Измеритель-индикатор уровня радиации

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Дозиметры

 Комментарии к статье

Отличительная особенность предлагаемого индикатора уровня радиоактивного излучения - управление осуществляет микроконтроллер PIC12F683.

При разработке устройства автор ознакомился со множеством уже существующих промышленных и радиолюбительских конструкций по этой тематике. Например, описание одной из них было опубликовано в журнале "Радио" № 10 за прошлый год.

Создавая это устройство, автор намеревался приблизить его возможности к потребностям обычного человека. Предлагаемый вниманию читателей прибор имеет следующие характеристики:

- светодиодная (числом вспышек) индикация уровня радиоактивного излучения непосредственно в мкР/ч;

- принудительная звуковая и световая (вспышками) индикация регистрируемых импульсов источника излучения (в обычном режиме отключена с целью экономии энергии аккумулятора и снятия раздражающего психологического воздействия);

- автоматическое включение звуковой и световой индикации регистрируемых импульсов источника излучения при превышении порога 50 мкР/ч;

- автоматическое включение сигнала тревоги при превышении второго порога 75 мкР/ч;

- значения первого и второго порогов, а также необходимые для работы устройства параметры используемого аккумулятора и конкретного типа счетчика Гейгера хранятся в энергонезависимой памяти микроконтроллера (EEPROM) и могут быть легко изменены в соответствии с индивидуальными требованиями;

- потребляемый ток при работе в условиях естественного радиоактивного фона - менее 1 мА (фактически измеренный - 0,86 мА), время работы с используемым литий-ионным аккумулятором емкостью 750 мА·ч - более 35 суток;

- светодиодная индикация оставшихся дней работы аккумулятора;

- контроль состояния напряжения аккумулятора;

- зарядка аккумулятора через стандартное подключение по USB;

- максимальные размеры (определяются в первую очередь используемым счетчиком Гейгера СБМ-20) 120x30x25 мм.

Таким образом, предлагаемый прибор имеет длительную (более месяца) продолжительность работы без подзарядки аккумулятора, подает сигнал тревоги в случае превышения заданного уровня радиоактивного излучения и индицируетуровень радиации непосредственно в микрорентгенах в час. Фотография измерителя-индикатора показана на рис. 1. Схема прибора приведена на рис. 2.

Рис. 1. Измеритель-индикатор уровня радиации

Рис. 2. Схема прибора измерителя-индикатора уровня радиации

Прежде чем описывать работу устройства, необходимо рассмотреть, как определяется уровень радиоактивного излучения по импульсам счетчика Гейгера, в нашем случае СБМ-20.

Согласно данным производителя [1], чувствительность этого счетчика к гамма-излучению равна 420±20 имп./с при интенсивности радиоактивного излучения 4 мкР/с, что соответствует 14,4 мР/ч. Соответственно уровню излучения 1 мР/ч будет соответствовать 420±20/14,4 = 29,17±1,39 имп./с или, что то же самое, 1750±83 имп./мин.

Разложим 1 мР/ч на множители, например, 50x20 мкР/ч, в таком случае при уровне излучения 20 мкР/ч счетчик Гейгера СБМ-20 будет выдавать 1750±83/50 = 35±1,7 имп./мин.

Найдя время, за которое счетчик Гейгера выдаст 20 импульсов при вычисленном темпе 35±1,7 имп./мин, получаем временной отрезок, в течение которого число импульсов счетчика Гейгера соответствует уровню радиации в микрорентгенах в час: (60 с/35±1,7 имп.) x 20 = 34,3 с (с учетом разброса - от 32,7 до 36 с).

Этот временной интервал подсчета импульсов формируется встроенным в микроконтроллер PIC12F683 таймером 1. С учетом программных установок период таймера 1 равен 0,524288 с, а значит, необходимый период измерения состоит из 34,3 с/0,524288 с = 65 (с учетом округления) периодов таймера 1. В шестнадцатеричном виде 65 = 0x41 число 41 записывают в нулевую (первую по счету) ячейку энергонезависимой памяти микроконтроллера EEPROM, и его можно легко изменить в случае использования счетчика Гейгера другого типа.

