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Mehrkanal Datalogger
zur Beobachtung der radioaktiven Strahlung in meiner Umgebung

Auf dieser WEB-Seite beschreibe ich grundliegende Komponenten eines Systems für radioaktive Strahlenmessung.

Ein neuer Datalogger im Eigenbau soll Radioaktivität in der Umgebungsluft registrieren und Messwerte zur Anzeige bringen. Auch sollen Messdaten in einem Messwertspeicher laufend aufgezeichnet werden und können an einen PC übertragen werden. Die Idee dazu ist mir gekommen, nachdem im Jahreswechsel 2011/2012 eines meiner Alpha-Sensoren plötzlich und unerwartet auffällige Werte angezeigt hatte.  Vermutlich sind in Sylvesterfeuerwerkskörpern von Kalium verschiedene radioaktive Stoffe enthalten, die in die Luft geraten und zum ansprechen meines Alpha-Sensors geführt hatten. Daraufhin wurde mir klar : Umweltverschmutzern nachhaltig auf die Spur kommen ist allein mittels Beobachtung des Gamma-Hintergrundes nur teilweise möglich.  Der kleine Gamma-Scout, den ich jahrelang zur
Beobachtung der Radioaktivität meiner Umgebung
an meinem Balkonfenster hängen habe, ist weder empfindlich genug für Alpha-Strahlung noch empfindlich genug für Beta-Strahlung. Es soll nun eine aufwändige aber kostengünstige Sensorik entstehen, welche alle drei Strahlungsarten, Alpha, Beta und Gamma tatsächlich auch empfindlich registriert.

Hier entsteht eine Bauanleitung für einen Mehrkanal Datalogger, mit welchem Messwerte der radioaktiven Strahlung dokumentiert werden können. Es sind 4 Kanäle für Impulszählung vorgesehen. Optional zwei weitere Kanäle für Impulshöhenmessung mittels A/D-Wandler . Impulse auf Kanal 1 und Kanal 2 kommen von einem Alphasensor. Impulse auf Kanal 3 werden von einem Geiger-Müller Zähler abgeleitet. Die Sondentypen sind so gewählt, das drei Strahlungsarten (Alpha, Beta, Gamma) detektiert werden. Die ersten drei Kanäle sind wie folgt belegt. Auf Kanal 1 und Kanal 2 sollen Impulse gezählt werden, die von einer Alpha-Sonde kommen.  Es soll dabei die Impulshöhe mittels eines Diskriminators ausgewertet werden. Auf Kanal 1 ist vorgesehen, das nur sehr hohe Impulse von der Alpha-Sonde kommend registriert werden, während auf Kanal 2 praktisch alle Impulse der Alpha-Sonde gezählt werden, welche sich vom Signalrauschen abheben.  Auf Kanal 3 sollen dann zusätzlich auch Impulse gezählt werden, die ein Geiger-Müller-Zählrohr liefert. Auf Kanal 4 werden die Impulse von der Ram63 Beta-Gamma-Sonde gezählt . Weitere zwei Kanäle sind optional für Impulshöhenmessung (Spektrometrie) vorgesehen.  Ich gehe davon aus, das ich allein für den  Ausbau der ersten vier Kanäle ein bis zwei Jahre benötige. Diese WEB-Seite wird in unregelmässigen Zeitabständen dann aktualisiert.

	Kanal 1 (X)	Kanal 2 (Y)	Kanal 3	Kanal 4
gemessen wird	Impulsrate	Impulsrate	Impulsrate	Impulsrate
Methode	Zähler	Zähler	Zähler	Zähler
Foto von der eingesetzten Sonde			oder SBM20 Geiger-Müller Zählrohr
Sondentyp, Bezeichnung	Ram63- Alpha-Sonde	von der Ram63- Alpha-Sonde (Kanal 1) abgeleitetes Signal	YB-Mini-Monitor z.b. YBMM04 (alternativ :  ein oder mehrere SBM20 Geiger-Müller-Zählrohre)	Ram63- Beta-Gamma-Sonde
detektierte Strahlungsart	Alpha	Alpha	Beta, Gamma	Gamma (mit aufgesetzter Kappe)

optional zwei weitere Kanäle

	Kanal 5	Kanal 6
gemessen wird	Impulshöhe	Impulshöhe
Methode	(A/D-Wandler)	(A/D-Wandler)
Sondentyp, Bezeichnung	z.B. Sonde mit NaI(Tl)-Scintillator	z.B. Sonde mit ZnS-Scintillator
vorgesehen für	Spektrometrie	Spektrometrie

Es können vom Prinzip natürlich auch andere Sonden eingesetzt werden, als die oben dargestellten Sonden. Da mir jedoch noch ein älteres RAM63 Strahlenmessgerät zur Verfügung steht, bieten sich mir die Sonden vom RAM63 an. Auch mehrere Sonden SBM20 besitze ich noch und natürlich einen YB-Mini-Monitor.  Das RAM63 Grundgerät bleibt unberührt. Dies kann, soweit vorhanden, zum testen der Sonden Verwendung finden. Das Verbasteln der Hochspannungsquelle aus dem RAM63 Grundgerät kann lebensgefährlich sein und ist nicht ratsam, denn es ist mir unbekannt, welche Energie die interne RAM63-Hochspannungsquelle abgibt.  Die Schaltung einer passenden Spannungsversorgung für die Sonden incls. einer niederenergetischen Hochspannungsquelle bastel ich mir deshalb selbst zusammen. Dafür ist zunächst ein Voltmeter mit sehr hohem Innenwiderstand unverzichtbar.

