Экономичный бытовой радиометр
Индикаторам и измерителям интенсивности радиоактивного излучения посвящено множество статей. Авторы проанализировали схемы таких устройств, опубликованные за последние 17 лет в различных изданиях, и попытались устранить их недостатки и максимально использовать возможности широко распространенного счетчика Гейгера СБМ-20.
Первое, что бросается в глаза в устройствах и многих других подобного назначения, — использование цифровых микросхем малого уровня интеграции. Такой подход усложняет как схему, так и плату радиометра и сводит всю цифровую обработку информации фактически к подсчету числа импульсов, поступающих от установленного в нем счетчика Гейгера за единицу времени. Удалось найти лишь одну конструкцию [5], где для обработки информации, управления преобразователем напряжения и ЖКИ использован микроконтроллер. Однако и здесь обработка сводится лишь к подсчету и индикации числа импульсов в различных режимах.
В предлагаемом приборе мы тоже использовали микроконтроллер, что уменьшило число цифровых микросхем до двух, и разработали для него программное обеспечение, обеспечивающее удобную работу.
Общим недостатком опубликованных конструкций мы сочли недостаточно большой верхний предел измерения интенсивности радиоактивного облучения. Работа приборов с аналоговыми индикаторами (стрелочными микроамперметрами) основана на том факте, что частота импульсов, вырабатываемых счетчиком, пропорциональна интенсивности его облучения. Эта частота преобразуется в измеряемое далее напряжение или ток преобразователем, содержащим, как правило, единственный интегрирующий конденсатор. Измерять таким способом изменяющуюся в широких пределах частоту импульсов весьма затруднительно.
В устройстве с цифровой индикацией для перевода числа импульсов в стандартные единицы измерения радиоактивности потребовалось бы произвести больше вычислений, чем могут выполнить несложные узлы на микросхемах малой и средней степени интеграции. Поэтому результат выводится в нестандартных единицах вроде относительного превышения естественного радиоактивного фона.
Согласно таблице в [6], радиационная чувствительность широко используемого в бытовых радиометрах счетчика Гейгера СБМ-20 — 78 имп/мкР, а "мертвое" время после каждого импульса — 190 мкс. Это означает что максимальная частота импульсов, поступающих от счетчика, не может превысить 106/190 = 5263 Гц Если предположить, что зависимость частоты импульсов от интенсивности радиации линейна, то максимальная интенсивность, которую можно измерить счетчиком СБМ-20, равна 5263/78 = 67 47 мкР/с или 242,9 мР/ч. У всех известных нам приборов верхний предел измерения существенно ниже.
В опубликованных конструкциях цифровых радиометров сначала производится подсчет числа импульсов за 30...60 с, затем индикация результата в течение 2. 10 с. После этого цикл счет—индикация повторяется. Обновленного результата приходится ждать как минимум полминуты. В нашем устройстве запоминается число импульсов, поступивших от счетчика за каждую из 30 с, полученные значения складываются, результат после необходимых преобразований выводится на индикатор Через секунду самый давний из тридцати предыдущих отсчетов вычитается из суммы, а накопленное за последнюю секунду число к ней прибавляется. Таким образом, при времени накопления 30 с обновление результата происходит каждую секунду.
Для перевода числа поступивших за 30 с импульсов N в микрорентгены в час следует умножить N на 120 (получится число импульсов за час) и разделить результат на 78 — число импульсов на микрорентген. Для упрощения вычислений коэффициент 120/78 можно заменить очень близким к нему 3/2. Возникающей в результате такой замены систематической погрешностью измерения можно пренебречь — она существенно ниже, чем вызванная разбросом чувствительности счетчика и ее зависимостью от напряжения между его электродами.
Можно было бы исключить систематическую погрешность калибровкой прибора. Но условия проведения полноценной калибровки и необходимое для этого оборудование совершенно недоступны большинству любителей. Поэтому измеренные предлагаемым прибором значения интенсивности радиации можно считать лишь ориентировочными, но достаточно точными для большинства бытовых применений.
