Дозиметр-индикатор интенсивности облучения

Предлагаем вниманию читателей усовершенствованный вариант прибора, описание которого было опубликовано в [1].

По мнению автора, новый прибор обладает существенными преиму­ществами над прототипом, поскольку не только выводит результаты измере­ния на экран ЖКИ, но и обеспечивает соблюдение условий измерения макси­мальной для используемого в конструк­ции счётчика Гейгера СБМ-20 интенсив­ности радиации 144 мР/ч [2]. Кроме то­го, он измеряет суммарную дозу облу­чения. Её значение на индикаторе сме­няется каждый час, а в случае превыше­ния заданного пользователем порога — после каждого измерения интенсивнос­ти облучения. Суммарную дозу и интен­сивность облучения прибор сравнивает

с заданными порогами, и в слу­чае их превышения он выдаёт на индикатор сообщение «ФОН» или «РРР» (радиация), как показано на рис. 1.

Результаты измерения при­бор запоминает в энергонезави­симой памяти — EEPROM микро­контроллера. Усреднённое за час значение интенсивности облуче­ния выводится в верхней строке экрана ЖКИ. Индикацию текуще­го или усреднённого за час зна­чения переключают предусмот­ренной для этого кнопкой. После часа работы в режиме индикации текущего значения прибор авто­матически возвращается к инди­кации усреднённого. В случае превышения допустимой интен­сивности облучения включается звуковая и световая сигнализа­ции, а индикация усреднённой за час интенсивности автоматиче­ски сменяется индикацией теку­щей.

Если превышена заданная пользователем доза облучения, то, кроме запоминания превы­шения в EEPROM, прибор пере­ходит в режим индикации превы­шения допустимой дозы. От­ключить этот режим можно толь­ко вручную.

В результате проведённых усовершенствований отпала не­обходимость постоянно следить за показаниями прибора или на­ходиться вблизи него, чтобы ус­лышать звуковой сигнал. Превы­шение допустимой дозы будет зафиксировано и измерено автоматически, а результаты её измерения с постоянным накоплением сохранятся на индикаторе (рис. 2).

Схема усовершенствованного прибо­ра изображена на рис. 3. Потребляемый им ток при работе в условиях естествен­ного радиоактивного фона, когда звуко­вая и световая сигнализации не сраба­тывают, не превышает 2 мА (фактически измеренный — 1,68 мА), продолжитель­ность работы с литий-ионным аккумуля­тором ёмкостью 2670 мА ч — более 66 суток.

Звуковая и световая индикации ана­логичны прибору-прототипу. При пре­вышении первого порога включается мигающий светодиод HL2, второго — звуковой (НА1) и световой (HL1) сигна­лизаторы поступающих от счётчика Гейгера импульсов, а в конце измерения подаётся сигнал тревоги из пяти свето­звуковых импульсов. Этот режим отме­няется только по окончании очередного цикла измерения с результатом, не пре­вышающим допустимый, либо принуди­тельно кнопкой SB3. Всего предусмот­рены три режима звуковой сигнализа­ции, обозначаемых значком в крайнем правом знакоместе верхней строки индикатора:

	индикация превышения
	в отличие от предыдущего режима, слышны импульсы счётчика Гейгера

Нет символа — звук выключен, но спустя час автоматически будет вклю­чён режим «Индикация превышения».

Для подзарядки литий-ионного акку­мулятора G1 в приборе имеется солнеч­ная батарея GB1. Режим автоматиче­ской оценки работоспособности акку­мулятора исключён.

Чувствительность используемого в приборе счётчика Гейгера СБМ-20 (BD1) — 420±20 имп/с при интенсивнос­ти гамма-облучения 4 мкР/с [2], поэто­му интенсивности облучения в мкР/ч со­ответствует число импульсов, зафикси­рованное за 34,3 с (подробный расчёт приведён в [1]). Относительная погреш­ность показаний прибора с некалибро­ванным счётчиком (а в домашних усло­виях калибровка невозможна) не может быть лучше ±5 %. К этому следовало бы добавить двадцатипроцентную по­грешность старения счётчика, но она будет накоплена лишь после выдачи им 210’° импульсов, что при интенсивнос­ти облучения 25 мкР/ч произойдёт при­близительно через 860 лет.