Voltmeter mit 1GOhm Innenwiderstand  Der Innenwiderstand des Voltmeters sollte 1Giga-Ohm betragen. Mit diesem kann dann selbst eine sehr hochohmige Spannungsquelle überprüft werden, ohne diese relevant zu belasten.  Sehr einfach entsteht ein solches  1GOhm-Voltmeter, wenn der 2000mV Messbereich eines preiswerten Digitalvielfachmessgerät (1MOhm Innenwiderstand ) mit einem 1GOhm Vorwiderständ erweitert wird. Kenntnis über Messbereichserweiterung von Voltmetern ist für den weiteren Ausbau Voraussetzung.  Für das 1Giga-Ohm-Voltmeter werden nun die folgenden Bauteile benötigt: Bild1   Bauteile für das 1Giga-Ohm-Voltmeter (von links nach rechts): 1.) Ein kleines Digitalvoltmeter mit 1MOhm Innenwiderstand 2.) Ein durchsichtiges Plastikgehäuse 3.) Ein Schiebeschalter (Ein/Aus) 4.) Ein 1GOhm-Vorwiderstand  (100 x 10MOhm) (auf dem Foto nicht ganz fertig gelötet) Den 1GOhm Vorwiderstand löte ich mir aus 100 Stück 10MOhm Widerständen auf zwei kleine Pertinaxplatten Lochraster zusammen.  Dann habe ich alles zusammen wie folgt  in das Plastikgehäuse angeordnet.  Der Messbereich innen am Digitalvoltmeter ist auf 2000mV voreingestellt.  Mit dem Schiebeschalter oben auf der Stirnseite wird das Gerät Ein- und Aus geschaltet. Die Messbereichserweiterung mit dem 1GOhm Vorwiderstand ermöglicht nun genaue Spannungsmessungen auch an leistungsschwachen Hochspannungsquellen bis 2000 Volt Hochspannung. Ansichten des Eigenbau-Voltmeter mit 1GOhm Innenwiderstand :           Bild2 :  Ansicht Rückseite (geöffnet)                                   Bild3 :  Ansicht Vorderseite...                                  Bild4 :   .. und beschriftet                                         Mit einer energiereichen HV und einem Digitalmultimeter lässt sich die Genauigkeit des Eigenbau-HV-Meters überprüfen. Falls nötig auch nachkalibrieren. Bild 5 : Mein Eigenbau-HV-Meter (rechts im Bild) habe ich mit einer energiereichen HV-Quelle und einem Multimeter auf ausreichende Messgenauigkeit überprüft und fertig ist das Voltmeter mit 1GOhm Innenwiderstand

Nun kann der Aufbau der geplanten Spannungsversorgung für die Sonden beginnen.

Die folgenden Schaltungsentwürfe habe ich zusammen mit den Sonden aus dem RAM63 praktisch erprobt und funktionieren. Dennoch möchte ich darauf hinweisen, das Verbesserungen möglich sind. Diese Entwürfe dienen lediglich der Anregung. Änderungen , Fehler und Irrtümer sind vorbehalten. Verbesserungsvorschläge aus Leserbriefen sind willkommen und diese berücksichtige ich gern.

Das folgende Bild zeigt meinen Entwurf für das Hochspannungsteil. Das Hochspannungsteil wird in ein gesondertes Plastik-Gehäuse eingebaut.

Schaltungsbeispiel für das Hochspannungsteil (Eigenbau) für Ram63 Sonden .

Die 1200V Hochspannung ist galvanisch von der Betriebsspannung entkoppelt. Das hat den Vorteil, das diese auch als positive Hochspannung geschaltet werden kann. Für die RAM63 - Sonde ist jedoch eine negative Hochspannung erforderlich. +HV wird deshalb mit Masse verbunden. Die Kondensatoren auf der Hochspannungsseite sollten aus Sicherheitsgründen eine möglicht kleine Kapazität haben (maximal 10 Nano-Farad) .  Eine Reihenschaltung aus 6 Stück 200V Zenerdioden sorgt für eine Spannungsbegrenzung nach oben. Dies dient dem elektrischen Überspannungsschutz der Sonde. HV-Adjust wird so eingestellt, das der Strombedarf dieser Schaltung 20mA nicht übersteigt. Der Printtrafo wird dabei in der Regel von dem Schalttransistor mit schmalen positiven Nadelimpulsen angesteuert.

Die benötigten -4V und -9V werden mit dem folgenden Netzteil erzeugt. Zusätzlich liefert das Netzteil  +15V und -15V für eine Operationsverstärkerschaltung , die das Signal von der Sonde aufbereitet.

Schaltungsbeispiel zum Netzteil mit -4V,-9V, als Spannungsversorgung für die RAM63 Sonden  

Dann wird ein Signalverstärker benötigt. Dieser setzt den von der Sonde kommenden Impuls in ein Rechtecksignal um.


Wirklich gut ist die ALPHA-Sonde vom RAM63.  Eine einzige Alpha-Sonde kann in Verbindung mit einem passenden Signalverstärker die Signale liefern, welche auf Kanal 1 und Kanal 2 benötigt werden.


Kanal 1 und Kanal 2 :

Die Alpha-Sonde vom RAM63

Bei der Alpha-Sonde vom Ram63 handelt es sich um eine Sonde mit einem ZnS (Zinksulfid) Scintillator. Diese Sonde enthält dazu einen Photomultiplier und einen Vorverstärker. Auf der Rückseite sind einige Anschlüsse herausgeführt. Fünf davon sind für den weiteren Ausbau relevant.  An Pin2 benötigt der interne Signalverstärker einen externen Vorwiderstand. Das folgende Bild zeigt die Belegung : Pin Nr Belegung 0 Masse 1 Signal 2 R = 1,5 KOhm an -9V 6 -4 V in der Mitte -1200 V Ein einfacher Signalverstärker dazu erzeugt die Signale für den Kanal 1 (X) und Kanal 2 (Y) : Signalverstärker (Eigenbau) für RAM63 Alpha-Sonde. X : aktiv LOW wenn Impulshöhe am Eingang IN grösser 460mV Y : aktiv LOW wenn Impulshöhe am Eingang IN grösser   50mV

Kanal 3 :