Преобразователи низкого напряжения питания в высокое, необходимое для работы счетчика Гейгера, практически во всех опубликованных конструкциях выполнены по схеме блокинг-генератора. работающего на частоте в несколько герц. В некоторых из них предусмотрено формирование блокинг-генератором внеочередного импульса, подзаряжающего накопительный конденсатор преобразователя после его частичной разрядки импульсом счетчика. Но период повторения дополнительных импульсов в этих конструкциях не может превысить нескольких десятков миллисекунд, что явно недостаточно для компенсации разрядки конденсатора импульсами, продолжительность пауз между которыми при большой интенсивности радиации может измеряться лишь сотнями микросекунд. Это может привести к снижению высокого напряжения на счетчике ниже допустимого предела.
Довольно редко в опубликованных устройствах предусмотрено поддержание высокого напряжения неизменным при разрядке питающих батарей. Их авторы полагаются на достаточную протяженность "плато" рабочей характеристики счетчика. Однако при глубокой разрядке напряжение гальванической батареи может уменьшиться в полтора раза. Даже если со свежей батареей напряжение на счетчике достигнет 450 В (верхняя граница "плато" для СБМ-20), то без стабилизации оно уменьшится при ее разрядке до 450/1,5=300 В Это меньше нижней границы "плато" счетчика СБМ-20 (350 В) и недопустимо.
В преобразователе [5] напряжение стабилизируется путем автоматического регулирования длительности (ширины) импульсов, однако потребляемый преобразователем ток достигает 50 мА, что существенно ограничивает область применения. В нашем приборе преобразователь тоже имеет широтно-импульсную стабилизацию, но потребляет всего около 0,3 мА независимо от интенсивности радиации
Схема предлагаемого прибора изображена на рис. 1. Он разработан с учетом рекомендаций в [6] и состоит из следующих функциональных блоков: высоковольтного преобразователя напряжения для питания счетчика Гейгера BD1, формирователя счетных импульсов узлов управления ЖКИ HG1 и звуковым сигнализатором НА1, стабилизаторов напряжения DA1 и DA2 для питания различных цепей. Управляет всеми узлами прибора микроконтроллер DD2.Основные технические характеристики
Измеряемая интенсивность радиации, мР/ч...........0...250
Напряжение питания, В.......2..3,3
Средний потребляемый ток, мА при отключенной звуковой сигнализации......0,5
при включенной звуковой сигнализации.....................3
Время выхода на рабочий режим, с...................30
Период обновления показаний, с ................... 1Высокое напряжение формирует преобразователь на транзисторе VT2 и трансформаторе Т1 На затвор транзистора VT2 с вывода 5 микроконтроллера DD2 поступают импульсы частотой 244 Гц с коэффициентом заполнения 4... 15%. Во время действия импульса транзистор VT2 открыт и в магнитопроводе трансформатора происходит накопление энергии В моменты закрывания транзистора по окончании каждого импульса на его стоке в результате самоиндукции обмотки I трансформатора возникают импульсы напряжения положительной полярности амплитудой около 60 В. С повышающей обмотки II импульсы поданы на выпрямитель с утроением напряжения на диодах VD6— VD8 и конденсаторах С11, С13, С14. Применение утроителя снизило требования к трансформатору и позволило упростить его конструкцию.
С утроителя напряжение около 400 В поступает на счетчик Гейгера BD1 через нагрузочный резистор R7. При таком напряжении счетчик работает в середине "плато" своей характеристики. Стабилитроны VD3—VD5 ограничивают напряжение до 430 В и защищают от пробоя конденсаторы утроителя. Эта защита необходима при налаживании прибора или при его резком удалении от источника излучения. Без стабилитронов напряжение на конденсаторах в некоторых случаях может превысить 800...900 В, что вызовет их пробой. При сопротивлении нагрузки утроителя не менее 40 МОм постоянная составляющая тока в обмотке I не превышает 0,3 мА.
Изменяя длительность открывающих транзистор VT2 импульсов, микроконтроллер DD2 регулирует количество энергии, поступающей от источника питания на утроитель напряжения, обеспечивая этим стабилизацию напряжения на его выходе. Для этого с помощью встроенного АЦП микроконтроллер измеряет напряжение на дополнительной обмотке III трансформатора Т1, выпрямленное диодом VD9 и сглаженное конденсатором С17. Емкость этого конденсатора и сопротивление резисторов R9, R10 выбраны такими чтобы напряжение, поступающее на вывод 8 (один из входов АЦП) микроконтроллера, без существенной задержки следовало за всеми изменениями напряжения на выходе утроителя. Конденсатор С16 сглаживает острые пики этого сигнала.
