Цифровой дозиметр «Гамма_3».

02.11.2011 0 комментариев

Авторы:
Князев Игорь, г.Москва, knazevis_@mail.ru
Вовк Александр, г.Белгород, ua9kbt@mail.ru
Опубликовано 24.12.2009.

Цифровой дозиметр «Гамма_3» (принципиальная схема на рис.1, рис.2) предназначен для определения уровня ионизирующей радиации.
Реагирует на бета, гамма, а также рентгеновское излучение.
Измерение производится за время 20сек в единицах мкр/ч, также единицах превышающий естественный радиационный фон (ЕРФ) ~=15-25 мкр/ч.
Схемы рис.1 и рис.2 отличаются лишь методом снятия импульса — с анода или катода счетчиков СБМ 20.

Устройство имеет на своём борту:
1)Русский алфавит на ЖК индикаторе
2)Режим измерения цикличный.
3)Режим аппроксимации замеров с последующим уменьшением процента погрешности с 80% до 25%.
4)20 ячейки энергонезависимой памяти для записи значений измерения.
5)Буфер значения предыдущего измерения.
6)Регулируемый уровень тревожной сигнализации с памятью.
7)Корректировка времени измерения фона за один проход
8)Свето/звуковая визуализация излучения.
9)Индикатор уровня заряда батареи.
10)Сохранение всех настроек в энергонезависимую память.

Недостаток — большой ток потребления, от 21мА (на 3.3В).
Максимальное напряжение питания — 5вольт.

Руководство пользования:

1) По умолчанию замер ведётся в первом режиме, который замеряет текущий уровень радиации.
На рис.3, под цифрой 1, показано отображение этого режима,
ИЗМ -15мкР, это текущий фон, ФОН -14мкр, это отображения прошлого замера, П -0 количество превышений естественного фона ~=18-25 мкр/ч, Т -18с, текущие время замера.

2) Режим 2, аппроксимация замеров, относительно их количества, используется для точных замеров, погрешность уменьшается по времени, -14мкр, результат, +/- 30% -погрешность измерения.
3) Режим 3,измерения эквивалентной дозы накопления (ЭД)за определенное время.
Измерение ЭД происходит следующим образом:

00:00 Доза 0мкР
Старт < > Сброс

после нажатия кнопки «старт», происходит замер, 5раз по 20*сек, это примерно 5минут, после этого замеренный и вычисленный результат выводится на экран, нормальное значение ЭД каждые 5мин, для нормальной радиационной обстановки не больше 1мкр/час.
замер будет вестись до значение времени =24часа(сутки), потом замер остановится и запишет значение ЭД(суточной дозы) в 20ю ячейку памяти.
Можно вручную, приостанавливать замер ЭД, для этого нужно нажать кнопку «Стоп»,

01:15 Доза 11мкР
< > Стоп

4) Режим записной книжки, предназначен для записи на 20ячеек, результата измерения.
ЗОНА «1» -номер ячейки, -15мкР значение,
для записи нужно выбрать номер ячейки кнопкой «х» и для записи нажать кнопку «ок».
5)Регулировка порога уровня срабатывания тревожной сигнализации — кнопками «х» и «ок», устанавливаем нужный, если уровень равен 0, то тревога отключена.
6)Включение/выключение звукового сопровождения нажатия кнопок и сопровождения горячих частиц — кнопками «х»-выключить и «ок»-включить.
7)Функция передачи информации в компьютер, для последующего просмотра в специальном приложении ПК.
«х»-выключить и «ок»-включить.
8)Эконом-функция экономичного режима с автоматом сна и пробуждения.
«х»-выключить и «ок»-включить.
9)Коррекция времени замера, изменяется в пределах +/-5сек, предназначено для корректировки относительно типа счётчика Гейгера, и других случаях.
10)Функция автоподкачки, предназначена для управлением блокинг-генератором. (Влияет на экономию питания)
«х»-выключить и «ок»-включить.
11)Индикация напряжения аккумулятора, в вольтах.