Der YB-Mini-Monitor und die SBM20/STS5

Damit Beta-Strahlung nicht übersehen wird, sollen zwei oder vier russische SBM20 zum Einsatz kommen. Die SBM20-Zählröhre ist eine besonders auf  Beta-Strahlung und auch auf Gamma-Strahlung sehr empfindlich reagierendes russisches Standardzählrohr. Die Zählrohrspannung beträgt 330 Volt bis 400 Volt Schaltungsbeispiele mit dieser Röhre finden sich auf folgenden WEB-Seiten -->  Eigenbau Geigerzähler Ein russisches Datenblatt zu der gleichwertigen STS5 zeigt das folgende Foto: Datenblatt zur STS5 Geiger-Müller-Zählröhre Weil mein Eigenbau-Strahlenmessgerät YB-Mini-Monitor mit genau diesen Röhren ausgestattet ist und auch einen Ausgang für einen externen Impulszähler besitzt,  kann ich sofort einen meinerYB-Mini-Monitore an den Datalogger anschliessen. Das ist natürlich sehr bequem für mich ! Der YB-Mini-Monitor besitzt einen Impulsausgang zum Anschluss eines externen Zählers und ist damit als ein weiterer Sensor für den geplanten Datalogger ideal geeignet.                    YBMM01                                        YBMM04 YB-Mini-Monitor mit russischen Zählröhren Die Schaltung für dieses Gerät ist auf folgender WEB-Seite ausführlich beschrieben: -->  YB-Mini-Monitor

Kanal 4 :
Die Beta-Gamma-Sonde vom RAM63

Für Gamma Strahlung ist die Sonde sehr empfindlich.  Leider nicht so sehr für Beta-Strahlung. Die Beta-Gamma-Sonde vom RAM63 kann deshalb gut mit aufgeschraubtem Deckel betrieben werden, so das nur Gamma-Strahlung registriert wird.   Es handelt sich um eine Sonde mit einem Scintillator, der in eine Plastmasse eingebettet ist. Diese Sonde enthält dazu einen Photomultiplier und einen Vorverstärker. Zur Messung der Gamma-Hintergrundstrahlung mittels Impulszählung ist diese Sonde sehr gut geeignet. Auf der Rückseite sind einige Anschlüsse herausgeführt. Fünf davon sind für den weiteren Ausbau relevant.  Das folgende Bild zeigt die Belegung : Pin Nr Belegung 0 Masse 3 -9V 4 Signal 6 -4 V in der Mitte -1200 V Als Signalverstärker für diese Sonde kann ein Teil der 1. Vorstufe meines Eigenbau-Gamma-Spektrometer  (YB-Mini-MCA) dienen. Dieser MCA war ursprünglich auf diese RAM63 Sonde ausgelegt. Diese Schaltung wird etwas vereinfacht und dann auch hier eingesetzt. Anmerken möchte ich, das diese Schaltung zur Beobachtung der Radioaktivität in einer natürlichen Umwelt (z.B. Wohnumgebung und Umweltmesstechnik) vorgesehen ist. Signalverstärker Eigenbau Entwurf für die RAM63-Beta-Gamma-Sonde Die beiden Potis im Signalverstärker habe ich so justiert, das der Nulleffekt (ca. 0,1µSv/h Gamma Hintergrund) gemessen mit der Beta-Gamma-Sonde am Ausgang (Z1) 100 Impulse in 100 Sekunden ausmacht  Der ganze Aufbau funktioniert sehr gut. Beschreibung der Schaltung : Das Signal am Signaleingang (IN) kommt von Pin4 der Ram63-Beta-Gamma-Sonde. Die beiden CA3140 bilden einen einfachen Peakholder in Verbindung mit einer Signalverlängerung. Im Anschluss erzeugt ein Schmitt-Trigger die Rechteckimpulse, welche ein noch zu bauendes Impulszähler-Modul verarbeiten soll. Mit P1 wird die Diskriminatorschwelle für die Rauschunterdrückung justiert. Der 1M Trimmer neben dem 47nF Kondensator stellt die Signalverstärkung ein. Sobald die beiden Trimmer richtig justiert sind, steht am Ausgang Z1 der CMOS-kompatible Zählimpuls zur Verfügung. Dieser Ausgang Z1 wird nun mit einem ganz normalen Impulszähler verbunden oder kann mit dem Zählereingang eines geeigneten Datenspeichers verbunden werden.  Letzteres kann z.B. eine C-Control-Unit (z.B. C-Control-MEGA) sein , oder ein anderer Mikrocontroller mit Speicher z.b. Arduino oder das Adafruit Data Logging Shield . Auch andere Systeme , z.B. ein Laptop mit einem USB-Zähler-Adapter dürften sich eignen. Ich selber werde voraussichtlich eine C-Control-MEGA einsetzen.  Ein passendes Programm für die C-Control gibt es dann voraussichtlich hier an dieser Stelle, sobald alles fertig gebaut ist.

Bevor es mit Mikrocontroller Technik und programmieren weiter geht, soll als erstes mal eine ganz simple Anzeigeeinheit mit einem Zählermodul entstehen. Es hat schließlich nicht jeder gleich Lust, sich in Mikrocontroller einzulesen. Für einfache Beobachtungen reicht eine simple Anzeigeeinheit aus diversen Bauteilen oft auch aus.  Für jeden der ersten vier Zähler-Kanäle ist deshalb ein Zählermodul vorgesehen. Dieses wird die Impulse vom Signalverstärker kommend zählen und als Direktanzeige zur Anzeige bringen. 

Ja tatsächlich das gibt es auch noch !
Ein Bausatz für einen Zähler mit 7-Segment-LED-Anzeige.




Einen Versuchsaufbau mit den beiden ersten Kanälen zeigt das folgende Foto

Ein erster Versuchsaufbau zu meinem Mehrkanal-Datalogger
Ansicht der beiden Alpha-Ereigniszähler (Kanal 1 und Kanal 2)

Dieser erste Versuchsaufbau funktioniert schon sehr gut. Schöner lässt sich die Anzeigeeinheit natürlich mit Mikrocontrollern und LCD-Display gestalten. Der Mikrocontroller kann dann Zählergebnisse und Messzeitspannen direkt in [µSv/h] umrechnen und laufend zur Anzeige bringen. Das ist ein weiterer Aufwand, der sich jedoch lohnt. Denn das lässt sich viel komfortabler machen, als eine Anzeige aus mehreren LED-Zähler-Modulen. Ich werde voraussichtlich eine C-Control MEGA für die digitale Datenspeicherung und Aufbereitung der Daten einsetzen.  Zunächst möchte ich die oben beschriebene Elektronik für die Alpha-Sonde mit den beiden ersten Kanälen X und Y sowie LED-Zählern jedoch in ein Gehäuse einbauen.  Diese erste Baugruppe wird ein eigenständiger 2-Kanal-Alpha-Detektor mit LED-Anzeige. Der dazu passende Datalogger wird später dann ein Zusatzgerät, welches als externes Gerät an diese erste Baugruppe angeschlossen werden kann. So baut sich der gesamte Mehrkanal-Datalogger nach und nach aus überschaubaren Modulen auf.