Другой вход АЦП соединен с источником образцового напряжения 1,235 В на микросхеме DA3. Она функционально подобна обычному стабилитрону, но обладает повышенной температурной стабильностью и работоспособна при токе 10 мкА, что в несколько раз меньше, чем у любого из них. Это позволило увеличить номинал балластного резистора R8 и снизить общий ток потребления.
При регистрации частицы счетчик Гейгера BD1 формирует на резисторе нагрузки R7 импульс отрицательной полярности амплитудой около 100 В. Он поступает на счетный вход таймера TMR0 (вывод 11) микроконтроллера через делитель напряжения и формирующую цепь из резисторов R3, R5, R6 и конденсаторов С8, С9 Долго хранившиеся или много проработавшие счетчики на каждую обнаруженную частицу могут выдавать не один, а серию из 5— 50 коротких импульсов [7] Цепь C9R3 подавляет все импульсы серии, кроме первого. В [3] и некоторых других приборах для выделения из серии импульсов только первого вместо простой RC-цепи применен одновибратор.
Емкость конденсаторов С8 и С9 выбрана такой чтобы высокое напряжение на счетчике BD1 при фильтрации серии импульсов восстанавливалось как можно быстрее Чрезмерное увеличение емкости привело бы к уменьшению максимальной частоты формируемых импульсов и, следовательно, снижению верхнего предела измерения интенсивности радиации. При указанных на схеме номиналах конденсаторов время восстановления не превышает "мертвого" времени счетчика СБМ-20.
Для формирования сигналов, подаваемых на многочисленные элементы ЖКИ. применена специализированная микросхема DD1, соединенная с микроконтроллером DD2 по малопроводному последовательному интерфейсу SPI. От емкости конденсатора С6 зависит частота смены полярности напряжения на элементах индикатора — около 80 Гц при указанном на схеме номинале конденсатора.
Напряжение 3,3 В для питания микросхемы DD1 получено из выпрямленного напряжения обмотки III трансформатора Т1 с помощью интегрального стабилизатора МСР1700-3302Е/ТО (DA1). Поскольку оно не изменяется по мере разрядки батареи питания, контрастность изображения на ЖКИ также остается неизменной. Ток, потребляемый узлом индикации, не превышает 8 мкА, поэтому применение микромощного интегрального стабилизатора серии МСР1700 здесь принципиально. Его собственный ток потребления всего 1,6 мкА, а у обычных стабилизаторов, например, L78L33 он достигает 5 мА даже без нагрузки.
При интенсивности радиации более 100 мкР/ч (этот уровень можно изменять программно) микроконтроллер каждую секунду генерирует в течение 50 мс на выводе 13 серию импульсов частотой около 2480 Гц. Усиленные транзистором VT1 импульсы поступают на электромагнитный излучатель звука НА1 или на другой излучатель, если он подключен к разъему XI.
Импульсы напряжения самоиндукции излучателя, образующиеся в моменты закрывания транзистора VT1, вызывают свечение светодиода HL1, что также сигнализирует о превышении допустимого уровня радиации. Такое решение не только избавляет от дополнительного расхода энергии на световую сигнализацию, но и уменьшает амплитуду выбросов напряжения на стоке транзистора VT1. Резистор R2 ограничивает ток светодиода HL1.
Питается прибор от батареи GB1 (двух гальванических элементов типоразмера АА) и остается работоспособным при ее разрядке до 1,6...1,7 В. Хотя, если включить прибор при таком напряжении, микроконтроллер DD2 не запустится. Но будучи запущенным при более высоком напряжении, продолжит работать, пока оно не упадет до указанного выше значения. Время непрерывной работы радиометра от свежих элементов питания емкостью 2500 мА*ч достигает шести-семи месяцев.