Замечания по элементам:
1) Счетчик Гейгера СБм20 выпускается в трёх вариантах заменится на СТС-5 только меняется габариты.
2) Светодиоды любые на ток 5-20мА.
3) Тактовые кнопки стандартные 5х7мм.
4) Акустический излучатель пьезоэлектрического типа, могут быть ЗП-19, ЗП-1, ЗП-3, ЗП-4, ЗП-5 ИМПОРТНЫЕ (HPE-227).
5) Звуковой генератор из серии HCMxxxx, на напряжение от 1-3в.

Узлы устройства:
1) Блокинг-генератор, на выходной обмотке формируются короткие импульсы около 10 мкс с амплитудой около 220 вольт. Через умножитель удвоения напряжение повышается до требуемого 400-440 вольт. частота генерации блокинг-генератора задается цепочкой R1.C1.Состоит из — VT1, VD3, C1, T1, R1.
2) Умножитель напряжения, собран на VD1-2, C2-3. Через умножитель удвоения, напряжение повышается до требуемого 400-440 вольт.
3) Детекторная камера, состоит из BD1-2, R2-3, C3-4. Предназначена для детектирования радиации, BD1-2 счётчики Гейгера, R2-3, -нагрузка для СГ, C3-4 разделительные конденсаторы.
4) Одновибратор, DD1.2-1.2 C8, R8-10, формирует из коротко затянутого импульса импульс в прямоугольной формы, для правильной работы МК.
5) Свето-акустический узел индикации, световой-VT2, R4-5, HL1. Бип сигнал-VT3, R11, HA2. Акустический узел, предназначен для звуковой индикации горячих частиц, собран на ждущем генераторе DD1.3-1.4, R8, C11, HA1.
6) Цифровая часть, предназначена для управления, и цифрового обработки данных приходящих с детекторной камеры, и вывода результата на дисплей. Состоит из, DD2, SB1-5, C12-13, ZQ1,
7) Аналого-цифровой преобразователь(АЦП), нужен для замера уровня напряжения аккумулятора, DD2, Ra1-2, Ca1-2.
8) Блок индикации, HG1, R14, R12-13, VT4.
9) Преобразователь постоянного напряжения А1, предназначен для повышения напряжения питания с 1.2-4В до 5В, может являться любым по параметрам, в данном случае, это DD3, VD4, DL1, C15-16.
10) Узел заряда аккумулятора, X2,VD5(КД522), R15.17, HL2, GB1.

Принцип действия:
Блок схема дозиметра изображена на рис.4.
Главным элементом конструкции является датчик радиации счётчик Гейгера(СГ), которых здесь два, что позволило проводить замеры не за 40сек а за 20, при этом повысилась общая и спектральная чувствительность.
Питается он высоким постоянным напряжением 400в,который генерирует блокинг-генератор(БГ) ~200В, и умноженное умножителем на два(2х200=400), резисторы R2-3 служат нагрузкой СГ, конденсаторы C3-4 являются разделительными, после них, сигнал поступает на одновибратор, который формирует из заваленных импульсов с СГ,в прямоугольные, для правильной работы микроконтроллера(МК).
МК выполняет все логическо-цифровые задачи, по замеру и управлению внешней периферии. МК выдаёт импульсы подкачки для БГ, относительно пришедших частиц, график показан на рис.5,также управляет ЖК модулем, подсветкой, генератором для акустического излучателя, светодиода.

Для того чтобы измерить напряжения питания, вход АЦП, вывод 26 МК, подключен через ограничительный резистор R1a, к аккумулятору.
Заряд аккумулятора происходит когда к гнезду Х2, подключена вилка зарядного ус-ва, при этом размыкаются контакты 2 и 3(Х2) отключается питание дозиметра, ток заряда протекает через ток ограничивающий резистор R17 в аккумулятор, также заряд сигнализирует светодиод HL2.
При фиксировании частицы счетчик становится проводящим, и в точке соединения элементов R7 и транзистора VT5 создается импульс напряжения , который открывает транзистор VT5 Открытый транзистор замыкает логический вход 2 микросхемы DD1на землю, тем самым подавая на вход 2 логический ноль.

