Azotirovanie.ru

Инженерные системы и решения
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Самодельный счётчик Гейгера на ESP8266 с сенсорным экраном

Самодельный счётчик Гейгера на ESP8266 с сенсорным экраном

Я разработал и собрал счётчик Гейгера – устройство, способное обнаруживать ионизирующее излучение и предупреждать об опасных уровнях радиации в окружающей среде знакомыми щелчками. Его также можно использовать для поиска минералов, и определять, есть ли в найденном вами камне урановая руда!

В интернете можно найти много готовых наборов и инструкций по сборке счётчика Гейгера, но я хотел сделать нечто уникальное – и я разработал GUI-дисплей с сенсорным управлением и красивым выводом информации на экран.

Шаг 1: базовая теория

Принцип работы счётчика Гейгера прост. Тонкостенная трубка с газом при низком давлении внутри (трубка Гейгера-Мюллера) подвергается действию тока высокого напряжения. Создаваемого электрического поля недостаточно для диэлектрического пробоя, поэтому ток через трубку не течёт – до тех пор, пока фотон ионизирующего излучения не пройдёт через неё.

Когда сквозь трубку проходит бета- или гамма-излучение, оно может ионизировать часть молекул газа внутри, что приводит к появлению свободных электронов и положительных ионов. Частицы начинают двигаться под воздействием электрического поля, и электроны набирают достаточно скорости, чтобы начать ионизировать другие молекулы, что приводит к каскаду заряженных частиц, которые на короткое время начинают проводить ток. Этот краткий импульс тока можно зарегистрировать при помощи приведённой схемы, которая создаёт щёлкающий звук, или, как в данном случае, передаёт информацию в микроконтроллер, который может проводить вычисления с этими данными.

Я использую трубку Гейгера-Мюллера SBM-20, поскольку её легко найти на eBay, и она достаточно чувствительна к бета- и гамма-излучению.

Шаг 2: запчасти и сборка

В качестве мозга проекта я использовал плату NodeMCU с микроконтроллером ESP8266. Мне хотелось взять то, что можно программировать как Arduino, и что будет достаточно быстрым, чтобы отрисовывать изображение на экране без задержек.

Для подачи высокого напряжения я использовал трансформатор с Aliexpress – он подаёт 400 В на трубку Гейгера-Мюллера. Учитывайте, что при проверке выходного напряжения его не получится измерять мультиметром напрямую – при слишком малом импедансе напряжение будет падать, и показания будут неточными. Сделайте делитель напряжения с сопротивлением не менее 100 МОм последовательно с мультиметром.

Питается устройство от аккумулятора формата 18650, через ещё один трансформатор, подающий стабильные 4,2 В на оставшуюся схему.

Вот список всех необходимых компонентов:

  • SBM-20 GM трубка (ищите на eBay).
  • Высоковольтный трансформатор (AliExpress).
  • Трансформатор для 4,2В (AliExpress).
  • Плата NodeMCU esp8266 (Amazon).
  • 2.8″ SPI сенсорный экран (Amazon).
  • 18650 батарейка (Amazon) или любая LiPo батарейка на 3,7 В (500+ mAh).
  • 18650 держатель для батарейки (Amazon). Этот держатель оказался великоват для платы, и мне пришлось загнуть контакты внутрь. Рекомендую взять батарейку LiPo поменьше, и припаять провода от разъёма JST к контактам для питания на плате.
  • Резисторы на 330, 1K, 10K, 22K, 100K, 1,8M, 3M Ом. Для создания делителя напряжения также потребуются резисторы на 10 МОм.
  • Конденсаторы: 220 пФ.
  • Транзисторы: 2N3904.
  • Светодиод 3 мм.
  • Пищалка: любой пьезоэлемент на 12-17 мм.
  • Держатель для предохранителя 6,5 х 32 (для надёжного крепления трубки).
  • Выключатель 12 мм.