Можно питать прибор и от внешнего источника постоянного напряжения 5... 15 В. Когда его штекер вставлен в гнездо ХЗ, батарея GB1 отключена. Интегральный стабилизатор DA2 уменьшает поданное напряжение до 3 3 В и стабилизирует его. Диод VD2 снижает снимаемое со стабилизатора напряжение до 3 В. Кроме того, он изолирует выходную цепь стабилизатора при питании от батареи GB1 Применение в качестве VD2 диода Шотки продиктовано малым прямым падением напряжения на нем (0,3 В против 0 65 В у обычного кремниевого диода)
Диод VD1 защищает прибор при случайном подключении внешнего источника напряжения неправильной полярности. К разъему Х2 подключают программатор для загрузки программы в уже смонтированный на плате прибора микроконтроллер.
Программа микроконтроллера написана на языке ассемблера MPASM из среды разработки программ MPLAB, которую можно загрузить с интернет-сайта <http://www.microchip.com/>. Микроконтроллер работает с тактовой частотой 1 МГц от внутреннего генератора и потребляет ток около 0,2 мА. Для формирования секундных интервалов времени использован таймер TMR1, генератор которого стабилизирован кварцевым резонатором ZQ1. Каждую секунду таймер генерирует запрос прерывания. В результате обработки этого запроса число импульсов, выработанных за секунду счетчиком Гейгера BD1 и подсчитанных таймером TMR0. записывается в оперативную память микроконтроллера, после чего счетчик TMR0 обнуляется. Последние 30 результатов счета суммирует подпрограмма process, а сумма умножается на 3/2. Полученное число — интенсивность радиации в мкР/ч — преобразуется в вид, необходимый для отображения на ЖКИ, и загружается в контроллер индикатора DD1 по последовательному интерфейсу. Для ускорения описанных операций тактовая частота микроконтроллера на время их выполнения повышается до 4 МГц. В результате вся процедура занимает 0.8 мс и не мешает другим вычислениям.
Таймер TMR0 работает в режиме счетчика импульсов без предварительного делителя. Переполнение таймера при поступлении на его вход более 255 импульсов генерирует запрос прерывания, в результате обработки которого увеличивается на единицу число в специально выделенном регистре. Таким образом, число поступивших за секунду импульсов, которое может достигать 5500 (0x157С), хранится в двух байтах: младший — в регистре TMR0, старший — в регистре-счетчике прерываний
Поскольку измеренное значение интенсивности радиации может достичь 250000 мкР/ч, а индикатор прибора имеет всего четыре десятичных разряда, перед выводом на него результат измерения округляется и форматируется в соответствии с таблицей Включенная десятичная запятая означает, что результат выражен в мР/ч.
Помимо процедур обработки прерываний, выполняющих описанные функции, программа имеет основной цикл, в котором следит за выходным напряжением высоковольтного преобразователя и регулирует его. Встроенный АЦП микроконтроллера измеряет контролируемое напряжение на выводе 8. Сравнив его с образцовым на выводе 9 и обнаружив неравенство, программа изменяет на одну ступень в необходимую для устранения неравенства сторону длительность импульсов формируемых на выводе 5 с помощью таймера TMR2, работающего в режиме PWM.
Каждые 10 мс цикл измерения напряжения и изменения, при необходимости, длительности импульсов повторяется. Интервал ее изменения ограничен программно, что исключает, например, насыщение магнитопровода трансформатора Т1 во время начальной (после включения питания) зарядки конденсаторов утроителя напряжения. Предельные значения подобраны экспериментально.
Поскольку АЦП выражает результаты своей работы в долях напряжения питания микроконтроллера, а оно по мере разрядки батареи GB1 изменяется, необходимо периодически измерять не только контролируемое, но и образцовое напряжение. Батарея, однако, разряжается медленно, поэтому измерять образцовое напряжение слишком часто не требуется, достаточно делать это приблизительно каждые 2 с.
Периодичность проведения коррекции приводит к пульсации напряжения, подаваемого на счетчик Гейгера, в пределах ±5 В относительно среднего значения. Так как это значение находится вблизи середины "плато" характеристики счетчика, на точность измерения интенсивности радиации такая пульсация практически не влияет.
