Das Radiation Measurement Shield Tino für den Arduino und Arduino-kompatible Mikro-Controller

Transkript

1 Das Radiation Measurement Shield Tino für den Arduino und Arduino-kompatible Mikro-Controller Bernd Laquai, Abb. 1: Fertiggestellter Tino-Bausatz mit aufgestecktem Sparkfun Display auf einem Arduino-UNO Das Tino Radiation Measurement Shield Nach den äußerst positiven Erfahrungen mit dem Tino-Prototypen-Shield als kalibriertes Messgerät für radioaktive Strahlung wurde nun ein Platine für einen Bausatz entwickelt und bei einem kommerziellen PCB-Hersteller in Auftrag gegeben. Dieser Bausatz steht nun der interessierten Community zum Eigenbau zur Verfügung. Die Platine und die Bauteile für die Bestückung sind so ausgelegt, dass sich ein einfaches Strahlungsmessgerät auch ohne große Löt- und Elektronik-Kenntnisse mit minimalem Aufwand sicher aufbauen lässt. Basis ist nach wie vor das Teviso Sensor Modul, das es in verschiedenen Ausführungen als voll-integrierter digitaler PIN-Dioden-Strahlungssensor gibt. Bei dem Bausatz wurde auf eine möglichst kostengünstige Lösung Wert gelegt. Trotzdem wurde eine gewisse Flexibilität eingebaut, die es zum Beispiel ermöglicht, auch ein besseres Display oder einen empfindlicheres Sensormodul einzusetzen. Details zum Konzept des Tino Shield Gegenüber Zählrohr-basierten Shields zur Strahlungsmessung hat ein Shield mit Teviso- Sensormodul einige erhebliche Vorteile. Das Modul kann mit 5V von der Arduino-Platine betrieben werden und benötigt keine zusätzliche Hochspannung. Auch wenn die Hochspannungsquelle für ein Zählrohr nicht sehr leistungsfähig ist, so stellt sie vor allem in der Ausbildung eine Gefahrenquelle dar, wenn z.b. die Hochspannungs-Stützkapazität 1

2 größere Ladungsmengen bei hoher Spannung gespeichert hat und dann berührt wird. Außerdem ist ein Einsatz von hochspannungsbetriebenen Zählrohren im freien Gelände problematisch. Regen und Feuchte führen schnell dazu, dass die Hochspannung auf der Platine zu Kriechströmen führt, die den empfindlichen Zähleingang und andere Halbleiter leicht beschädigen können. Diese Probleme gibt es beim Teviso Modul nicht, da bei 5V Betriebsspannung und mit einem digitalen Ausgang weder eine Gefährdung durch Berühren möglich ist, noch gefährliche Kriechströme für empfindliche Bauteile entstehen können. Außerdem ist es mit dem vergleichsweise kleinen Modul möglich, ein kompaktes Shield zu bauen, das die Abmessungen der Mikrocontroller Platine nicht überschreitet. Als Nachteil erscheint zunächst die deutlich geringere Zählrate eines Teviso-Moduls (< 10 cpm) im Vergleich zu einem Zählrohr. Da die statistische Sicherheit eines Messergebnisses proportional zur Wurzel der registrierten Impulse ist, bedeutet das automatisch eine höhere Messzeit, wenn man eine vergleichbare Streuung erreichen will. Bei großflächigen Strahlungsquellen ist das ein Nachteil, der nur mit Geduld kompensiert werden kann. Allerdings zeigt sich umgekehrt, dass bei kleinen eher punktförmigen Strahlungsquellen das Teviso-Modul einem Zählrohr weit überlegen ist. So ist es beispielsweise mit einem Zählrohr kaum möglich eine kleine Uranmineralisierung im Gestein zu detektieren und zu lokalisieren. Das liegt daran, dass auf einer Gesteinshalde eine hohe Nullrate vorherrscht, die das Zählrohr mit seiner gesamten aktiven Fläche (Rohrberfläche) sieht. Auf die kleine Mineralisierung im mm Bereich aber reagiert nur ein kleiner Bereich der Zählrohroberfläche. Daher hat man in dieser Situation mit einem Zählrohr eine äußerst schlechte Selektivität und Ortsauflösung. Ein sehr kleines Zählrohr löst dieses Problem nicht, da dann die Zählrate proportional zur Oberfläche auf Werte sinkt, die eher kleiner sind als bei einem PIN-Dioden Detektor. Einen vergleichbaren Effekt sieht man auch bei radiumhaltiger Leuchtfarbe, die in sehr kleinen Mengen auf Ziffernblättern bzw. Zeigern von alten Uhren aufgebracht sind. Hier reagiert das Teviso-Modul mit einer im Vergleich zum Zählrohr sehr hohen Zählrate, da das räumlich kleine aktive Gebiet des Sensors vollständig, und vom Zählrohr dagegen nur ein kleiner Bereich der aktiven Fläche bestrahlt wird. Auch bei Uranfarben-Dekors und Glasuren zeigt das Teviso Modul eine sehr hohe räumliche Auflösung mit sehr guten Zählraten. Ein weiterer kleinerer Nachteil des Teviso Sensors gegenüber einem Zählrohr, der sich aber durchaus auch als Vorteil entpuppen kann, ist dessen Empfindlichkeit gegen elektromagnetische Strahlung, die von Mobiltelefonen, DECT Telefonen und anderen Drahtlos-Geräten im Bereich von 800MHz bis einigen GHz ausgestrahlt wird. Es kann daher gut sein, dass ein Tino-Shield, das in der Nähe eines Mobil-Telefons betrieben wird, heftigen Alarm schlägt, sobald das Mobiltelefon angerufen wird und selbst zu senden beginnt. Man kann auch mit einem Tino-Shield ganz leicht erkennen, ob ein DECT-Telefon einen Öko- Modus hat und den Sender wirklich abschaltet, wenn es in der Ladeschale steht oder ob es dort munter weiter funkt. Nähert man sich mit dem Tino-Shield einem strahlenden DECT Telefon (z.b. Marke Siemens älteres Modell der Gigaset-Serie) dann reagiert es im Abstand von weniger als 10cm spontan mit sehr hohen Zählraten. Umgekehrt, bei Radioaktivitätsmessungen sollte man mit einem Teviso-Modul von Mobilfunk, WLAN und anderen Wireless-Geräten einen sicheren Abstand von einigen Metern halten. Das teuerste Sensor Modell von Teviso ist allerdings speziell gegen Strahlung im GHz Bereich geschirmt. 2