Плату делать необязательно, но с ней сборка схемы становится проще и аккуратнее. Файлы Gerber для производства платы я также выложил на GitHub. После того, как я получил готовую плату, я сделал несколько исправлений в схеме, поэтому дополнительные джамперы в новой схеме не нужны – хотя я её не проверял.

Читайте так же:
Счетчик с модулем лора

Корпус распечатан на 3D-принтере из пластика PLA, их можно скачать здесь. Я подправил CAD-файлы, добавив отверстия для крепления новой платы. Всё должно работать, хотя я это не проверял.

Шаг 3: код и интерфейс пользователя

Для создания интерфейса дисплея я использовал библиотеку Adafruit GFX. Код выложен на GitHub.

Главная страница интерфейса показывает текущую дозу, количество срабатываний в минуту и общую накопленную дозу с момента включения устройства. Пользователь может переключаться между быстрым и медленным суммированием, меняя интервал подсчёта промежуточных сумм с 3 до 60 секунд. Пищалку и светодиод можно включать и выключать отдельно.

Есть меню базовых настроек, позволяющее пользователю менять единицы измерения дозы, порог предупреждения и фактор калибровки, соотносящий количество срабатываний в минуту и мощность дозы излучения. Все настройки сохраняются в EEPROM, и восстанавливаются после перезапуска.

Шаг 4: проверка и заключение

Счётчик Гейгера срабатывает 15-30 раз в минуту от естественного фонового излучения, чего и следует ожидать от трубки SBM-20. Небольшой образец урановой руды регистрируется как средне радиоактивный, в районе 400 щелчков в минуту, а ториевая лампа может заставить счётчик регистрировать по 5000 щелчков в минуту, если держать его вплотную к ней!

Счётчик потребляет 180 мА при 3,7 В, поэтому батарейки на 2000 мАч должно хватить примерно на 11 часов.

Я планирую точно откалибровать трубку на стандартном источнике из цезия-137, что сделает показания более точными. В качестве будущих улучшений можно добавить поддержку WiFi и запись данных, поскольку у ESP8266 есть встроенный WiFi.

Вещь. Счетчик Гейгера для смартфона

Favorite В закладки

Вещь. Счетчик Гейгера для смартфона

С чем ассоциируется у вас лето? Солнце, пляжи, активные игры? Или, может быть, «тихая охота» и сбор ягод?

Как бы то ни было, многие из нас приобретают грибы и фрукты на рынке, у бабушек перед магазинами или прямо на трассах во время поездок.

Почему бы и нет? Свежее, только из леса/с дачи, природное-полезное.

Вот только радиоактивных зон в России такое количество, что всех не упомнишь: Часто именно на них отлично растут грибы и разнообразные полезные растения.

Так что без счетчика Гейгера нам, гикам-параноикам, никуда.

Помочь с приобретением датчика могут наши китайские друзья: например, здесь в одном лоте собраны сразу все наиболее популярные варианты доступного счетчика Гейгера, использующего в роли экрана смартфон.

Так намного дешевле полноценного лабораторного прибора.

Самый простой вариант FSG-001-Basic позволяет определять радиацию в диапазоне 0,1-200 мкЗв/ч.

Жаль, точность этой 6-граммовой приставки для мини-джека оставляет желать лучшего.

Наличие фона определит, величину — с очень большой погрешностью.

Для работы используются довольно простые приложения Smart Geiger counter и Smart Checker, доступные в Google Play и App Store.

Более продвинутый датчик Geiger Counter Pro-SGP-001 имеет увеличенный диапазон до 0,05-200 мкЗв/ч измерений и повышенную точность.

Как и предшественник, использует для подключения мини-джек смартфона под управлением iOS или Android.

Этот прибор за счет точности поможет определиться — стоит ли приобретать фрукты на рынке, или оставить их владельцу.

Все же, природный фон никуда не деть. И не всегда наличие радиации критично.