Nach Ablauf einer festgelegten Zeitspanne sollen die Zähler stoppen. Die beiden Zählerstände können dann in der anschließenden Haltephase bequem abgelesen werden. Dazu ist eine Zeitsteuerung nötig.

Zeitsteuerung für die Zählermodule

Vom Prinzip her handelt es sich bei dieser Steuerung um die Schaltung eines gewöhnlichen Langzeittimers, so wie dieser ähnlich auch als Bausatz zu haben ist.  Mit dem 4060 ist ein RC-Oszillator und ein Frequenzteiler aufgebaut. Ein Taktsignal (von PIN5 des 4060)  ist auf einen Taktzähler gelegt. An diesem ist während der Zählphase die schon abgelaufene Dauer (Anzahl Takte) der Impulszählung ablesbar. Ich habe das 1MOhm Poti so justiert, das 256 Takte recht genau 4 Stunden und 16 Minuten entsprechen.  Das ergibt eine Taktzeit von einer Minute. Die verstrichen Minuten seit Start der Zählung ist auf diese Weise an dem kleinen Taktzähler ablesbar. Nach Ablauf von 256 Takten wird der Ausgang Pin3 am 4060 HIGH. Dieses Signal wird auf die STORE Eingänge der beiden Impulszähler-Bausteine geleitet.  Der Zählvorgang stoppt und die leuchtende LED signalisiert das an den beiden Impulszähler-Bausteinen gültige Werte ablesbar sind.  Die Zählerstände bleiben nun für die Dauer weiterer 256 Takte "eingefroren". Danach werden alle Zähler automatisch auf den Wert NULL gesetzt, die LED erlischt und der Zählvorgang beginnt von vorn.

Gesamtansicht 2-Kanal-Alpha-Detektor (Eigenbau)

Die Sondenkabel habe ich während der Testphase mit einem Kunstoffdeckel und mit Klebeband fixiert.

Anschließend wird die Kabelzuführung oben mit Isolierband lichtdicht umwickelt und die Signalleitung wird gut geschirmt.

Die Alpha-Sonde vom Ram63 passt prima auf den Glasbehälter einer ungarischen Paprikapaste.

Alpha-Sonde wird locker oben auf den  Glasbehälter aufgesetzt (Der Luftspalt zwischen Sonde und Glas sorgt für natürliche Luftzirkulation)

 
Die Alpha-Sonde habe ich oben locker auf einen Glasbehälter gesetzt. Umgebungsluft kann in und durch den Behälter zirkulieren. Die empfindliche Sondenoberfläche ist dadurch mechanisch gut geschützt.

Eine aktive Zwangsbelüftung oder aktive Anreicherung von Nukliden aus der Luft mittels Luftfilter ist nicht vorgesehen. Der Luftaustausch erfolgt spontan und ganz natürlich durch den Luftspalt zwischen Sonde und Glasbehälter. Es wird bewust auf eine künstliche Laborumgebung mit komplizierten Laborbedingungen verzichtet. Der Aufbau soll so unkompliziert und damit nachvollziehbar und realitätsnah wie möglich sein. Es geht hier um eine laufende Langzeitbeobachtung. Filteraustausch und deren unausweichliche Herstellungstolleranzen könnten sich anderenfalls bei jedem Filteraustausch störend bemerkbar machen. Auch auf eine aktive Belüftung mittels elektrisch betriebenem Lüfter wird bewust verzichtet. Ein Lüfter könnte über längere Zeit in der Leistung nachlassen und der Luftdurchsatz täte sich verändern und die Messung ungünstig beeinflussen. Randbedingungen werden in dem beschriebenen Versuchsaufbau so langzeitstabil wie möglich gehalten. Damit werden mit geringem Aufwand Messergebnisse erzielt, die so unverfälscht wie möglich sind.

Die grundliegende Schaltungsbeschreibung der Signalaufbereitung ist damit abgeschlossen.  Es ist jetzt schon ein eigenständiger 2-Kanal-Alpha-Detektor mit einem LED-Display entstanden.  Der geplante automatische Datenspeicher mit weiteren Anzeigemöglichkeiten wird als ein Zusatzgerät ausgebaut und wird späterhin das LED-Display ersetzen. Es wird jedoch noch einige Zeit dauern, bis es mal so weit ist. Zunächst stelle ich den Alpha-Detektor in der aktuellen Ausbaustufe noch ohne automatischen Datenspeicher in meiner Wohnung auf. Ein Schreibblock und ein Bleistift ersetzt zunächst den automatischen Datenspeicher. Wenn ich mal in der Nähe des Gerätes mich aufhalte und die LED signalisiert gültige Zählerstände, dann notiere ich die beiden Zählerstände zusammen mit Datum und Uhrzeit.

Ein weiterer Testaufbau zeigt das folgende Bild.  Es ist inzwischen der Kanal3 mit einem Geigerzähler (YBMM01) bestückt worden und der erste Mikrocontroller gesteuerte Impulszähler ist per Impulsschnittstelle angeschlossen worden. Die beiden mittels Kabel verbundenen Geräte sind oben rechts auf folgendem Foto gut zu sehen.


Testaufbau eines Alpha-Beta-Gamma-Detektors (Mai 2012)

In einem Testaufbau liefert ein ZnS-Scintillator in Verbindung mit einem Photomultiplier, Messdaten für die ersten beiden Zähler Kanal 1 (X) und Kanal 2 (Y), welche zunächst noch mit jeweils einem simpelen LED-Zählermodul ausgerüstet sind. Oben rechts im Bild das blaue Kästchen ist jedoch schon ein Zähler der nächsten Generation , welcher mit deiner C-Control-Mega-32 bestückt ist. Messdaten für diesen Zähler (Kanal 3) liefert ein YB-Mini-Monitor YBMM01 über seine Impulsschnittstelle. Der YB-Mini-Monitor ist für Beta- und Gamma-Strahlung sehr sensibel.  

