В радиометре используется счетчик Гейгера-Мюллера СБМ20. Обработка данных замеров и вывод на индикацию осуществляется микроконтроллером (МК) AT90S2313. Для индикации применен жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) с встроенным контроллером ИЖЦ80-4/8.

Основное отличие данной конструкции от других - измеряется период импульсов с датчика ионизирующего излучения, а не частота этих импульсов, что уменьшает время измерения.

 

Основные технические характеристики
Диапазон измеряемых значений мощности дозы излучения
 5...999 мкР/ч
Количество импульсов с датчика для измерения 10...50 с шагом 10
Рабочая температура -10...+45 °С
Напряжение питания 4,3...5,5В
Потребляемый ток (при напряжении питания 5 В и фоновом уровне излучения) < 20мА

 

Принципиальная схема.

радиометр - принципиальная схема

 

Описание работы прибора.

Радиометр состоит из следующих узлов:

Формирователь напряжения питания счетчика Гейгера создает высокое (450 В) отрицательное напряжение питания, поступающее через резистор R2 на счетчик Гейгера, подключенный к контактам BG1+ и BG1-. Когда счетчик Гейгера находится в непроводящем состоянии, на входе запуска /TRIG таймера IC2 присутствует уровень напряжения около 5 В через резисторы R3 и R4 . При фиксировании частицы счетчик становится проводящим, в точке соединения элементов D3, D4, R4 создается отрицательный импульс напряжения уровнем -0,6 В , поступающий на вывод /TRIG таймера IC2 и запускающий таймер. Таймер, сконфигурированный как одновибратор, формирует прямоугольный импульс фиксированной длительности, поступающий на вход прерывания INT0 МК IC1.

МК IC1 опрашивает кнопку переключения количества измеряемых импульсов (выводы SW1, SW2), формирует сигнал модуляции ЖКИ и выводит на ЖКИ результаты измерений и вспомогательную информацию.
При каждом импульсе прерывания МК согласно своей программе измеряет период следования импульсов с помощью внутреннего таймера T1, помещает результат замера в массив, сдвигает элементы в массиве, вычисляет среднее арифметическое от заданного количества последних замеренных периодов, вычисляет значение мощности и выводит вычисленное значение мощности дозы на ЖКИ.

Монитор питания IC3 блокирует работу МК при снижении напряжения питания ниже 4,2 В.

 

Вычисление мощности дозы.

У счетчика Гейгера СБМ20 число импульсов за 40 секунд численно равно мощности дозы в мкР/ч. , частота импульсов будет 14/40 = 0,35 Гц, а период - 2,857 с.

При тактовой частоте МК 4 МГц и предделении на 1024 частота на входе таймера T1 будет около 3906 Гц и за период 2,857 с. таймер Т1 сосчитает около 11160 импульсов, соответствующих мощности 14 мкР/ч.

Постоянная, которую следует делить на период импульсов счетчика Гейгера (или на среднее арифметическое нескольких замеренных периодов) для вычисления значения мощности дозы, равна 14 * 11160 = 156240.

Вычисления по формуле МОЩНОСТЬ = 156240/СЧЕТЧИК реализуются программой МК.

 

Конструкция и компоненты.

Печатная плата разработана под готовый корпус типа Z-34A с батарейным отсеком и окном для индикатора. После травления плату надо обрезать по внешнему краю шины "земли".

радиометр - печатная плата 

Трансформатор TV1 намотан на каркасе EF12,6 с восемью выводами и магнитопроводом Ш5х5 М2000НМ. Обмотка 1-2 содержит 500 витков провода ПЭЛ-0,07; обмотка 5-6 - 10 витков провода ПЭЛ-0,35; обмотка 7-8 - 9 витков провода ПЭЛ-0,17. Межобмоточная изоляция обязательна, также желательно пропитать или хотя бы покрыть катушку трансформатора подходящим изоляционным лаком или компаундом. Необходимо внимательно следить за направлением намотки обмоток.

Конденсаторы C4 и C5 - на напряжение не ниже 1 кВ, диоды D1 и D2 - на обратное напряжение не ниже 1 кВ. IC3 и R5 можно не устанавливать, а разделительные резисторы 330 Ом можно заменить перемычками.

На провода для подключения счетчика Гейгера желательно одеть дополнительные изолирующие трубки.

Микросхему IC2 типа ICM7555 можно заменить на TLC555 или на другую с КМОП-структурой. Возможность применения NE555 или КР1006ВИ1 не проверялась (возможно, мощности импульса от счетчика Гейгера не хватит для уверенного запуска одновибратора; также увеличится потребляемый ток).

Выделенного разъема для программирования МК на плате не предусмотрено, подключать программатор для низковольтного программирования по последовательному каналу можно прямо к выводам МК.

Выключатель питания и кнопка переключения количества периодов замеров закреплены на корпусе прибора.

ЖКИ подключается гибкими проводами к выводам платы F1, F2, G, CLK, DATA, G1, RES, ECC, WR.