В следующей, первой (второй по счету) ячейке памяти EEPROM хранится шестнадцатеричное значение планируемого числа суток работоспособности аккумулятора: (750 мА·ч/0,9 мА)/24 ч = 35 (с учетом округления) = 0x23.

Вторая ячейка EEPROM - значение первого порога (по нему включается звуковая и световая индикация импульсов счетчика Гейгера) 50 мкР/ч = 0x32.

Третья ячейка EEPROM - второй порог (сигнал тревоги) 75 мкР/ч = 0x4В.

Четвертая ячейка EEPROM - длительность импульса для формирования необходимого напряжения на счетчике Гейгера, для СБМ-20 рабочее напряжение должно быть 400 В [1]. Формула вычисления длительности импульса К х 3 мкс + 5 мкс, где К - десятичное значение четвертой ячейки. Высчитывать длительность импульса "накачки" нет смысла, поскольку напряжение будет зависеть от реальных параметров формирующей цепи. Этот коэффициент необходимо подобрать экспериментально, измеряя полученное напряжение.

Важно отметить, что поскольку источник напряжения питания счетчика Гейгера маломощный (другой и не нужен, так как максимальный ток счетчика не превышает 20 мкА [1]), то измерять это напряжение необходимо через высокоомный делитель. Автор для этой цели использовал делитель с гигаомным входным сопротивлением, измерение производил осциллографом TDS-210.

В пятой, шестой и седьмой (шестой-восьмой по порядку соответственно) ячейках EEPROM записываются коэффициенты, обеспечивающие суточный интервал. Это необходимо для подсчета продолжительности работы аккумулятора. Произведение этих трех чисел должно быть равно числу периодов измерения в течение суток.

Длительность суток в секундах 60х60х24 = 86400 с переводим в число интервалов измерения (фактическое значение 65 х 0,524288 с = 34,07872 с), получаем 86400 с / 34,07872 с = 2535 целых интервалов.

Раскладываем на множители число 2535 =13х 13х 15, соответственно в ячейки записываем 13 = 0х0D, 13 = 0x0D, 15 = 0x0F.

Важное замечание. Для нормальной работы программы, заложенной в микроконтроллер, необходимо, чтобы исходные данные удовлетворяли условию 0 < X < 127, поскольку это условие должно выполняться для некоторых используемых в программе команд.

Удобно пользоваться сайтом calc-x.ru/conversion_number.php для перевода чисел в различные системы счисления.

Теперь рассмотрим схему прибора.

Питание прибора осуществляется от литий-ионного аккумулятора, для его зарядки используется готовая плата размерами 20х25 мм китайского производства, при желании ее можно изготовить самостоятельно, используя микросхему TP4056.

Для питания устройства стабилизированным напряжением 3,3 В применена микросхема LP2980-3.3. Важная ее особенность - работа при малом токе нагрузки и малый собственный потребляемый ток (при токе нагрузки 1 мА он не превышает 170 мкА).

Узел получения напряжения питания счетчика Гейгера полностью соответствует схеме из аналогичного прибора [2]. На выводе 7 микроконтроллера (GP0) формируется короткий импульс длительностью, определяемой содержимым четвертой ячейки EEPROM. Затем следует пауза 250 мкс, и выполнение программы вновь возвращается на формирование импульса.

Первоначально автор планировал использовать для формирования высокого напряжения отдельный блок (схем подобных блоков множество), это позволило бы высвободить один вывод микроконтроллера, но практические испытания показали, что подобные узлы потребляют ток 1 мА и более, микротока достичь не удалось.

Подсчет импульсов счетчика Гейгера (вывод 4) и реакция на кнопку измерения SB1 (вывод 3) реализованы разрешением соответствующих прерываний программы в микроконтроллере. Разрешены также прерывания по таймеру 1, обеспечивающему формирование интервала измерения.

Световая и звуковая индикация регистрируемых импульсов счетчика Гейгера осуществляется так. В том случае, когда нет необходимости индицировать входные импульсы, на выходах GP1, GP2 (выводы 6, 5) импульсы индикации частотой около 4 кГц синфазны, поэтому ни светодиод HL2 красного цвета свечения, ни пьезоизлучатель HA1 на них не реагируют. При нажатии на кнопку принудительной индикации SB2 один из выводов светодиода и пьезоизлучателя соединяется с общим проводом и индикация принудительно включается.