Mit diesem ersten Testaufbau bin ich schon sehr zufrieden. Die C-Control-Pro (Mega-32) eignet sich als Zähler und Datalogger gut. Das Board der C-Control mit allen Komponenten ist zwar etwas groß, jedoch wenn der Lochrasterteil abgeschnitten wird, passt die Platine sogar in das gleiche Gehäuse hinein, welches ich gern auch für die größeren YB-Mini-Minitore verwende. Das LCD-Display , die RS232-Schnittstelle und eine USB-Schnittstelle sind werksmässig vorhanden. Sogar eine Folientastatur lässt sich anstecken und nutzen, falls benötigt.  Die Grundversion meines Dataloggers speichert damit pro Kanal mindestens 150 Messwerte. Diese lassen sich per Tastendruck über die RS232-Schnittstelle auf einen PC übertragen. Am PC werden die Daten von einem Terminalprogramm empfangen und können am PC auf eine Datei zur Weiterverarbeitung abgelegt werden.  Für jeden Kanal des Dataloggers wird allerdings eine separate C-Control Mega-32 vorgesehen. Das wird bei einem Ausbau des Dataloggers auf 4 Kanäle nicht ganz billig hergehen. Im LCD-Display des Mikrocontroller gesteuerten Zählers wird laufend die Äquivalentdosis in nSv/h angezeigt. Per Knopfdruck lassen sich weitere Daten abfragen : Zählrate, IPM, Impulse Pro Minute, Standardabweichung, Messzeit und sogar ein DYSI0-Wert wird ablesbar sein. Das Messergebnis in der Einheit nSv/h wird mit vier Nachkommastellen ausgegeben. Das entspricht einer Anzeige in µSv/h mit sieben Nachkommastellen.  Damit werden sogar extreme Langzeitmessungen mit sehr hohen Wiederholgenauigkeiten möglich.

Das Messzeitintervall ist im SHORT-Modus wählbar und im LONG-Modus. Im SHORT-Modus ist jedes Messzeitintervall exakt eine Minute lang. Im LONG-Modus beträgt es vier Stunden. Auch ein Mittelwert der Ergebnisse aus den sechs letzten Messzeitintervallen lässt sich per Knopfdruck zur Anzeige bringen. Im LONG-Modus entspricht dies dem Tagesmittelwert. Ich baue mir den Zähler mit einem Basic-Programm so auf, wie ich es für meine Zwecke benötige. In Verbindung mit einem Geiger-Müller-Zählrohr und wenigen zusätzlichen Bauteilen kann damit sogar ein Geigerzähler im Stand-alone-Betrieb mit konfortablen Anzeigemöglichkeiten, LCD-Display, Datenspeicher und PC-Verbindung aufgebaut werden.


Neuer Mikrocontroller gesteuerter Impulszähler (Prototyp)
für den YB-Mini-Monitor und andere Strahlenmessgeräte
 
Das folgende Bild zeigt den neuen Impulszähler (rechts im Bild) zusammen mit einem neuen YB-Mini-Monitor YBMM01. Beide Geräte sind per Impulsschnittstelle gekoppelt. Der Zähler im blauen Gehäuse ist auch ein Datalogger. Gespeicherte Messergebnisse können über eine RS232-Schnittstelle an einen PC übertragen werden.

YBMM01 (links im Bild) und der neue externe Zähler mit Datenspeicher


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BETA-GAMMA-SONDE

Seit einiger Zeit gibt es den extern anschließbaren Datalogger für den YB-Mini-Monitor. Es lassen sich Daten speichern und die gespeicherten Messdaten können nun auch auf einen PC übertragen werden. Die folgende Grafik gibt Aufzeichnungen wieder, welche mit dem YBMM01 in Verbindung mit dem Zähler und Datenspeicher gemessen wurden.

Langzeitbeobachtung radioaktiver Strahlenmesswerte (Beta- und Gammastrahlung)  in München.
(Messung und Datenspeicherung mit : YB-Mini-Monitor  ; Graphische Darstellung mit Graph Version 4.3)

 


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ALPHA-SONDE


Impulse von einer Alpha-Sonde kommend , werden zur Zeit am Kanal 2 (Y) aufgezeichnet.  Die folgende Grafik zeigt eine Aufzeichnung seit Anfang Juli 2012. 

Langzeitbeobachtung radioaktiver Strahlenmesswerte (Alpha-Strahlung)  in der Umgebungsluft München.
(Messung und Datenspeicherung mit : YB-Mini-Monitor - Datalogger und RAM63-Alpha-Sonde ; Graphische Darstellung mit Graph Version 4.3)

Erkennungsgrenze und Nachweisgrenze der Alpha-Messergebnisse werden häufig überschritten. Dies ist ein Anzeichen dafür, das NORM-Stoffe in den Heizwerken hier in München vermutlich sehr oft unkontrolliert entsorgt werden. Dadurch entsteht radioaktiver Feinstaub und Fallout. Als Folge davon übersteigt die spezifische Aktivität der Radionuklide die geogenen Hintergrundwerte hier in München. Seit dem 10. September 2012 bis etwa März 2013 fällt mir ein Anstieg der Alpha-Strahlenmesswerte an dieser Messtelle auf.



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Den Abschluss dieser Beschreibung bildet nun der grundliegende Basic-Quellcode für den C-Control-Mega-32 Mikrocontroller,
mit welchem der Zähler und Datenspeicher (im schwarz-blauen Gehäuse) realisiert ist.