Прибор собран на изображенной на рис. 2 односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,6 мм. Габаритные размеры платы — 109x73 мм. а ее форма выбрана исходя из установки в пластиковый корпус 1553D-BAT фирмы Hammond (рис. 3), в котором предусмотрен отсек для двух элементов питания типоразмера АА.
ЖКИ HG1 установлен со стороны печатных проводников так, что его верхняя плоскость находится на высоте 4,5 мм над поверхностью платы — стойки именно такой высоты использованы для ее крепления в корпусе. В плате прорезано прямоугольное отверстие под выключатель SA1 ползункового типа (модель MHS-122 фирмы ALCO). Выключатель смонтирован на отдельной небольшой плате, которая прикреплена к основной на стойках высотой 5 мм. Таким образом, он утоплен вглубь корпуса, над внешней поверхностью которого лишь немного выступает его движок. Разъемы Х1 и Х3 укреплены на съемной боковой стенке корпуса.
Счетчик BD1 вставлен в два установленных на плате пружинных держателя плавких предохранителей диаметром 6 мм. Под держатели подложены полоски текстолита толщиной 0,8 мм, что немного приподнимает счетчик. Детали, попадающие под него на плате, следует пригнуть для предотвращения контакта с корпусом счетчика. Чтобы не ослаблять поток радиоактивных частиц, в задней стенке корпуса прибора, в районе расположения счетчика, проделано отверстие, закрытое пластиковой решеткой (рис. 4).
Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе B64290L0618X038 фирмы Epcos размерами 25x15x10 мм, изготовленном из феррита с магнитной проницаемостью 10000. Магнитопровод имеет пластиковую оболочку, что избавляет от необходимости дополнительно изолировать его перед намоткой. Можно использовать и ферритовое кольцо без оболочки, обернув его слоем фторопластовой или полиэтиленовой ленты либо лакотканью. Магнитопровод сравнительно большого размера выбран для упрощения ручной намотки.
Обмотка I — из 100 витков провода диаметром 0,35 мм в эмалевой изоляции — намотана виток к витку равномерно по кольцу в один слой. Ее индуктивность — около 100 мГн при сопротивлении постоянному току 5 Ом. Поверх нее виток к витку в три слоя намотана обмотка II — 200 витков изолированного монтажного провода с медной жилой диаметром 0,25 мм. Последней наматывают обмотку III — 10 витков такого же монтажного провода. При такой конструкции межобмоточная изоляция не требуется
Готовый трансформатор закреплен на плате пластмассовым болтом М6 через резиновые прокладки так, чтобы головка болта не выступала над кольцом, иначе трансформатор не уместится в Kорпуce по высоте. Допустимо использовать металлические болт и гайку. Выступающую над гайкой часть болта следует удалить.
Конденсаторы С11, С13 и С14 — керамические серии FK22 фирмы TDK. Можно применить и другие, подходящие по размеру и номинальному напряжению. Конденсатор С8 — также керамический на напряжение не менее 400 В. Конденсатор С17 — оксидный танталовый, но при возможности его желательно заменить керамическим.
Диоды VD6—VD8 должны иметь возможно меньший ток утечки. Хотя, согласно справочным данным, значение этого тока у диодов 1 N4007 может достигать 10 мкА, но как показывает практика, у большинства экземпляров оно около 0,6 мкА. Утроитель напряжения был испытан и с быстродействующими диодами STTH1R06RL Однако заметного улучшения параметров преобразователя отмечено не было Вместо диодов 1N914 подойдут любые маломощные кремниевые. Стабилитроны 1N5275B с напряжением стабилизации 140 В были выбраны благодаря их способности работать при токе 0,9 мА. В качестве HL1 может быть применен практически любой светодиод.
Для обеспечения работоспособности устройства при разрядке батарей до 2 В и ниже замену полевым транзисторам TN0620 следует подбирать с пороговым напряжением не более 1,6 В Были проверены транзисторы ZVNL120, ZVN4424A (в корпусах Т092) и IRLS640A, FQP4N20L (в корпусах Ю220).