Читайте так же:
Как подсоединить распределительную коробку с счетчиками

Работает с мультиязычным приложением Smart Geiger Pro (Google Play, App Store): тут и шкала наглядная, и сохранения есть, и время работы учитывается.

Наконец, беспроводной счетчик Гейгера BSG-001-Bluetooth с точностью 0,1-200 мкЗв/ч пригодится в прогулках по незнакомой местности.

Устройство подключается по Bluetooth, передавая данные на 10 метров. Правда, если iPhone подходят любые, то Android должен быть не свежее версии 8.0.

Чувствительность гаджета позволяет распознавать наличие радиоактивного фона с максимальным определяемым значением за 50 метров.

Точность этой версии выше, но вряд ли лучше 10-25%: подойдет только в любительских целях.

Стоит обратить внимание на приложение: Wireless Smart Geiger (Google Play, App Store) больше подходит для аналитических и походных задач.

Чем выше точность, тем дороже устройство. Так что стоит обдумать свои задачи.

FSG-001-Basic обойдется 2424 рублей. Pro-SGP-001 стоит уже 4441 рублей. За самый продвинутый BSG-001 придется отдать 5138 рублей.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА – СХЕМА И ПЛАТА

Этот проект представляет собой простой счетчик Гейгера, который обнаружит бета-частицы и гамма-лучи. Индикация динамиком, который воспроизводит один щелчок для каждого счета. С добавлением схемы частотомера можно видеть количество микрорентген в секунду. Звуковая версия схемы очень полезна для идентификации радиоактивных предметов, таких как часы со светящимися циферблатами. Схема дозиметра очень экономична и обеспечивает много часов работы от одной 9 В батареи Крона.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

Предполагалось, что будет установлен счетчик Гейгера типа DOI-80, так как устройство должно было иметь минимальное энергопотребление и быть как можно более дешевым. Схема потребляет минимальный ток и преобразователь работает на частоте 50 кГц. Измеритель радиации характеризуется наличием дешевых элементов – можно купить их в любом магазине электроники.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

Схема самодельного счетчика Гейгера

Давайте перейдем к принципиальной схеме:

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

Основой является двухтактный преобразователь, приводимый в действие генератором на основе вентилей NAND. Рабочая частота около 50 кГц поступает на 2 транзистора. К коллекторам транзисторов включается трансформатор.

Генератор управляется операционным усилителем U2A, который измеряет выходное напряжение инвертора. Если оно превышает установленное значение, низкий уровень будет подаваться на вход 13 логического элемента U1D и вход 5 U1B. Генератор остановится и оба транзистора отключатся. Это условие будет поддерживаться до тех пор, пока выходное напряжение не упадет примерно на 20 В ниже уровня, отключающего инвертор.

На практике генератор инвертора отключается в течение большей части времени и начинает лишь периодически перезаряжать выходной конденсатор высокого напряжения. Примерная осциллограмма переключения напряжения на генераторе далее:

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

В схеме имеется три линии напряжения:

  1. Напряжение питания, питающее преобразователь и операционные усилители, это напряжение может быть любым в диапазоне 4 – 15 В.
  2. Напряжение +3,3 В от стабилизатора LP2950 (можно использовать любой другой на 3,3 В с низким потреблением мощности) является опорным напряжением для операционного усилителя U2A. В связи с использованием +3,3 В для питания цифровой части, микросхемы TTL должны быть серии HC (напряжение питания 2-6 В). Они характеризуются низким энергопотреблением.
  3. Напряжение 490 В от преобразователя и умножителя, питающее счетчик Гейгера и схему делителей напряжения R2, R3, R4. Чтобы еще больше снизить энергопотребление, этот отдел может быть переработан с использованием в 5 раз более высоких сопротивлений. Входное сопротивление U2A настолько велико, что оно не будет нагружать такой делитель. Выходное напряжение регулируется потенциометром R4.
Читайте так же:
Сроки годности счетчиков по воде

Сигнал от счетчика Гейгера формируется операционным усилителем U2B и подается на моностабильный триггер U4A, а затем выходной импульс триггера управляет громкоговорителем.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

Используемые интегральные микросхемы имеют очень низкое энергопотребление (порядка микроампер), поэтому ток от источника питания, в основном является результатом работы преобразователя. Удалось достичь потребления 1 мА от батареи 9 В с фоновым излучением (и 2-3 мА при приближении к радиоактивному элементу).