' Zähler und Datenspeicher für einen Geigerzähler ' Mit digitaler LCD-Anzeige  ' realisiert mit C-Control-Pro Mega-32 ' Äquivalentdosis in nSv/h wird angezeigt ' weitere Daten sind per Tastendruck abfragbar ' + Datenübertragung an PC über RS232-Schnittstelle ' Mit LED Ausgang als Warnsignal falls Dosisrate sich ändert ' Messwertspeicher für 150 Messwerte ' Datentübertragung über RS232-Schnittstelle an den PC ' 2 LEDs sind für Warnsignal (DYSI0-Signal) vorgesehen. ' LED1 leuchtet gelb ............: DYSI0 grösser 1.5 (Vorwarnung) ' LED2 leuchtet blau ............: DYSI0 grösser 2.0 (Erkennungsgrenze) ' LED1 + LED2 leuchten gelb+blau : DYSI0 grösser 3.0 (Nachweisgrenze) ' erforderliche Library: IntFunc_Lib.cc, LCD_Lib.cc 'Die ersten beiden blauen Tasten auf dem Gehäuse: #define SIGMA    18     'Anzeige Sigma nSv/h #define COUNT    19     'Anzeige Zählerstand 'DYSI0 (eine einfache dynamische Signifikanzabschätzung) 'Das Programm überprüft laufend die Messwerte auf Poisson-Verteilung. 'werden beide blaue Tasten gleichzeitig betätigt, 'dann wird der aktuelle DYSI0-Wert angezeigt, 'welcher sich aus den vergangenen maximal sechs 'Messintervallen berechnet. 'Die Bedeutung von DYSI0... 'DYSI0 ist größer 2 : "es gilt als erkannt , das 'die Messwerte nicht Poisson-verteilt sind" '--> Warnung vor aktuell geringen Änderungen der Radioaktivität in der Umgebung 'DYSI0 ist größer 3 : "es gilt als nachgewiesen, das 'die Messwerte nicht Poisson-verteilt sind" '--> Warnung vor aktuell großen Änderungen der Radioaktivität in der Umgebung 'schwarze Taste auf dem Gehäuse #define CPM      20     'Anzeige IPM (Impulse pro Minute) ' zwei rote Tasten auf dem Gehäuse #define ZEIT     21     'Anzeige Messzeitspanne (Minuten) #define MITTE4    22    'Anzeige Mittelwert aus den letzten 6 Perioden                          '=     Tages Mittelwert im MODUS LONG                          '= sechs Minuten Mittelwert im MODUS SHORT 'werden beide roten Tasten gleichzeitig betätigt, 'dann erfolgt ein RESET Datenspeicher wird geleert 'alle Merker auf NULL gesetzt und Messvorgang startet erneut. #define SL        23     'Umschaltung MODUS Short/Long                          'LONG-Modus  : Messzeitspanne 4 Stunden                          'SHORT-Modus : Messzeitspanne 1 Minute ' Die erste Taste auf dem Projektboard ' ist als Impulseingang vorgesehen ' gezählt wird mit ansteigender Impulsflanke #define Button 26    'Impulseingang 'die zweite Taste auf dem Projektboard #define Button2 27   'Daten senden 'wird nicht direkt an Masse gelegt, sondern über ein RC-Glied '1MOhm parallel zu 1µF dadurch erhält der Eingang nur einen 'kurzen Impuls und die Datenübertragung startet sofort. #define kalfaktor 0.5  'Kalibrierfaktor = 0.5 für SBM20                                     '(wird an die Zählröhre angepasst) #define zeit_s 60     '1 Minute Messzeit #define zeit_l 14400  '4 Stunden Messzeit 'Datenspeicher für 150 Messwerte 'Daten gehen bei Stromausfall verloren '(Pufferbatterie bei Netzausfall vorsehen !) #define Nspeicher 152 'Feld-Grösse des Datenspeichers Dim cnt,delval As Single Dim i,j,warnung As Integer Dim S1,S2 As Single Dim dosis,dosis2,gdosis,wert1 As Single Dim wert2 As Word 'Single            ' Deklaration der globalen Dim zeile1(20) As Char              ' Variablen Dim zeile2(10) As Char Dim sekunde,sekunde10,sekunde60,TT,JJ,N,JJi As Word Dim cnt1 As Word Dim wurzel,faktor As Single Dim mittel,sigma,x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,dysi0,zaehler As Single Dim feld1(Nspeicher) As Single Dim Zflag,SBM20 As Integer     Dim einheit1(10) As Char          ' Deklaration der globalen     Dim einheit2(10) As Char          ' Deklaration der globalen '--------------------------------------------------------------------- 'RS232 Scnittstelle initialisieren Dim buffer(20) As Byte '------------------------------------------------------------------------------- ' Hauptprogramm ' Sub main() Serial_Init(0,SR_8BIT Or SR_1STOP Or SR_NO_PAR,SR_BD9600) AbsDelay(100) Serial_Write(0,10) Serial_Write(0,13) SBM20=4 'Anzahl der SBM20 Zählröhren         'SBM20 = 1 : YBMM01         'SBM20 = 2 : YBMM02         'SBM20 = 4 : YBMM04 delval=2000 'Wartezeit für LED1 sekunde10=1 zaehler=0 