Миниатюрный экономичный брелок-индикатор радиоактивности

Автор: Максим
Опубликовано 16.08.2012
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2012!"

Промышленностью выпускается несколько моделей миниатюрных индикаторов радиоактивности. На первый взгляд они удобны для постоянного ношения в кармане и якобы могут предупредить о повышенном радиационном фоне, на деле же всё обстоит несколько иначе. Наследие прошлого — индикаторы «БИРИ-1», «сверчок» и подобные им обладают массой недостатков. Они даже при нормальном радиационном фоне довольно громко щёлкают высоковольтным трасформатором и пищат от каждого срабатывания входящего в их состав счётчика Гейгера типа СБМ-21. Аккумуляторы типа Д-0.06, используемые для питания этих брелоков, сейчас можно встретить скорее в музее чем в магазине радиотоваров. Время работы от комплекта аккумуляторов не превышало нескольких дней. И наконец непонятно о чём думали инженеры, проектируя устройство, для поддержания работы которого при температуре 35 градусов нужно раз в час нажимать на кнопку...

Чтобы оценить радиационный фон с помощью «сверчка» или «БИРИ-1» нужно взять часы с секундной стрелкой и посчитать число срабатываний счётчика за минуту. Мощность экспозиционной дозы (МЭД) примерно равна 7,5 мкР/ч, умноженным на число срабатываний счётчика за одну минуту. Вы сами можете представить что будет если носить в кармане такую «трещётку» весь день: во-первых все прохожие будут косо смотреть, а во-вторых на сигналы брелока выработается устойчивый иммунитет.

Более современный импортный брелок-индикатор «NukAlert» пригоден для измерения МЭД разве что в эпицентре ядерного взрыва или на крыше четвёртого энергоблока ЧАЭС в первые дни после аварии: первому звуковому сигналу там соответствует уровеь в 0.1 Р/ч, что в десять тысяч раз превышает типичный естественный фон и в две тысячи — допустимые для человека при длительном пребывании уровни. «NukAlert» экономичен и может работать непрерывно 10 лет от встроенной батареи питания, но нужен ли он?

В выдавшуюся пару свободных дней я решил изготовить маленький и экономичный брелок-индикатор радиоактивности, лишённый большинства из вышеописанных недостатков. Получившийся брелок весит меньше 10 граммов, будет работать от батарейки типа CR2032 непрерывно два с половиной года и не будет надоедать пользователю писком по пустякам: звуковая сигнализация включится только при превышении МЭД порога в 50 мкР/ч.

Описание принципиальной схемы.

 В качестве датчика излучения применён счётчик Гейгера DS1 типа СБМ-21, имеющий длину 21 и диаметр 6 мм. Для снабжения счётчика высоковольтным питанием используется экономичный преобразователь напряжения VR1 типа ПН3-400-0.1. На логических элементах U1A и U1B собран ждущий мультивибратор, «расширяющий» импульсы со счётчика до 80-100 мс. Импульсы интегрируются цепочкой R8 C3, получившееся постоянное напряжение поступает на прямой вход микропотребляющего компаратора U2. На инверсный вход этого компаратора подаётся опорное напряжение с делителя R9 R12, определяющее порог срабатывания звуковой сигнализации. Пока напряжение на прямом входе меньше напряжения на инверсном входе на выходе компаратора присутствует логический ноль и прохождение импульсов с ждущего мультивибратора на мультивибратор звуковой сигнализации заблокировано с помощью диода VD1. При повышении частоты срабатывания счётчика Гейгера напряжение на прямом входе компаратора будет расти. Когда оно достигнет опорного на выходе компаратора появится логическая единица и импульсы от ждущего мультивибратора будут запускать мультивибратор звуковой сигнализации, реализованный на логических элементах U1C и U1D. Частота генерации мультивибратора около 4 кГц и соответствует резонансной частоте применённого в схеме миниатюрного пьезоизлучателя типа PKLCS1212E4001. Парафазный выход на двух инвертерах U3 и U4 позволяет увеличить громкость звука.