Важно отметить, что резистор R9 в этом случае предотвращает выход из строя выхода GP1 микроконтроллера, поэтому исключать его (например, для повышения громкости звучания) нельзя.

При превышении первого порога уровня радиоактивного излучения импульсы индикации на выходах GP1, GP2 противофазны, индикация автоматически включена. В следующем цикле измерения индикация останется включенной, и так продолжается до тех пор, пока измеренный уровень не станет ниже первого порога.

В случае превышения второго порога индицируется сигнал тревоги, представляющий собой трехкратную вспышку светодиода HL2 длительностью по 0,25 с, сопровождаемую двухчастотным (около 4 кГц) звуковым сигналом. После этого измерение уровня излучения возобновляется.

Кратковременное (не более 0,25 с) нажатие на кнопку SB1 инициирует режим индикации измеренного уровня радиоактивного излучения в микрорентгенах в час вспышками светодиода HL1 (в авторском варианте синего цвета). Вначале секундными световыми импульсами выводятся десятки, а затем четвертьсекундными импульсами - единицы полученного измерения. Для того чтобы в случае нулевых единиц (например, 10 или 20 мкР/ч) не возникало путаницы, нулевые значения единиц индицируются одним коротким импульсом.

При нажатии на кнопку SB1 более чем на четверть секунды прибор переходит в режим индикации оставшихся прогнозируемых суток работы аккумулятора. Вначале кратковременно вспыхивает светодиод HL2 (красного цвета), сигнализируя о переходе в режим индикации контроля аккумулятора, после паузы этот же светодиод показывает состояние аккумулятора. После того как прогнозируемое время работы аккумулятора закончится, в этом режиме будет индицироваться число "переработанных" суток, о переработке будет сигнализировать кратковременная вспышка синего светодиода HL1.

Десятки и единицы выводятся аналогично предыдущему режиму индикации.

Кнопка SB3 позволяет контролировать текущее состояние аккумулятора. Для этого резисторы R13, R14 подобраны так, чтобы при номинальном рабочем напряжении (3,3 В) зеленый светодиод HL3 светился, а при напряжении около 3 В (уровень разряженного аккумулятора) - нет.

Транзистор VT1 приводит амплитуду импульсов счетчика Гейгера к уровню, необходимому для работы микроконтроллера. Транзистор VT3, катушка индуктивности L2 и диодный умножитель на диодах VD1, VD2, VD5-VD9 и конденсаторах С2-С4, С6, С7, С9, С10 обеспечивают необходимое напряжение питания счетчика Гейгера.

Применение транзистора VT2 вызвано необходимостью первоначальной инициализации микроконтроллера. Микроконтроллер PIC12F683 имеет шесть вариантов начальной установки, однако то ли автору попался такой экземпляр, то ли допущена ошибка в программе, но при инициализации режима прерываний микроконтроллер "отказался" работать без "сброса" при включении. Поскольку размеры платы позволяли, транзистор VT2 решено было оставить.

Устройство собрано на универсальной плате размерами 100х15 мм с вырезом для аккумулятора (рис. 3), необходимые соединения выполнены монтажным проводом.

Рис. 3. Устройство на универсальной плате размерами 100х15 мм

Высоковольтный вывод счетчика Гейгера находится внутри корпуса, низковольтный закрыт снаружи декоративным колпаком (рис. 4). Плата зарядки аккумулятора от USB и пьезоизлучатель расположены под основной платой. Для контроля зарядки аккумулятора по индикаторам платы зарядки снизу в корпусе просверлены два отверстия диаметром 1 мм. Микроконтроллер установлен на плате через стандартную панель, что позволяет его перепрограммировать в случае необходимости. Счетчик Гейгера установлен в креплениях для предохранителей, впаянных в плату, в случае отсутствия таковых можно изготовить крепления из жестких медных проводов. Пайка выводов счетчика может вывести его из строя. Вид устройства со снятой крышкой показан на рис. 5.