Советы по сборке дозиметра

Конденсаторы C2, C5, C6 должны иметь минимальное рабочее напряжение 600 В. Конденсатор С6 должен быть 22-220 нФ.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

Трансформатор наматывался на сердечник F2001, L9, 4.0, AL400. Первичная обмотка 2×70 витков проводом 0,15 мм, вторичная 2000 витков тем же проводом. Это оптимально для батареи 9 В. Если используется более низкое напряжение питания или прибор требует напряжения выше 500 В, может потребоваться намотка большего количества витков на вторичной стороне.

Если получается, можете намотать 3000 витков, потому что выходное напряжение в любом случае контролируется. Проволока может быть наименьшей доступной толщины. В трансформаторе выбран зазор так, чтобы потребляемый ток был как можно ниже (минимум выходил при зазоре около 0,5 мм). Меньший и больший зазор вызывал большее потребление тока.

Вторая версия схемы дозиметра

В ещё одной версии счётчика Гейгера исключен стабилизатор 3,3 В, используя цепи CMOS серии 4000, которые имеют широкий диапазон рабочих напряжений, потребляя меньше тока чем 74HCT. Необходимый вольтаж теперь обеспечивает автоматически LM385, с током около 10 мкА.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

Решено не использовать микросхему 555 в CMOS-версии в качестве моностабильного триггера, поскольку она потребляет больше тока, чем 4098, и, кроме того, в стабильном состоянии замыкает резистор в ветви RC на землю, что дополнительно вызывает протекание ненужного тока.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

Под операционный усилитель, измеряющий +490 В использовался программируемый чип LM4250, потому что он дешев и доступен, можем установить потребляемую мощность (резистор R7) на очень маленькое значение – гораздо меньше, чем другие известные операционные усилители.

LM4250 работает как операционный усилитель, в котором потребление тока определяется R7. Если вы используете другой усилитель, не паяйте его. Все синхронизирующие конденсаторы также были уменьшены до минимума, чтобы минимизировать токи перезарядки.

Что касается детекторов – счетчиков радиации, существует много типов, например, STS-5, DOB-50, DOB-80, DOI-30, DOI-80, даже отечественный СБМ-2.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

Счетчики Гейгера, в зависимости от конструкции, должны питаться напряжением 200-1000 В. Лучше всего подавать на него более высокое напряжение и следить за количеством импульсов. Но если происходит резкое увеличение количества импульсов, уменьшите напряжение примерно на 50 В – и при таком напряжении прибор должен работать. С резистором, который соответствует лампе, лучше не опускаться ниже 2,2 МОм. Предпочтительно 4,7 или 5,6 мегаом. Счетчики Гейгера не любят перегружаться, они от этого изнашиваются.

СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА - СХЕМА И ПЛАТА

Потребляемая мощность импульсная, импульс 4 мс 30 мА каждые 1,2 с. В оставшийся период потребляемый ток не превышает 150 мкА. Среднее не превышает 400 мкА. В этом случае батарея на 9 В должна работать в течение месяца даже непрерывной работы. А тут можете скачать файлы

Обзоры товаров с Алиэкспресс

Товары из Китая с Aliexpress. Фото, обзоры посылок, отзывы о товарах и другая полезная информация о покупках с Али

Поиск обзоров

Мои покупки

Как выбирать размер

Страницы сайта

Топ-5 популярных

Корзина

Счетчик Гейгера (дозиметр) гамма излучения для смартфона (IOS и Android) FT01

ChinaTested

Читайте так же:
Схема подключения счетчика меркурий через трансформатор напряжения

Хотите иметь персональный дозиметр всегда под рукой? Вот вам решение — миниатюрный счетчик Гейгера Geiger Smart Lab.

