen (mit a Geigerzähler-Versorgungsspannung von 400 V) . Es ist zu beachten, dass das SBM-20-Messgerät trotz der Symmetrie des Gehäuses eine Polarität aufweist und entsprechend installiert werden muss. Abschließend möchte ich Sie auf Folgendes aufmerksam machen. Trotz der vollen Funktionsleistung des vorgeschlagenen Geräts (der Test wurde mit einer radioaktiven Strahlungsquelle eines Industriegeräts DP-5A durchgeführt) kann es verbessert werden, und zwar: - Transistor VT2 mit zusätzlichen Elementen ausschließen; - Eliminieren Sie den Transistor VT1 durch zusätzliche Elemente und ersetzen Sie ihn durch einen herkömmlichen Widerstandsteiler mit Diodenschutz für die Eingangsspannung des Mikrocontrollers, indem Sie die Polarität der Eingangsimpulse in der Software ändern. - Wenn Sie nicht vorhaben, das Gerät rund um die Uhr zu betreiben, programmieren Sie die automatische Aufzeichnung der aktuellen Batteriebetriebszeit in den nichtflüchtigen Speicher des Mikrocontrollers, damit beim nächsten Einschalten die korrekten Daten angezeigt werden. In diesem Fall ist es außerdem erforderlich, einen zusätzlichen Modus für die SB1-Taste zu programmieren, um die Erstinstallation nach dem Laden des Akkus durchzuführen; auch eine automatische Initialisierung basierend auf Signalen der Ladeplatine ist möglich. In der vorgeschlagenen Variante führt jedes Einschalten dazu, dass der Batteriebetriebszähler auf Null zurückgesetzt wird; - Spannung für den Geigerzähler über ein separates Micropower-Gerät erzeugen, dabei wird ein Pin des Microcontrollers freigegeben, der beispielsweise für einen eingebauten Analogkomparator genutzt werden kann. Dadurch können Sie die Batteriespannung genauer steuern. Noch wichtiger ist jedoch, dass der Mikrocontroller in diesem Fall mit einer Unterbrechung durch Geigerzählerimpulse und einem Timer in den „Schlafmodus“ versetzt werden kann. Der vom Mikrocontroller in diesem Modus verbrauchte Strom überschreitet 100 μA nicht; - Verwendung eines kleineren Geigerzählers, zum Beispiel SBM-21, um einen auf diesem Gerät basierenden Schlüsselanhänger zu erstellen, der die Strahlensicherheit ein Jahr oder länger ohne Aufladen überwacht; - Implementieren Sie mithilfe eines Mikrocontrollers mit einer großen Anzahl von Pins die Ausgabe des Niveaus der radioaktiven Strahlung an einen digitalen Anzeiger, aber dann handelt es sich um ein anderes Gerät. Das Programm und die Firmware des Mikrocontrollers können von ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/05/ind_rad.zip heruntergeladen werden. Literatur
Autor: S. Makaretz
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