Временной интервал счёта импуль­сов формирует таймер 1 микроконт­роллера DD1. С учётом программных установок период переполнения счёт­ного регистра этого таймера равен 0,524288 с. Значит, необходимый ин­тервал измерения должен состоять из 34,3/0,524288=65 (с учётом округления) таких периодов. Число 65 (0x41 в шест­надцатеричной системе) записано по адресу 3 в EEPROM микроконтроллера. В случае использования счётчика Гей­гера с другой чувствительностью его можно легко изменить.

Ввиду того что прибор должен фик­сировать максимальную для счётчика СБМ-20 интенсивность облучения 144 мР/ч [2], максимально допустимая продолжительность обработки каждого импульса 0,524288×65/144000=240 мкс.

Примечание. Пролёт радиоактивной частицы через чувствительную зону счётчика Гейгера — явление случайное. Поэтому случайны и интервалы между выдаваемыми счётчиком импульсами. Они подчиняются известному в теории вероятностей закону распределения Пуассона. Указанное автором значение 240 мкс — не максимальный, а средний интервал времени между импульсами. Половина из них будет следовать с большими интервалами, а другая поло­вина — с меньшими и при указанной продолжительности обработки будет потеряна. В результате при максималь­ной интенсивности облучения показа­ния прибора окажутся заниженными в два раза.

Стандартная процедура вывода информации на применённый в приборе ЖКИ со встроенным знакогенератором длится около 80 мс (измерено экспери­ментально), при этом не учтено ещё большее время физического установле­ния состояния жидкокристаллических элементов индикатора. Время вывода можно уменьшить, обновляя на индика­торе не все знаки, а лишь необходимые. Но при большой частоте обновления невозможно избавиться от неприятного мерцания. Поэтому от индикации на ЖКИ импульсов счётчика Гейгера, хоро­шо работающей лишь при фоновых зна­чениях интенсивности облучения, при­шлось отказаться. Показания обновля­ются только по окончании измеритель­ного интервала 34,08 с, при этом анализ превышения и сигнализация активны постоянно.

Для подсчёта максимально возмож­ного числа импульсов (144000) недостаточно одного и даже двух восьмираз­рядных регистров микроконтроллера (максимальное значение 16-разрядного двоичного числа 256×256-1=65535), поэтому для подсчёта использованы три регистра (максимальное 24-разрядное число — 16777215).

В течение часа будет выполнено 106 измерений (3600/34,08=106). Это значение в шестнадцатеричном виде (106=0х6А) записано в EEPROM по ад­ресу 4. Логически очевидно, что интен­сивность облучения, измеренная в мкР/ч и усреднённая за час измерений, соответствует дозе радиации, получен­ной за это же время. Усреднение за час работы предполагает суммирование результатов 106 измерений, затем де­ление полученного результата на 106, однако в силу ограниченных возможно­стей микроконтроллера (PIC16F628A имеет 224 однобайтных регистра дан­ных, а требуется 106×3=318) такой спо­соб усреднения неосуществим.

Примечание. Нет никакой необходи­мости хранить результаты всех 106 из­мерений. Достаточно трёх регистров для хранения их нарастающей после каждого измерения суммы.

Усреднение производится методом подсчёта лишь каждого 106-го импуль­са счётчика Гейгера. В конце часа, если содержимое регистра счётчика по мо­дулю 106 больше 53, к полученному ре­зультату счёта добавляется единица.

Теперь о записи в EEPROM. Произ­водитель декларирует 10⁶ возможных перезаписей этой области памяти. Эле­ментарный расчёт показывает, что при записи результата каждого измерения ресурс будет исчерпан примерно через год работы, поэтому обращение к EEPROM в условиях естественного фо­на производится только раз в час и лишь при фиксации превышения порога — после каждого измерения.

Максимальные выводимые на инди­катор значения суммарной дозы, а так­же дозы превышения — 999999 мкР. При средней интенсивности облучения 25 мкР/ч такая суммарная доза будет накоплена примерно за 4,5 года, после чего прибор автоматически обнулится. При максимальной для счётчика СБМ-20 интенсивности 144 мР/ч это произойдёт примерно через семь часов. Обнулить показания можно принудительно, удер­живая кнопку SB1 нажатой более 2,5 с.