Рис. 4. Низковольтный вывод счетчика Гейгера, закрытый снаружи декоративным колпаком

Рис. 5. Вид устройства со снятой крышкой

Особых требований к примененным деталям нет, за исключением того, что транзистор VT3 должен быть высоковольтным (у KSP42 максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер равно 300 В), номинальное напряжение конденсатора С1 должно быть не ниже 40 В (при напряжении питания счетчика Гейгера 400 В).

Следует отметить, что несмотря на симметричность корпуса счетчика СБМ-20 он имеет полярность и его необходимо устанавливать в соответствии с ней.

В заключение хотелось бы обратить внимание на следующее. Несмотря на полную функциональную работоспособность предлагаемого устройства (проверка производилась с использованием источника радиоактивного излучения промышленного прибора ДП-5А) его можно улучшить, а именно:

- исключить транзистор VT2 с дополнительными элементами;

- исключить транзистор VT1 с дополнительными элементами, заменив его обычным резистивным делителем с диодной защитой входа микроконтроллера по напряжению, изменив программно полярность входных импульсов;

- в случае, если не планируется круглосуточная работа устройства, запрограммировать автоматическую запись текущего времени работы аккумулятора в энергонезависимую память микроконтроллера, чтобы при очередном включении индицировались правильные данные. В этом случае необходимо также запрограммировать дополнительный режим для кнопки SB1, чтобы осуществлять начальную установку после зарядки аккумулятора, возможна и автоматическая начальная инициализация по сигналам с платы зарядки. В предложенном варианте каждое включение приводит к обнулению счетчика работы аккумулятора;

- сформировать напряжение для счетчика Гейгера с помощью отдельного микромощного блока, в этом случае высвобождается один вывод микроконтроллера, который можно использовать, например, для встроенного аналогового компаратора. Это позволит более точно контролировать напряжение аккумулятора. Но что еще более важно, в этом случае микроконтроллер можно перевести в режим "Сна" с прерыванием по импульсам счетчика Гейгера и таймеру. Потребляемый микроконтроллером ток в этом режиме не превышает 100 мкА;

- используя менее габаритный счетчик Гейгера, например СБМ-21, создать на основе этого устройства брелок, который в течение года и более без подзарядки будет контролировать радиационную безопасность;

- используя микроконтроллер с большим числом выводов, реализовать вывод уровня радиоактивного излучения на цифровой индикатор, но тогда это будет уже другое устройство.

Программу и прошивку микроконтроллера можно скачать с ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/05/ind_rad.zip.

Литература

1. СБМ-20. Параметры и характеристики. - URL: istok2.com/data/2398/ (24.02.15).
2. Дозиметр на PIC16F648. - URL:  vrtp.ru/index.php?s=cd7e98daed66fc07a7 7bae6159c329ca&act=categories&CODE= article&article=3422 (24.0215).

Автор: С. Макарец

Смотрите другие статьи раздела Дозиметры.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Искусственная кожа для эмуляции прикосновений 15.04.2024

В мире современных технологий, где удаленность становится все более обыденной, сохранение связи и чувства близости играют важную роль. Недавние разработки немецких ученых из Саарского университета в области искусственной кожи представляют новую эру в виртуальных взаимодействиях. Немецкие исследователи из Саарского университета разработали ультратонкие пленки, которые могут передавать ощущение прикосновения на расстоянии. Эта передовая технология предоставляет новые возможности для виртуального общения, особенно для тех, кто оказался вдали от своих близких. Ультратонкие пленки, разработанные исследователями, толщиной всего 50 микрометров, могут быть интегрированы в текстильные изделия и носиться как вторая кожа. Эти пленки действуют как датчики, распознающие тактильные сигналы от мамы или папы, и как исполнительные механизмы, передающие эти движения ребенку. Прикосновения родителей к ткани активируют датчики, которые реагируют на давление и деформируют ультратонкую пленку. Эта ...>>