Поднакопил я деньжат и таки купил вещь далеко не первой необходимости — счетчик Гейгера для смартфона. Меня жутко мучил вопрос — как такое возможно? Как может работать такой малюпасенький девайс да еще и со смартфоном, да еще и что-то измерять?

На странице продавана всё красиво расписано, фотки, характеристики, уровни допустимой дозы излучения и т.п.

Сделал заказ на Алиэкспресс, и вот пришла посылка со счетчиком

Посылка с Алиэкспресс

Посылка с Алиэкспресс счетчик Geiger

Почему-то колпачок идет отдельно от прибора. Счетчик Гейгер упакован в приличную такую пластиковую коробочку. Упаковка качественная. Претензий никаких.

Счетчик Гейгера (дозиметр) гамма излучения

На обратной стороне коробки описание какой крутой девайс и как просто им пользоваться.

Инструкция Smart Geiger

На самом деле, счетчик Гейгера представляет собой небольшой алюминиевый цилиндр диаметром 10мм и длиной 47мм (включая штекер).

Сам счетчик Geiger Smart Lab

Сам счетчик Geiger Smart Lab

На колпачке есть колечко. Предполагается, что этот гаджет нужно носить с собой, чтобы всегда был под рукой, а точнее в качестве брелока на ключах. Вес счетчика практически незаметен — 6 грамм.

В случае малейших сомнений — раз, и померил уровень радиации.

Geiger Smart Lab

Изучаем возможности этого Гейгера.

характеристики счетчика

Диапазон измерений достаточно широкий, но вот заявленная погрешность в +- 15% великовата. С такой погрешностью это не измеритель, а индикатор скорее. Ну да ладно, запустим в работу.

Поскольку у меня Android, то в Google Play забиваем в поиск FTLAB и первым пунктом выдает приложение Smart Geiger.

Устанавливаем, втыкаем счетчик в разъем для наушников и видим, что все сети отключились.

Фишка в том, что не должно быть ничего, что дает электромагнитное излучение. В смартфоне автоматически отключаются WiFi и GSM передатчики. (If you want to accurate result Enable Airplane Mode(WiFi & Data Off) & off the Music).

Немножко физики расскажу, в сильно упрощенном виде, на пальцах.

Этот счетчик оборудован полупроводниковым счетчиком Гейгера (полупроводниковым детектором), который, по идее, обладает хорошей чувствительностью. Все знают обычный счетчик Гейгера — цилиндр с электродами, наполненный газом. Частица излучения, проходя в среде газа, ионизирует его, и счетчик регистрирует импульс.

В полупроводниковом детекторе тоже есть своеобразные электроды, а роль газа выполняет специальная зона, в которой нет свободных носителей заряда. И когда наша зловредная частица гамма-излучения попадает в эту область, появляется импульс тока, по которому можно судить о количестве и энергии частиц.

Что ж, пришло время проверить точность измерений этого чудо-счетчика.

Я взял поверенный дозиметр-радиометр РКС-107 и произвел три измерения одновременно двумя устройствами.

Результаты на фото:

Тестовые измерения Счетчика Гейгера

Тестовые измерения Счетчика Гейгера 22

Тестовые измерения Счетчика Гейгера 2

Как видите, РКС-107 показывает среднее значение (0,17+0,12+0,16)/3=0,15мкЗв/ч. Примем эти показания за эталонные (другого эталона все равно нету). Да и фон в среднем 0,11-0,16мкЗв/ч.

А наш счетчик Гейгера упорно показывает 0,10мкЗв/ч.

Если учесть заявленную производителем погрешность, то это диапазон 0,115 — 0,085мкЗв/ч.

Выходит, врет приборчик, причем с погрешностью минимум в 50%.