3 Ein unschätzbarer Vorteil der Teviso Module ist aber, dass werksseitig ein Kalibrierfaktor für die sogenannte Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) mit 15% Genauigkeit angegeben wird (auf Wunsch auch genauer). Diese Dosisangabe (auch kurz Ortsdosis bzw. bei Bezug auf ein Zeitintervall auch Ortsdosisleistung genannt) ist ein Schätzwert für die Körperdosis, die eine Person erhielte, die sich an diesem Ort im Strahlungsfeld befindet. Gemessen wird diese Dosis in einem aufgeweiteten und ungerichteten Strahlungsfeld an einem ICRU-Phantom in 10cm Tiefe. Das ICRU-Phantom ist eine Kugel mit 30cm Durchmesser aus einem vom ICRU definierten Weichteilgewebeersatz, welcher die Dichte 1 g/cm 3 hat und aus 76,2% Sauerstoff, 11,1% Kohlenstoff, 10,1% Wasserstoff und 2,6% Stickstoff besteht. Das Material hat dann eine dem menschlichen Weichteilgewebe vergleichbare Absorptions- und Streueigenschaft für ionisierende Strahlung. Diese Angabe eines Kalibrierfaktors bedeutet, dass man im Eigenbau mit praktisch geringstem Aufwand ein werksseitig kalibriertes Messgerät herstellen kann, indem man sich einfach auf diese Angabe des Sensorherstellers bezieht. Das unterscheidet die Lösung dann doch deutlich von einem selbstgebauten Zählrohr-Gerät, das man wegen der fehlenden Kalibrierung eigentlich nur als Strahlungsdetektor bezeichnen kann und nicht als echtes und verlässliches Messgerät. Selbst wenn man ein Zählrohr mit eigenen Mitteln z.b. auf Kaliumchlorid kalibriert, weiß man nicht wie hoch die Zählrate bei anderen Energien ist, da die wenigsten Zählrohre über einen so großen Energiebereich auf eine konstante Zählrate kompensiert sind. Ein andrer wichtiger Punkt bei dem Entwurf des Tino Shields steht im Zusammenhang mit dem verwendeten Display. Hier geht es um die Lesbarkeit, den Stromverbrauch, die Größe und die Kosten. Grundsätzlich ist es hinsichtlich der Flexibilität für möglichst viele Applikationen wichtig, dass das Display möglichst wenig der Digitalpins des Arduino verwendet. Daher bietet es sich an ein Display mit serieller Schnittstelle zu verwenden und nicht das 8bit-parallel-Interface, das eher der Standard bei den Display-Controllern ist. Mit einem seriellen Display kann nämlich sichergestellt werden, dass auf den Arduino noch ein anderes Shield (z.b. ein Ethernet, WiFi, oder SD-card) aufgesetzt werden kann, bevor das Radiation Shield aufgesteckt wird. Die verschiedenen seriellen Displays unterscheiden sich zunächst grundsätzlich in der Technologie (LCD bzw. LED Displays). LCD Displays sind bei Tag in der Regel gut ablesbar, aber im Dunkeln fehlt den günstigen Versionen meisten die Hintergrundbeleuchtung. Dafür brauchen sie deutlich weniger Strom als LED Displays und können deutlich mehr Zeichen darstellen. Dafür sind sie größer und können nur schwer auf dem Shield selbst befestigt werden. Serielle LED Displays zeigen dagegen in der Regel nur 4 Ziffern mit jeweils 7-LED- Segmenten und die Dezimalpunkte an. Sie sind im Dunkeln gut ablesbar, haben aber bei großer Helligkeit (im Freien) oft Kontrastprobleme und sind dann eher weniger gut ablesbar. Unter den LED-Displays gibt es dann noch den Unterschied, dass einige mit konstantem Strom betrieben werden (z.b. das LiteOn) und andere gepulst (gemultiplext) sind, wie z.b. das Sparkfun Modul. Konstantstrom-Displays brauchen deutlich mehr Strom, aber erzeugen wenig Power-Ground Störungen in der Stromversorgung. Sie sind auch deutlich billiger als gepulste Displays. Gepulste Displays sind dagegen stromsparend, müssen aber massiv gepuffert werden um zu verhindern, das die Schaltspitzen des Stromes zu Störungen in der Stromversorgung führen, die vom Sensor-Modul wie die Zählimpulse verstärkt werden. 3