Внешний модуль передачи данных в компьютер, показан на рис.6.
Собран на преобразователе уровней MAX232, который поднимает уровень сигнала микроконтроллера до 12В, нужный для работы интерфейса RS232.
Питается этот модуль от U+/U- 5В, от источника дозиметра, так что его нужно подключать только когда это нужно, для экономии тока потребления.

Взаимозаменяемые узлы:
1)А1, Преобразователь постоянного напряжения, можно заменить на любой другой аналогичный, или вовсе обойтись без него, поставив обыкновенный стабилизатор напряжения типа ЕН5, но при этом напряжение батареи увеличить с 5-9В.
2)Блокинг-генератор, можно взять сразу на 400в, при этом умножитель не нужен, нужен будет выпрямительный диод, и накопительный конденсатор.

Необязательные узлы:
Это узлы, которые не влияют на результат измерения радиации, к ним относятся:
1. Свето-акустический узел индикации
2. Аналого-цифровой преобразователь
3. Узел заряда аккумулятора.
4. Узел подсветки ЖК модуля, R12-13, VT4.
5. Внешний модуль передачи данных в компьютер

Конструкция устройства:
Трансформатор Т1 блокинг-генератора наматывают на ферритовом кольце марки М3000МН 16х10х5 мм.(или импортное уже скруглённое и покрытое лаком кольцо типа B64290-L743-X83, размером 16х9х5.) острые и ребра кольца заглаживают наждачной бумагой и весь сердечник обматывают тонкой фторопластовой или лавсановой лентой.
Сначала наматывают обмотку I, она содержит 300 витков провода ПЭВ-2 0,07. Намотку ведут в одну сторону, почти виток к витку, оставляя между ее началом и концом «зазор» 1…1.5 мм. Обмотку I также покрывают слоем изоляции. Далее наматывают обмотку II — 5 витков провода ПЭВШО 0,15…0,2 стараясь растянуть все витки по всей окружности кольца- делают отвод и продолжают наматывать обмотку III — 2 витка того же провода- стараясь также растянуть их как можно равномернее по окружности кольца. Эти обмотки должны быть распределены по сердечнику возможно равномернее рис7.

Корпус например G939B(авторский вариант), или другой подходящий.
Нужно вырезать в нем по мимо отверстий для экрана и кнопок, отверстие в низу корпуса, прямо под детекторной камерой, чтобы СГ смотрели вниз, но нужно придумать защиту от механического повреждения СГ, для этого берём тонкую пластинку пластмассы, сверлим в ней много отверстий, и приклеиваем её на дно, можно взять и мелкую сетку.
Разъем для передачи в ПК, можно взять от плеера(3х выводной).

Настройка:
1. Настраиваем контрастность дисплея резистором R14, R13-яркость подсветки до наилучшего результата.
2. Блокинг-генератор, для начала правый по схеме вывод резистора R2 присоединяем к участку схемы +5в (кт2). Затем подключаем осциллограф к коллектору VT1 должна наблюдаться генерация, если нет генерации следует поменять местами концы обмотки 3.
3. Громкость и тональность акустических сигналов ЗПшки, настраивается резистором R8.

Прошивка микроконтроллера:
Для записи программы в контроллер необходимо:
1)Подпаять к МК, выводы с программатора, как на рис.8.

2. Стереть EEPROM/ FLASH память.
3. Записать gamma3_м2.eep в память EEPROM.
4. Записать gamma3_м2.hex в память FLASH.
Микроконтроллер настроен на работу внешнего кварцевого резонатора, настройка фузов показана на .9.