В качестве VT1 можно использовать более низковольтный полевой транзистор TN0604 или биполярный серии КТ3102. В последнем случае громкость звукового сигнала будет заметно падать по мере разрядки батареи GB1. Заменять полевой транзистор VT2 биполярным не рекомендуется, особенно если требуется работать при напряжении питания ниже 2 В. Однако при питании от внешнего источника в качестве VT2 был испытан и показал приемлемые результаты биполярный транзистор MPSA42 (в его базовую цепь был введен резистор номиналом 2,2 кОм). Необходимо иметь в виду, что замена полевых транзисторов биполярными приводит к возрастанию в несколько раз потребляемого прибором тока.
Налаживание радиометра следует начинать с проверки правильности монтажа. После этого необходимо запрограммировать микроконтроллер. При его программировании через разъем Х2 в гнездо Х1 следует вставить штекер, чтобы отключить излучатель звука НА1 и устранить его влияние на процесс программирования. Дальнейшее налаживание сводится к установке напряжения 400 В на конденсаторе С11 подстроечным резистором R9. Перед включением его движок следует установить в крайнее левое (по схеме) положение.
Очень важно знать, что широко распространенные цифровые мультиметры с входным сопротивлением 10 МОм непригодны для непосредственного измерения напряжения преобразователя, так как представляют для него слишком большую нагрузку. Показания будут сильно занижены. Проблема разрешается подключением вольтметра через резистор 1 ГОм (1000 МОм) с допустимым рабочим напряжением не менее 400 В (например КЭВ-0,5). При таком подключении показания вольтметра следует умножать на 110. Для каждого конкретного резистора и вольтметра этот коэффициент желательно уточнить — измерить достаточно большое образцовое напряжение с резистором и без него и разделить большее число на меньшее.
После включения питания напряжение на конденсаторе С11 должно быть около 430 В. Медленным вращением движка подстроечного резистора R9 его следует снизить до 400 В. Это меньше суммарного напряжения стабилизации стабилитронов VD3—VD5 (они остаются закрытыми) и приблизительно соответствует середине "плато"’ характеристики счетчика.
Нелишним будет напомнить о соблюдении осторожности при работе с высоким напряжением Прикасаться к деталям утроителя нельзя не только во время работы преобразователя но и в течение нескольких минут поспе его выключения, пока не разрядятся конденсаторы. Ни в коем случае не следует замыкать выводы конденсатора для его разрядки пинцетом или другим металлическим предметом. Протекающий по печатным проводникам платы при такой разрядке ток вполне может повредить микросхемы. В случае необходимости разряжать конденсаторы утроителя можно только через резистор сопротивлением не менее 10 МОм. Это может быть, например входное сопротивление мультиметра, переключенного на соответствующий предел измерения.
При регистрации частицы счетчиком BD1 на его нагрузочном резисторе R7 формируется импульс амплитудой около 100В, что соответствует току 10 мкА Чтобы убедиться в том. что изготовленный преобразователь напряжения способен отдавать такой ток, параллельно конденсатору С11 следует подключить резистор сопротивлением 40 МОм При этом напряжение на конденсаторе не должно упасть более чем на 10... 15 В, не выходя за этот предел и при уменьшении питающего напряжения с 3 до 2 В
Резистор необходимого сопротивления можно составить, например, из четырех соединенных последовательно резисторов по 10 МОм. Последовательное соединение необходимо, поскольку основной ограничивающий работоспособность малогабаритных высокоомных резисторов фактор не рассеиваемая мощность, а приложенное напряжение Для резисторов по размерам, подобных МЛТ-0,25, оно не должно превышать, как правило, 200 В.
Мы не имели возможности проверить прибор во всем допустимом для него интервале значений интенсивности радиоактивного излучения. Однако работа при высоком уровне радиации имитировалась подачей на вывод 11 микроконтроллера от генератора прямоугольных импульсов амплитудой 3 В и частотой до 5500 Гц Показания индикатора в точности соответствовали расчетным значениям. Были изготовлены и налажены по описанной в статье методике два экземпляра прибора, что свидетельствует о его повторяемости.
Материал взят из: Журнала Радио 2010 №11
В архиве прошивка для микроконтроллера и исходный код на ассемблереgeiger.rar [6,71 Kb]