Кошачий унитаз Petgugu Global 15.04.2024

Забота о домашних животных часто может быть вызовом, особенно когда речь заходит о поддержании чистоты в доме. Представлено новое интересное решение стартапа Petgugu Global, которое облегчит жизнь владельцам кошек и поможет им держать свой дом в идеальной чистоте и порядке. Стартап Petgugu Global представил уникальный кошачий унитаз, способный автоматически смывать фекалии, обеспечивая чистоту и свежесть в вашем доме. Это инновационное устройство оснащено различными умными датчиками, которые следят за активностью вашего питомца в туалете и активируются для автоматической очистки после его использования. Устройство подключается к канализационной системе и обеспечивает эффективное удаление отходов без необходимости вмешательства со стороны владельца. Кроме того, унитаз имеет большой объем смываемого хранилища, что делает его идеальным для домашних, где живут несколько кошек. Кошачий унитаз Petgugu разработан для использования с водорастворимыми наполнителями и предлагает ряд доп ...>>

Привлекательность заботливых мужчин 14.04.2024

Стереотип о том, что женщины предпочитают "плохих парней", долгое время был широко распространен. Однако, недавние исследования, проведенные британскими учеными из Университета Монаша, предлагают новый взгляд на этот вопрос. Они рассмотрели, как женщины реагируют на эмоциональную ответственность и готовность помогать другим у мужчин. Результаты исследования могут изменить наше представление о том, что делает мужчин привлекательными в глазах женщин. Исследование, проведенное учеными из Университета Монаша, приводит к новым выводам о привлекательности мужчин для женщин. В рамках эксперимента женщинам показывали фотографии мужчин с краткими историями о их поведении в различных ситуациях, включая их реакцию на столкновение с бездомным человеком. Некоторые из мужчин игнорировали бездомного, в то время как другие оказывали ему помощь, например, покупая еду. Исследование показало, что мужчины, проявляющие сочувствие и доброту, оказались более привлекательными для женщин по сравнению с т ...>>

Случайная новость из Архива Игровые мониторы MSI QD-OLED 03.11.2023 Компания MSI анонсировала новую линейку игровых мониторов с технологией QD-OLED, включающей как модели с изогнутыми, так и с плоскими экранами. Флагманами этой линейки станут две изогнутые модели. Первая, MAG 341CQP QD-OLED, оснащена 34-дюймовой панелью UWQHD QD-OLED 1800R, обеспечивая время отклика GTG 0,03 мс и частоту обновления 175 Гц. Второй, MPG 491CQP QD-OLED, предлагает 49-дюймовую DQHD 1800R панель с соотношением сторон 32:9. Этот монитор обладает частотой обновления 144 Гц и временем отклика GTG 0,03 мс. Обе модели сертифицированы по стандартам VESA ClearMR 9000 и DisplayHDR True Black 400. В этих новых мониторах QD-OLED предусмотрены разъемы HDMI 2.1 с полной пропускной способностью 48 Гбит/с, поддержкой 120 Гц, VRR и ALLM. Режим MSI Console поддерживает функцию CEC (Consumer Electronics Control), позволяя пользователям управлять своими устройствами с помощью одного контроллера. Также доступен разъем Type-C для взаимодействия с мобильными устройствами. Кроме того, MSI выпускает несколько плоских игровых мониторов. 27-дюймовые модели, такие как MPG 271QRX QD-OLED и MAG 271QPX QD-OLED, обладают разрешением WQHD 2K, частотой обновления 360 Гц и временем отклика GTG 0,03 мс. Также представлен 32-дюймовый монитор с разрешением 4K и частотой обновления 240 Гц. Все эти мониторы также оснащены интерфейсами Type-C с поддержкой до 90 Вт мощности и поддерживают консольный режим MSI.

Другие интересные новости:

▪ Автомобильное устройство для связи по Bluetooth

▪ Электронная книга PocketBook Basic Lux 4

▪ Эта опасная ветроэнергетика

▪ Миниатюрный дрон DJI Spark

▪ Игры с квантами энергии

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Биографии великих ученых. Подборка статей

▪ статья Так громче, музыка, играй победу! Мы победили, и враг бежит, бежит, бежит! Крылатое выражение

▪ статья Нужно ли переучивать левшу? Подробный ответ

▪ статья Функциональный состав телевизоров Saba / Salora. Справочник

▪ статья Простой автомобильный сторож. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Капризная монета. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

All languages of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте

www.diagram.com.ua
2000-2024