Работа основных узлов прибора опи­сана в [1], рассмотрим только сущест­венные изменения.

В связи с низковольтным (3,3 В) питанием ЖКИ невозможно получить необходимое напряжение на его вы­воде 3 с помощью резистивного дели­теля, поскольку при таком значении на­пряжения питания оно должно быть отрицательным (около -0,5 В). Для по­лучения отрицательного напряжения применена микросхема преобразова­ния полярности DA2. Подборкой резис­тора R14 добиваются оптимальной контрастности изображения.

Солнечная батарея должна обеспе­чивать напряжение в интервале от 4,2 В (напряжение полностью заря­женного аккумулятора G1) до 8 В (максимальное допустимое напряже­ние для микросхемы ТР4056, находя­щейся на плате зарядного устройст­ва). Диод VD1 нужен для гальваниче­ской развязки солнечной батареи от USB-разъёма зарядного устройства, иначе солнечная батарея в затемнён­ном состоянии будет нагружать цепь внешнего питания. Диоды Шотки и гер­маниевые в качестве VD1 более пред­почтительны, так как обладают малым падением напряжения в открытом со­стоянии.

Резисторы R4—R6 предназначены для защиты входов микроконтроллера в случае ошибочного переназначения их выходами во время отладки программы. При использовании устройства только с отлаженной программой их можно не устанавливать, заменив перемычками.

Прибор собран на универсальной монтажной плате навесным монтажом. Плата помещена в унифицированный корпус размерами 150x50x23 мм. Рас­положение элементов внутри корпуса показано на рис. 4, а внешний вид при­бора и расположение органов управле­ния на его передней панели — на рис. 5.

Особых требований к применённым деталям нет, за исключением того, что транзистор VT2 должен быть высоко­вольтным (применённый автором тран­зистор KSP42 имеет максимально допу­стимое напряжение коллектор—эмит­тер 300 В). Номинальное напряжение конденсатора С1 должно быть не менее 40 В (при напряжении питания счётчика Гейгера 400 В).

Микроконтроллер установлен в стан­дартную 18-гнёздную панель, что в слу­чае необходимости позволяет извле­кать его для перепрограммирования. Счётчик Гейгера установлен в крепле­ниях для плавких вставок, впаянных в плату. В случае их отсутствия можно изготовить крепления из жёсткого мед­ного провода. Паять выводы счётчика не следует. Это может вывести его из строя. Особо следует отметить, что не­смотря на симметричность своего кор­пуса, счётчик СБМ-20 имеет полярность и его необходимо подключать к прибору в соответствии с ней.

Недопустимо и подключение литий- ионного аккумулятора 18650 с помощью пайки. Автором использован аккумуля­тор с ленточными выводами, присоеди­нёнными к аккумулятору методом «хо­лодной сварки», сами же выводы при­паяны непосредственно к контактным площадкам платы.

Светодиод HL1 — обычный, HL2 — мигающий. Резистор ограничения тока подсветки индикатора R15 подбирают экспериментально. Его оптимальное сопротивление очень сильно зависит от используемого индикатора. В частнос­ти, для индикатора с белым текстом на синем фоне (первоначально автор ис­пользовал именно такой) этот резистор имел сопротивление около 500 Ом, а для индикатора, тип которого указан на схеме, оно должно быть 12 Ом. Кроме того, выяснилось, что выводы плюса и минуса питания внешне похожих сим­вольных ЖКИ разного типа бывают вза­имно поменяны местами. Необходимо обязательно уточнять их номера в доку­ментации производителя.

Налаживание прибора сводится к установке яркости подсветки подбор­кой резистора R15, контрастности под­боркой резистора R14 и напряжения пи­тания счётчика Гейгера изменением константы в нулевой ячейке EEPROM. Важно отметить, что ввиду маломощнос­ти источника питания счётчика Гейгера измерять его выходное напряжение не­обходимо высокоомным вольтметром. Автор использовал для этой цели осцил­лограф TDS-210 с выносным делителем измеряемого сигнала, имеющим вход­ное сопротивление 1000 МОм.

Для тех, кто планирует изменять про­грамму микроконтроллера, рассмотрим её особенности.