Port_DataDirBit(PORT_LED1,PORT_OUT) Port_WriteBit(PORT_LED1,PORT_OFF) Port_DataDirBit(31,PORT_OUT) Port_WriteBit(31,PORT_OFF) Port_DataDirBit(Button,0) Port_WriteBit(Button,1) Port_DataDirBit(Button2,0)    'Speicher Port_WriteBit(Button2,1)      'Speicher Port_DataDirBit(18,0)  'Sigma Port_WriteBit(18,1)    'Sigma Port_DataDirBit(19,0)  'Zähler Port_WriteBit(19,1)    'Zähler Port_DataDirBit(20,0)  'CPM Port_WriteBit(20,1)    'CPM Port_DataDirBit(21,0)  'Zeit Port_WriteBit(21,1)    'Zeit Port_DataDirBit(22,0)  'Mittel Port_WriteBit(22,1)    'Mittel Port_DataDirBit(23,0)  'SL Port_WriteBit(23,1)    'SL Irq_SetVect(INT_0,IRQ) Ext_IntEnable(0,2) cnt=0 i=1 j=0 TT=zeit_s 'SHORT 1 Minute Abtastzeit (in Sekunden) TT=zeit_l 'LONG 4 Stunden Abtastzeit (in Sekunden) JJ=0     LCD_Init()                      ' Display wird initialisiert     LCD_ClearLCD()                  ' Display wird gelöscht     LCD_CursorOff()                 ' Cursor wird ausgeschaltet Irq_SetVect(INT_TIM2COMP,INT_10ms)  'Interrupt für Zeitkontrolle     'Wenn beim Einschalten die Taste 1 (SIGMA) gedrückt ist, dann     'wird auf YBMM01 initialisiert     If Port_ReadBit(SIGMA)=0 Then     SBM20=1     End If     'Wenn beim Einschalten die Taste 2 (Zähler) gedrückt ist, dann     'wird auf YBMM02 initialisiert     If Port_ReadBit(COUNT)=0 Then     SBM20=2     End If                                     ' vorbereiten faktor = 1.0*kalfaktor/SBM20 'Anzeige der Version wert2=0 dosis=0.0 einheit2="YBMM04-B" If SBM20=1 Then einheit2="YBMM01-B" End If If SBM20=2 Then einheit2="YBMM02-B" End If If SBM20=4 Then einheit2="YBMM04-B" End If Ausgabe() 'Ende Anzeige der Version 'LED1 und LED2 Test Port_WriteBit(PORT_LED1,PORT_ON) Port_WriteBit(PORT_LED2,PORT_ON) AbsDelay(delval) Port_WriteBit(PORT_LED1,PORT_OFF) Port_WriteBit(PORT_LED2,PORT_OFF)     zeile1=" 0.00"                    ' default Wert für Zeile1     zeile2=" 0.00"                    ' default Wert für Zeile2     sekunde=1     Do While (True)                    ' Endlosschleife wird gestartet     TT=zeit_s  'Abtastzeit= 1 Minute     If Port_ReadBit(SL)=0 Then     TT=zeit_l  'Abtastzeit= 24 Stunden     End If     wert1=cnt     wert2=sekunde     dosis=1000.0*zaehler/sekunde*faktor     If sekunde>=TT Then     'sekunde=1     JJ=JJ+1        'speicherinhalt verschieben        If JJ=Nspeicher-1 Then          i=2          Do While i<Nspeicher-1          feld1(i-1)=feld1(i)          i=i+1          End While         JJ=Nspeicher-2        End If     feld1(JJ)=wert1     'Berechnen von dysi0     If JJ>0 Then     N=0     S1=0.0     S2=0.0     Do While N<6 And N<JJ     S1=S1+feld1(JJ-N)     S2=S2+feld1(JJ-N)*feld1(JJ-N)     N=N+1     End While     mittel=1.0*S1/N     sigma=1.0*S2/N-mittel*mittel     sqrt(sigma)     sigma=wurzel     sqrt(mittel)     dysi0=100*sigma     dysi0=dysi0/wurzel     dosis=1.0*dysi0*0.01       Port_WriteBit(PORT_LED2,PORT_OFF)       Port_WriteBit(PORT_LED1,PORT_OFF)       warnung=0       If dysi0>=150 And dysi0<200 Then   'falls SIGNIFIKANTE Änderung erkannt, dann LED1 kurz einschalten       warnung=1       End If       If dysi0>=200 And dysi0<300 Then   'falls SIGNIFIKANTE Änderung erkannt, dann LED1 kurz einschalten       warnung=2       End If       If dysi0>=300  Then   'falls SIGNIFIKANTE Änderung erkannt, dann LED1 kurz einschalten       warnung=3       End If       If warnung=1 Then       Port_WriteBit(PORT_LED1,PORT_ON)       End If       If warnung=2 Then       Port_WriteBit(PORT_LED2,PORT_ON)       End If       If warnung=3 Then       Port_WriteBit(PORT_LED1,PORT_ON)       Port_WriteBit(PORT_LED2,PORT_ON)       End If       'mittlere Dosis über fünf Abtastperioden anzeigen       'und die Standardabweichung anzeigen       dosis=1000.0*mittel/sekunde*faktor       dosis2=dosis       wert2=0       dosis=1000.0*sigma/sekunde*faktor       wert2=0       sekunde=1       sekunde10=1       cnt=0       zaehler=0     End If        zaehler=0        sekunde=1        cnt=0     End If     If wert2>999 Then     wert2=wert2/60     einheit2 = "    Min."     End If     einheit2=  "   nSv/h"     wert2=0     If Port_ReadBit(SIGMA)=0 And Port_ReadBit(COUNT)=1 Then     einheit2=   "+- nSv/h"     wert2=0     sqrt(zaehler)     dosis=1000.0*wurzel/sekunde*faktor     End If     Zflag=0     If Port_ReadBit(COUNT)=0 And Port_ReadBit(SIGMA)=1 Then     einheit2=   " Zaehler"     wert2=0     dosis=zaehler     Zflag=1     End If    'Dysi0 Anzeigen