К сожалению, ничего радиоактивного в пределах моей досягаемости не было, поэтому проверить показания прибора при больших значениях не представилось возможным.

Хотя, в интернетах пишут, что в прошлом веке при изготовлении разноцветной эмали, для усиления яркости краски использовали окиси урана. Этой эмалью покрывали керамическую посуду или украшения. Так же пишут про опасные стройматериалы, драгоценные камни, светящиеся стрелки часов. Но таких вещей не нашлось тоже.

Читайте так же:
Счетчик купюр cassida 5550

В будущем, статья будет дополнена экспериментом, если я найду что-либо превышающее фон.

Достоинства: Миниатюрный. Легкий. Всегда под рукой.

Недостатки: сомнения в правильности показаний. В смартфоне отключаются все сети на время измерений.

ESP, IoT Счетчик Гейгера с GPS, выводом на MQTT брокер и/или Народный Мониторинг.

Из китайского комплекта создал простое устройство для мониторинга уровня радиации.

1586441764763.png

1586802488213.png

Суть его — передача данных на любой агрегатор умного дома (OpenHab, Domoticz, etc), что принимает данные по протоколу mqtt.

Одна неделя на даче и в городе, чет неуютно:

1587551808475.png

Устройство состоит из:
1. Указанного выше счетчика Гейгера.
2. Очень странной платы ESP32.

1586444205565.png

3. I2C двустрочного дисплея. Подойдут абсолютно любые от наших восточных братьев.
4. (Для этой моей неудачной ESP32) любой подходящий стабилизатор напряжения. Если берем нормальную еспшку — стабилизатор не нужен, об этом чуть позже.
Провода, разъемы, платы для пайки, корпус — по вкусу.

Пару слов о выборе МК. Не слишком вдаваясь в детали, заказал десяток плат недорого и не заметил, что на плате не наблюдается приличного стабилизатора.
По прибытии плат успешно прошил их, загрузил скриптик, попытался завести в сетку и получил ошибку, которую никогда не встречал. Недолгое гугление показало целый ворох причин, среди которых не первой значилась недостаток питания. Трехвольтовый стабилизатор, напаянный прямо на еспшку, решил все проблемы. По сей причине, любви у меня к модулю не возникло и решил разогнать его по разным малополезным устройствам, типа этого.

Что касается желающих повторить, годится любой модуль ESP32 с нормальным стабилизатором. Можно делать устройство и на ESP-8266, но модуль дисплея и кое-что про wifi придется править.

1586371811775.png

Перечень ног:
26
— SDA Дисплея
27 — SCL Дисплея
18 — Счетчик Гейгера.

Питание:
На счетчик Гейгера подавать 5 вольт.
На дисплей подавать — зависит от вашего дисплея! В моем случае 3.3 вольта, но так не обязательно у вас.

Код устройства, в целом, элементарный, несколько слов об общей логике.
Устройство просто считает количество "щелчков", что прилетают с платы счетчика Гейгера в течение одной минуты, отнимает число 12 и отправляет на брокер.
12 = собственный фон 0,2 импульса в секунду (даташит) х 60 секунд.

Из этого получается указанный выше график.
Устройство, также, имеет кольцевой буфер, где усредняются значения со счетчика, эти данные выводятся на дисплей.
Полагаю, на дисплее лучше видеть усредненное значение, ибо как бы там ни было, мы на него постоянно не пялимся, а в агрегаторе удобнее иметь мгновенные значения в виде графика.
Ниже видна работа кольцевого фильтра. в 20 часов фильтр был выключен:

radiarion02.jpg

На брокер идет и полученное значение, и усредненное и еще много чего.
Также устройство может по команде от брокера переходить в режим программирования по сети, что позволяет реализовывать любые замыслы, что-то подправлять в коде, etc.

Код устройства написан на языке Lua, который позволяет неучам без специального образования и со средним соображением, к коим я отношусь, делать проекты самостоятельно.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector