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:

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Наушники Bowers & Wilkins Px8 S2 11.11.2025

Наушники премиум-класса становятся не только аксессуаром для прослушивания музыки, но и инструментом для профессиональной работы с аудио. Новый флагман британского бренда Bowers & Wilkins - модель Px8 S2 - демонстрирует, как эти аспекты можно объединить в одной беспроводной системе. Компания представила Px8 S2 как обновленную флагманскую модель в линейке, ориентированную на пользователей, которые ценят высокое качество звука, эффективное шумоподавление и премиальный дизайн. Производитель отмечает, что наушники сочетают передовые акустические решения с эргономикой для длительного использования. Каждое устройство оснащено 40-миллиметровыми динамиками с карбоновыми диффузорами и 24-битным цифровым процессором. По словам Bowers & Wilkins, это обеспечивает точное и детализированное воспроизведение звукового спектра, а также поддержку аудио высокого разрешения. Автоматическая оптимизация соединения с источником сигнала гарантирует стабильное и качественное звучание вне зависимо ...>>

Шимпанзе могут менять свои убеждения 10.11.2025

Понимание того, как формируются убеждения и принимаются решения, традиционно считалось уникальной способностью человека. Однако недавнее исследование показало, что шимпанзе обладают способностью пересматривать свои мнения на основе новых данных, демонстрируя уровень рациональности, который ранее считался исключительно человеческим. Психологи под руководством Ханны Шлейхауф из Утрехтского университета провели серию экспериментов, направленных на изучение метапознания у шимпанзе. Исследователи впервые наблюдали, как эти обезьяны могут взвешивать различные виды доказательств и корректировать свои решения при появлении более убедительной информации. Экспериментаторы рассматривали рациональность как способность формировать убеждение о мире на основе фактических данных. При поступлении новой информации разумное существо способно сравнивать старые и новые данные и изменять свое мнение, если новые доказательства оказываются более весомыми. Для экспериментов использовались шимпанзе из ...>>

Случайная новость из Архива Космический аппарат NASA смог выдержать взрыв на Солнце 19.09.2023 Космический зонд "Паркер" от NASA сделал историческое открытие, став первым аппаратом, который преодолел корональный выброс массы на Солнце и подтвердил существование взаимодействия солнечных частиц и межпланетной пыли. Солнечный зонд "Паркер" совершил свой проход через один из наиболее мощных корональных выбросов массы, зарегистрированных за всю историю космических исследований. Оборудование аппарата впервые зафиксировало взаимодействие между заряженными частицами, выброшенными Солнцем, и крошечными частицами пыли, населяющими межпланетное пространство. С использованием широкоформатной камеры WISPR "Паркер" отследил взаимодействие частиц коронального выброса массы и пыли, анализируя изменения яркости на изображениях. Поскольку частицы пыли рассеивают и отражают свет, области с их высокой концентрацией светятся более ярко. Ученые провели вычисления средней яркости на изображениях WISPR в процессе орбитального движения и продемонстрировали изменения свечения внутри коронального выброса. Хотя зонд "Паркер" совершил четыре полных оборота вокруг Солнца, изменения в наблюдениях были отмечены только во время события, произошедшего 5 сентября 2022 года. Это наводит ученых на мысль, что значительное воздействие на распределение межпланетной пыли оказывают только мощные выбросы. Физический механизм этого процесса пока еще остается недостаточно понятным, но его понимание критически важно для прогнозирования космической погоды. Межпланетная пыль состоит из мельчайших частиц, происходящих от астероидов, комет и даже планет, и она распространена по всей Солнечной системе. Тусклый свет, который виден на Земле некоторые дни перед рассветом или после заката, является результатом столкновения нашей планеты с облаком межпланетной пыли. Уже в 2003 году ученые высказали предположение о том, что заряженные частицы солнечной плазмы в корональных выбросах массы взаимодействуют с межпланетной пылью и могут даже отталкивать ее от Солнца. До сих пор эта гипотеза оставалась неподтвержденной, поскольку видимые проявления этого взаимодействия наблюдаются только вблизи Солнца.

Другие интересные новости:

▪ Мозг людей работает по-разному

▪ Долгоиграющий смартфон TCL-P618L

▪ Упражнения для ног положительно влияют на здоровье мозга и нервной системы

▪ Столовые приборы влияют на вкус пищи

▪ Эту резинку жевали 5000 лет назад

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Типовые инструкции по охране труда (ТОИ). Подборка статей

▪ статья Иуда. Крылатое выражение

▪ статья В каком магическом фильме, вышедшем ранее книг Джоан Роулинг, действует главный герой Гарри Поттер? Подробный ответ

▪ статья Прессовщик пластмасс. Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Источники низкопотенциальной теплоты. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Фронтальный бас автомобильной акустической системы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025