Желательно для уменьшения высоты платы использовать комплектующие с минимальной высотой над поверхностью платы, а со стороны пайки оставлять выводы минимальной длины. После монтажа печатную плату ЖКИ и радиометра желательно покрыть изоляционным лаком.

При установке в корпус окно корпуса для индикатора заклеивается пленкой для печати на лазерном принтере, на которой напечатана черная рамка. Рамка желательна, так как окно в корпусе больше цифрового поля ЖКИ и без нее видны края платы ЖКИ. Пленку можно дополнить оргстеклом минимально возможной толщины, так как корпус тонкий и все может не поместиться.

Затем в корпус устанавливается ЖКИ и фиксируется термоклеем. От платы ЖКИ предварительно надо отрезать со стороны выводов часть шириной 6-7 мм., мешающую установке. Затем устанавливается изолирующая прокладка из листовой резины толщиной 2 мм. , а на нее - плата радиометра.

Счетчик Гейгера устанавливается в подходящую для него часть корпуса. В задней крышке корпуса вырезаются отверстия для выключателя питания и кнопки переключения количества импульсов. Кнопку и выключатель надо применить минимальных размеров и разместить их так, чтоб они не соприкасались с печатной платой. Для этого отверстия под них надо вырезать со стороны поля для преобразователя питания, а сам преобразователь выполнить минимальных размеров и сместить его к центру платы.

 

Внешний вид в сборе и со снятой задней крышкой.

радиометр - корпус радиометр - корпус

 

Электропитание радиометра.

При напряжении питания 5 В радиометр потребляет ток около 20 мА, для нормальной работы напряжение питания должно быть в пределах 4,7...5,3 В. Такое напряжение и ток питания можно обеспечить линейным стабилизатором и батареей на 9 В типоразмера 6F22. Но емкость подобных батарей невелика, КПД линейного стабилизатора невысокий, из-за чего время работы от батареи будет небольшим. Поэтому лучше применить два элемента типоразмера АА и повышающий преобразователь. Так как микросхем преобразователей много, то было решено оставить место на основной плате для схемы питания для возможности применить доступные компоненты.

Для питания радиометра изготовлен повышающий стабилизатор на микросхеме фирмы Microchip TC125501ECT.

радиометр - питание радиометр - питание


Конденсатор C1 обязательно установить, несмотря на то, что в документации по данной микросхеме он не требуется. Экспериментально выявлено, что без этого конденсатора стабилизатор работает неустойчиво.

Дроссель L1 - на кольце К10х6х4 (марка феррита неизвестна, применен сердечник от импульсных трансформаторов МИТ) 80 витков провода ПЭЛ-0,35.

Данный преобразователь работает от минимального входного напряжения 1,25 В с КПД не менее 0,75 . При входном напряжении 2...3 В КПД составляет 0,84...0,91.

При попытке применения малогабаритного (размером с резистор МЛТ-0,5) дросселя на 100 мкГн вместо вышеописанного параметры стабилизатора резко ухудшаются: минимальное входное напряжение становится 1,7 В при КПД 0,55 , а максимальный КПД - не выше 0,75.

 

Инструкция по эксплуатации.

После включения питания соответствующим переключателем прибор начинает отсчет количества импульсов и заполнение массива результатами замеров их периодов. В это время на индикаторе в двух старших разрядах отображаются сегменты G: "- -" , а в двух младших - количество замеренных периодов. Когда это количество достигнет заданного, сегменты G "- -" в старших разрядах погаснут и прибор начнет индицировать значение мощности, вычисленное на основе последних замеренных периодов.

По умолчанию для вычислений используется 10 периодов. Это обеспечивает небольшое время измерения, но невысокую точность. Для изменения количества периодов для измерения следует нажимать соответствующую кнопку. При этом на индикаторе будет отображаться выбранное количество. Предусмотрена возможность выбирать это количество от 10 до 50 с шагом 10. Через 2 секунды после отпускания кнопки начнется новый цикл заполнения массива, а предыдущие замеры учитываться не будут.

 

 радиометр - HELP 

В случае превышения мощности выше 999 мкР/ч на индикатор будет выведено сообщение "HELP" .

Скачать схемы и чертежи плат (в формате CAD Eagle), изображения плат для печати (PostScript), исходные тексты (на С для avr-gcc/winavr) и прошивку МК в одном архиве.

 

Возможные доработки.

Уже после сборки радиометра появилась идея добавить индикатор малого напряжения питания. Для этого необходимо последовательно с резистором R5 установить светодиод. Тогда при срабатывании монитора питания IC3 светодиод будет светиться. Желательно пприменить светодиод с максимально возможной яркостью при малом (500 мкА) токе или уменьшить до 3,3 ... 4,7 кОм сопротивление резистора R5 .

 

Created: 2006.01.11

SQL queries: 0, SQL time: 0.0052 s, PHP time: 0.0702 s, page time: 0.0754 s, page source: cache