Таким образом, при превышении МЭД порогового значения в 50 мкР/ч мы будем слышать звуковой сигнал при каждом срабатывании счётчика, при меньших значениях МЭД наш брелок не будет беспокоить нас. По частоте звуковых сигналов можно примерно оценить МЭД в пределах от 50 мкР/ч до 10 мР/ч. При МЭД около 10 мР/ч звуковые сигналы сольются в почти непрерывный писк. Брелок уверенно обнаруживает МЭД 100 мкРч меньше чем за 20 секунд и 1 мРч примерно за 2 секунды.

Получившаяся схема очень экономична: потребление высоковольтного преобразователя составляет около 8 мкА, остальной части схемы — 0.65 мкА. Во время писка потребление составляет 0.8 мА. Таким образом, при естесственном радиационном фоне от батарейки типа CR2032 схема проработает около 1000 суток.

Данная схема может быть упрощена: можно удалить U3 и U4, подключив левый по схеме вывод резистора R11 напрямую к выходу логического элемента U1D, а нижний по схеме вывод пьезоизлучателя — к земле. При этом снизится громкость звука и потребление тока во время писка. 

Также можно исключить из схемы узел с компаратором и превратить наш брелок в современный аналог БИРИ-1, не имеющий порога и пищащий на каждое срабатывание счётчика Гейгера, но зачем?

Если вам больше по душе брелок «NukAlert» с ресурсом элемента питания 10 лет — поставьте элемент типа CR2477 и наслаждайтесь десятилетним ресурсом, но масса и размеры брелока станут побольше.

 Сборка и запуск схемы.

Все детали схемы приклеены на обратную сторону преобразователя напряжения типа ПН3-400-0.1 и спаяны между собой короткими отрезками провода МГТФ-0.03. R2, R3 и C1 используются типоразмера 0805, остальные детали — 0402 и 0603. Компаратор можно заменить на любой подходящий микропотребляющий, например mcp6541 фирмы microchip, потребляемый ток при этом повысится незначительно. Элементы U3 и U4 можно заменить на ещё одну микросхему CD4011, включив её логические элементы инверторами, но это приведёт к некоторому увеличению размеров устройства. Держатели счётчика и сам счётчик СБМ-21 взяты из брелока-индикатора типа «сверчок». 

При правильной сборке и соответствии номиналов рекомендуемым схема запустится сразу и не будет нуждаться в наладке. Однако у вас может возникнуть желание подстроить порог срабатывания звуковой сигнализации — это делается изменением номинала резистора R12. Повышение его сопротивления вызывает повышение порога МЭД, при котором мы начнём слышать звуковые сигналы. Изменением сопротивления резистора R10 или ёмкости конденсатора C4 можно подстроить частоту звука, чтобы точнее попасть в резонанс пьезоизлучателя и получить максимальную громкость. Изменением сопротивления резистора R5 и ёмкости конденсатора C2 можно изменять длительность звуковых сигналов, однако надо учесть что вместе с ней будет изменяться порог срабатывания звуковой сигнализации.

Корпус устройства был сделан из плексигласа на хоббийном фрезерном станке. Размер корпуса 24*22.8*15мм, крышка крепится четырьмя винтами М2 с потайной головкой. Напротив пьезоизлучателя сверлится отверстие диаметром 1.5 мм, также в корпус вставляется проволочное кольцо для крепления брелока на цепочке. Высоковольтные цепи заливаются парой капель эпоксидной смолы для исключения утечек из-за возможной конденсации влаги. В последнюю очередь устанавливается и припаивается батарейка типа CR2032, имеющая контакты под пайку, после чего корпус закручивается винтами. Готово!

Несколько фотографий процесса сборки и готового устройства:

Спасибо за внимание к статье. Хорошей экологической обстановки вам!

Все вопросы в Форум.