If Port_ReadBit(COUNT)=0 And Port_ReadBit(SIGMA)=0 Then     dosis=1.0*dysi0*0.01     einheit2=   "   DYSI0"     wert2=0 'falls die erste Messzeitspanne noch nicht beendet wurde 'kann es noch keine Anzeige von Mittelwert und Sandardabweichung geben       If JJ<1  Then        einheit2=  "b.WARTEN"        wert2=0        dosis=0      End If     End If     If Port_ReadBit(CPM)=0 Then     einheit2=   "     IPM"     wert2=0     dosis=60.0*zaehler/sekunde     End If     If Port_ReadBit(ZEIT)=0 And Port_ReadBit(MITTE4)=1 Then     einheit2=   " Minuten"     wert2=0     dosis=1.0*sekunde/60     End If     If Port_ReadBit(MITTE4)=0 And Port_ReadBit(ZEIT)=1 Then      If JJ>0 Then        If JJ=1 Then        einheit2=   "M1 nSv/h"        End If        If JJ=2 Then        einheit2=   "M2 nSv/h"        End If        If JJ=3 Then        einheit2=   "M3 nSv/h"        End If        If JJ=4 Then        einheit2=   "M4 nSv/h"        End If        If JJ=5 Then        einheit2=   "M5 nSv/h"        End If        If JJ>5 Then        einheit2=   "M6 nSv/h"        End If     wert2=0     dosis=dosis2      End If      If JJ<1  Then      einheit2=  "b.WARTEN"      wert2=0      dosis=0      End If     End If 'Button2 ist Speicher Abfrage- Taste If Port_ReadBit(Button2)=0  Then      If JJ<1  Or sekunde >= TT-15 Then      einheit2=  "b.WARTEN"      wert2=0      dosis=0     wert2=0     Ausgabe()      End If    If JJ>0 And sekunde < TT-15 Then zeile1 = "YBMM04" Serial_WriteText(0,zeile1) zeile1=" " Serial_WriteText(0,zeile1) zeile1="L-Modus" If TT=zeit_s Then zeile1 = "S-Modus" End If Serial_WriteText(0,zeile1) Serial_Write(0,13) Serial_Write(0,10) zeile1="Min.     Z    nSv/h" Serial_WriteText(0,zeile1) Serial_Write(0,13) Serial_Write(0,10)     JJi=JJ     einheit2=   " Daten  "     dosis=0.0     wert2=0     Ausgabe()     dosis=1.0*sekunde/60     Str_WriteFloat(dosis,2,zeile1,0)     Serial_WriteText(0,zeile1)     zeile1="    "     Serial_WriteText(0,zeile1)     dosis=1.0*zaehler     Str_WriteFloat(dosis,0,zeile1,0)     Serial_WriteText(0,zeile1)     zeile1="   "     Serial_WriteText(0,zeile1)     dosis=1000.0*zaehler/sekunde*faktor     Str_WriteFloat(dosis,5,zeile1,0)     Serial_WriteText(0,zeile1)     Serial_Write(0,13)     Serial_Write(0,10)     Do While JJi>0     dosis=0.0     wert2=JJ-JJi+1     Zflag=1     Ausgabe()     Zflag=0     dosis=1.0*dosis*TT/60     Str_WriteFloat(dosis,2,zeile1,0)     Serial_WriteText(0,zeile1)     zeile1="    "     Serial_WriteText(0,zeile1)     dosis=feld1(JJi)     Str_WriteFloat(dosis,0,zeile1,0)     Serial_WriteText(0,zeile1)     zeile1="   "     Serial_WriteText(0,zeile1)     dosis=1000.0*feld1(JJi)/TT*faktor     Str_WriteFloat(dosis,5,zeile1,0)     Serial_WriteText(0,zeile1) Serial_Write(0,13) Serial_Write(0,10)     JJi=JJi-1     AbsDelay(10)     End While    End If    Do While Port_ReadBit(Button2)=0    AbsDelay(100)    End While End If 'Taste für RESET/START If Port_ReadBit(MITTE4)=0 And Port_ReadBit(ZEIT)=0 Then     einheit2=   " Start  "     wert2=0     dosis=0     zaehler=0     Ausgabe()    sekunde=1    sekunde10=1    sekunde60=1    cnt=0    JJ=0      'Speicher leeren      Do While JJ<=Nspeicher-1        JJ=JJ+1        feld1(JJ)=0      End While      JJ=0     TT=zeit_s  'Abtastzeit= SHORT Modus     If Port_ReadBit(SL)=0 Then     TT=zeit_l  'Abtastzeit= LONG Modus     End If     Port_WriteBit(PORT_LED1,PORT_OFF) 'Alarm LEDs ausschalten     Port_WriteBit(PORT_LED2,PORT_OFF) End If    'ENDE IF RESET Start Ausgabe()     End While End Sub Sub IRQ() Dim irq As Word irq = Irq_GetCount(INT_0) cnt = cnt + irq zaehler=zaehler+irq End Sub Sub INT_10ms() Dim irqcnt As Integer cnt1 = cnt1+1 If cnt1=100 Then sekunde=sekunde+1 sekunde10=sekunde10+1 sekunde60=sekunde60+1 cnt1 = 0 End If If sekunde10=20 Then sekunde10=0 End If If sekunde60=60 Then sekunde60=0 End If irqcnt=Irq_GetCount(INT_TIM2COMP) End Sub Sub LED1_On(delay_val As Integer) Port_WriteBit(PORT_LED1,PORT_ON) AbsDelay(delay_val) Port_WriteBit(PORT_LED1,PORT_OFF) End Sub 'Die Mega2 berechnet keine Quadratwurzel 'Dafür gibt es diese Routine für näherungsweise Quadratwurzel berechnen Sub sqrt(zz As Word) 'näherungsweise quadratwurzel berechnen Dim k As Word wurzel= (zz+2)/2 k=1 Do While k<10 k=k+1 wurzel=(wurzel+zz/wurzel)/2 End While End Sub ' Displayausgabe ' erforderliche Library: IntFunc_Lib.cc, LCD_Lib.cc ' Displayausgabe für den YB-Mini-Monitor-Zähler und Datalogger' Sub Ausgabe()        einheit1 = "        "                  ' Festlegung der angezeigten Einheit         If Zflag<>1 Then         Str_WriteFloat(dosis,8,zeile1,0)    ' Die Floatvariable "wert1"          End If         If Zflag=1 Then         Str_WriteFloat(dosis,0,zeile1,0)             End If     LCD_CursorPos(0x00)                ' Der Cursor wird an den Anfang der ersten                                       ' Zeile gesetzt.     LCD_WriteText(zeile1)             ' Variable "zeile1" wird ausgegeben     LCD_WriteText(einheit1)             ' Rest der Zeile löschen     LCD_CursorPos(0x40)                ' Der Cursor wird an den Anfang der zweiten     If wert2=0 Then        LCD_WriteText(einheit2)            ' Einheit wird ausgegeben     End If     If wert2<>0 Then                                  ' Zeile gesetzt.     dosis=1.0*wert2     Str_WriteFloat(dosis,0,zeile2,0)     LCD_WriteText(zeile2)              ' Variable "zeile1" wird ausgegeben     LCD_WriteText(einheit2)            ' Einheit wird ausgegeben     End If End Sub

ENDE DER BESCHREIBUNG

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(letzte Textänderung auf dieser Seite : 11.10.2013)