1. Программа написана на языке ассемблера MPASM в среде разработки программ MPLAB IDE v30. Сведения о необходимой конфигурации микроконт­роллера содержатся в загрузочном (HEX) файле программы, и устанавли­вать её вручную нет необходимости.
2. В файле Shorts.inc находятся оп­ределения макрокоманд, которые дела­ют более читаемым и сокращают исход ный текст программы. Этот файл дол­жен находиться в одной папке с исход­ным текстом, иначе определённые в нём макрокоманды не будут восприня­ты ассемблером. Там же должны нахо­диться файлы HD44780LCD.inc (подпро­граммы вывода на ЖКИ), delay.inc (под­программы выдержки времени), push- pop. inc (сохранение состояния регист­ров процессора при обработке преры­ваний). Эти файлы взяты автором из Интернета, комментарии их авторов не удалялись. Файл описания используе­мого микроконтроллера P16Finc также должен быть доступен среде MPLAB. В связи с тем что макроопределения из файла Shorts.inc разработаны для более простых микроконтроллеров, макрокоманды обращения ко второму и третьему банкам регистров микроконт­роллера PIC16F628A в нём отсутствуют. Необходимо делать это путём установ­ки нужных значений разрядов RPO, RP1 регистра STATUS.

3. Поскольку в программе исполь­зуются трёхбайтные числа, для выпол­нения операций с ними использованы специально разработанные подпрограммы. Применяется также режим кос­венной адресации. В этом случае адрес регистра, с которым предстоит рабо­тать, записывают в регистр FSR, после чего все операции, выполняемые над со­держимым физически не существующе­го регистра INDF, фактически будут вы­полняться в регистре, адрес которого записан в FSR. Если изменить содержи­мое FSR, те же операции станут выпол­няться в другом физическом регистре.
4. Подпрограмма вывода на индика­тор цифровых значений делает следую­щее:

• преобразует трёхбайтное двоич­ное число в восемь байтов, каждый их которых содержит двоичный код одной цифры десятичного представления ис­ходного числа:
• поскольку в ЖКИ необходимо пе­редавать ASCII-коды отображаемых цифр, подпрограмма образует их уве­личением двоичного кода выводимой цифры на 0x

5. Вывод на индикатор букв и раз­личных знаков реализован двумя спосо­бами:

• из содержащейся в программной памяти строки символов. Так, при вклю­чении прибора выводится заставка «УРОВЕНЬ + ДОЗА”, записанная в памя­ти, начиная с адреса 0х7ЕЗ;
• с помощью подпрограмм, кото­рым выводимые символы передаются как параметры. При выводе коротких последовательностей символов этот способ оказался более экономным.

Важно отметить, что символы латин­ского алфавита можно записывать не­посредственно (например, «qwerty»), а символы кириллицы только их кодами в знакогенераторе ЖКИ. Например, букве 1Д соответствует код 0хЕ2.

6. В программе реализовано созда­ние недостающих символов для вывода на индикатор. Используемый индикатор с встроенным контроллером HD44780 предоставляет возможность создать восемь таких символов в формате 5×8 точек. Они получают коды от 0x00 до 0x В приборе используются пять таких символов. Кроме упомянутых вы­ше двух символов режима звуковой ин­дикации, это

	знак повышенного уровня ра­диации
	знак усреднения за час
	знак суммы

Образы этих символов программа зано­сит в память ЖКИ. При необходимости их легко изменить.

7. По аналогии с системным регист­ром микроконтроллера STATUS в про­грамме созданы регистры MatemReg, RegStanu, RegZvuku, каждый разряд ко­торых фиксирует состояние, возникшее в результате выполнения некоторого набора условий, поэтому нет необходи­мости многократно проверять эти усло­вия, достаточно прочитать значение этого разряда.
8. При загрузке программы в микро­контроллер нет необходимости про­граммировать его EEPROM. Нужные ко­ды будут туда записаны самой програм­мой при её первом запуске. Содержи­мое EEPROM после первого запуска программы будет таким, как показано в таблице.

Адрес (HEX)	Код (HEX)	Параметр
000	05	Увеличение этого числа приводит к возрастанию напряжения на счетчике Гейгера,и наоборот
001	32	Первый порог (0x32 — 50)
002	4В	Второй порог (0x4В = 75)
003	41	Длительность измерения в периодах переполнения таймера 1 (0x41 =65)
004	6А	Число измерений за час (0х6А = 106)
005	00	Используется для восстановления состояния прибора при повторном включении
006	FF	Резерв
007	FF	Резерв
008	00	Суммарная доза облучения
009	00
00А	00
00В	FF	Резерв
00С	D0	Мнемоника для облегчения визуального восприятия
00D	ЗА
00Е	FF	Резерв
00F	FF	Резерв
010	00	Превышение первого порога
011	00
012	00
013	FF	Резерв
014	D0	Мнемоника для облегчения визуального восприятия
015	ЗА
016	D0	Мнемоника для облегчения визуального восприятия
017	ЗА

Основной рабочий цикл програм­мы — формирование напряжения для питания счётчика Гейгера. Обработка импульсов счётчика Гейгера и нажатий на кнопки происходит по прерываниям. Формирование напряжения 400 В для счётчика СБМ-20 осуществляется пода­чей положительного импульса длитель­ностью около 10 мкс (зависит от содер­жимого нулевой ячейки EEPROM) на ба­зу транзистора VT2 с последующим ум­ножением напряжения возникших на дросселе L1 импульсов с помощью вы­прямителя-умножителя на диодах VD2— VD8. Резистор R7 обеспечивает прекра­щение электрического разряда в счётчи­ке Гейгера после регистрации импульса.

Затем формируется пауза длитель­ностью около 240 мкс. Обработка микро­контроллером события «спадающий пе­репад напряжения на RB0/INT» (фронта импульса счётчика) занимает приблизи­тельно 40 мкс (измерено эксперимен­тально). Так что импульсы счётчика Гейге­ра, поступающие даже с максимально возможной частотой, не приводят к сбоям формирования напряжения на счётчике.

Период 250 мкс, с которым следуют импульсы, формируемые для получения напряжения 400 В, удачно сочетается с резонансной частотой 4 кГц большинства пьезоизлучателей звука, по­этому для звуковой индика­ции импульсов используется тот же цикл формирования на выходе RB2 импульса и паузы со 125-кратным повторением (длительность звукового сиг­нала — приблизительно 30 мс). Одновременно появляется воз­можность, сокращая длитель­ность звукового сигнала, ком­пенсировать уменьшение на­пряжения на счётчике Гейгера при повышенной интенсивнос­ти облучения. В силу понятных причин автор не проверял ра­боту прибора при интенсив­ности облучения 144 мР/ч, по­этому возможность компенса­ции уменьшения напряжения рассматриваем чисто гипоте­тически.

С целью повышения мощ­ности преобразователя напря­жения по сравнению с прото­типом [1] индуктивность дрос­селя L1 увеличена до 10 мГн. Попутно отметим, что протя­жённость рабочего участка (плато) счётной характеристики счётчика СБМ-20 — 100 В. В его преде­лах погрешность не превышает 10 % [2].

Опыт непродолжительной эксплуата­ции прибора показал, что в нормальном режиме он показывает усреднённую за час интенсивность облучения, и эти показания могут остаться неизменными после того, как пройдёт ещё час. Значение суммарной дозы тоже изменяет­ся редко, как правило, три-четыре раза в сутки. Не изменяющиеся длительное время показания приводят к тому, что хочется проверить, а работает ли при­бор вообще.

Для устранения этого психологиче­ского дискомфорта и повышения ин формативное™ показаний прибора пришлось внести из­менения в программу микро­контроллера. С модифициро­ванной программой в верхней строке индикатора в позици­ях, которые обычно остаются пустыми, выводится мига­ющий курсор, который в тече­ние часа последовательно проходит четыре позиции над надписью «Доза» в нижней строке.

Кроме того, в модифици­рованной программе решена проблема индикации отсутст­вия импульсов от счётчика Гейгера. В этом случае вы­водится сообщение «НЕТ ИМПУЛЬСОВ ДАТЧИКА!!!». При появлении импульсов прибор работает в обычном режиме.

Архив к проекту

ЛИТЕРАТУРА

1. Макарец С. Измеритель- индикатор уровня радиации. — Радио, 2015, № 5, с. 42-44.
2. СБМ-20. Параметры и характеристики. — URL: http://www.istok2com/data/2398/ (24.02.15).

Автор: С. МАКАРЕЦ, г. Киев, Украина