Дозиметр-индикатор интенсивности облучения
С. МАКАРЕЦ, г. Киев, Украина
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 [2J. 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 усредненного В случае превышения допустимой интенсивности облучения включается звуковая и световая сигнализации а индикация усредненной за час интенсивности автоматически сменяется индикацией текущей.
Puc.1
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 проведенных 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).
Puc.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 емкостью 2670 мА ч — более 66 суток.
Puc.3
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 подается 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:
Т — 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 приведен в [1]). Относительная погрешность показаний прибора с некаkиброванным 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 2 10'° импульсов, что при интенсивности облучения 25 мкР/ч произойдет приблизительно через 860 лет
Временной интервал счета 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 шест-надцатеричной системе) записано по адресу 3 в EEPROM микроконтроллера. В случае использования счетчика 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 0,524288x65/144000-240 мкс.
Прим. ред. 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 еще 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 счетчика 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) недоста точно одного и даже двух восьмиразрядных регистров микроконтроллера (максимальное значение 16-разрядного двоичного числа 256x256-1=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 106x3=318) такой способ усреднения неосуществим.
Прим. ред. Нет никакой необходимости хранить результаты всех 106 измерений. Достаточно трех регистров для хранения их нарастающей после каждого измерения суммы.
Усреднение производится методом подсчета 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 расчет 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 RI4 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
Puc.4
Puc.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 жесткого медного провода. Паять выводы счётчика не следует. Это может вывести его из строя. Особо следует отметить, что несмотря на симметричность своего корпуса, счетчик 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, присоединенными 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 ее особенности.
1 Программа написана на языке ассемблера MPASM в среде разработки программ MPLAB IDE v8.30. Сведения о необходимой конфигурации микроконтроллера содержатся в загрузочном (HEX) файле программы и устанавливать ее вручную нет необходимости.
2 В файле Shorts.inc находятся определения макрокоманд, которые делают более читаемым и сокращают исходный текст программы. Этот файл должен находиться в одной папке с исходным текстом, иначе определенные 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 P16F628.inc 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 путем установки нужных значений разрядов RP0r RP1 регистра STATUS.
3. Поскольку в программе используются трехбайтные 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 0x30.
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 Щ 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 5x8 точек. Они получают коды от 0x00 до 0x07. В приборе используются пять таких символов. Кроме упомянутых выше двух символов режима звуковой индикации, это
Q — знак повышенного уровня радиации;
/ч — 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 микроконтролллер нет необходимости программировать его EEPROM. Нужные коды будут туда записаны самой программой при ее первом запуске. Содержимое EEPROM после первого запуска программы будет таким, как показано в таблице
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 счетчика 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 счетчике.
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 счетчике 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) счетной характеристики счетчика СБМ20 —100 в. в его пределах погрешность не превышает 10 % [2].
Опыт непродолжительной эксплуатации прибора показал, что в нормальном режиме он показывает усредненную за час интенсивность облучения, и эти показания могут остаться неизменными после того, как пройдёт еще 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 информативности 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.
ЛИТЕРАТУРА
1 Макарец С. Измеритель-индикатор уровня радиации — Радио. 2015. № 5. с. 42-44
2 СБМ-20 Параметры и характеристики — URL http://www.istok2.com/data/2398 (24 02.15),
От редакции Программа микроконтроллера имеется по адресу ftp://ftp.radio.ru/pub/2015/12/dzm-ind.zip на нашем FTP-сервере
(или здесь dzm-ind.zip).Радио 12-2015