4 Speziell das Sparkfun Display ist mit 50 Hz gemultiplext und kann, wenn es nicht genügend gepuffert ist, Probleme erzeugen. Allerdings ist dieses Display wiederum auch äußerst komfortabel in der Ansteuerung, sogar die Firmware des Controllers kann durch eine selbst entwickelte, der Applikation angepasste Firmware-Version überschrieben werden. Da alle Display Alternativen auf der Platine des Bausatzes unterstützt sind, wurden auch besondere Vorkehrungen zur Filterung der Stromversorgung des Sensor Moduls getroffen (LC-Filter). Ganz grundsätzlich kann man sich natürlich auch das Display-Modul ganz sparen, wenn man den Arduino an einem PC zusammen mit einem Terminal Programm (serial monitor) betreibt und die Messdaten dort anzeigen lässt. Abb. 2: Die einzelnen Hardware-Komponenten des low-cost Strahlungs-Messgeräts auf Arduino-Basis: der Arduino UNO, das Tino-Shield und das Display Modul Zur akustischen Signalisierung der einzelnen Zerfallsakte wurde ein Piezo-Signalgeber vorgesehen, der eine integrierte Tonerzeugung im Bauteil selbst hat. Hintergrund sind schlechte Erfahrungen mit käuflichen low-cost Geigerzählern. Piezo-Signalgeber haben meist ein Gehäuse, das als Helmholtz-Resonator ausgelegt ist. Der Hersteller weiß selbst meist viel besser bei welcher Frequenz die abgestrahlte Signalstärke ein Maximum hat und die kürzesten, mit dieser Frequenz erzeugten Bursts (modulierten Klicks) möglich sind. Außerdem wird der Mikrocontroller so von einer unnötigen Aufgabe entlastet und im Preis fällt die integrierte Ansteuerelektronik kaum auf. Die am Signalgeber-Anschluss abgreifbaren Zählimpulse lassen sich natürlich auch einfach von weiteren Auswerte-Komponenten weiterverarbeiten, die viel leichter realisiert werden kann, als wenn vom Mikrocontroller ein Ton für den Piezo erzeugt werden würde. Für eine Hintergrund-Überwachung ist allerdings der akustische Klick meist störend. Deswegen wurde ein kleiner Schalter vorgesehen, mit dem sich der Signalgeber abschalten lässt. 4

5 Das Teviso-Modul wurde wie beim Prototyp für eine gewinkelte Montage vorgesehen. Das hat den Vorteil, dass dann das ganze Shield gekippt und auf eine zu messende Fläche gestellt werden kann und das Display dabei immer noch gut ablesbar ist. Die 3 Winkelverbinder zum Teviso-Modul (Gnd, Vcc und Out) können leicht mit Silberdraht 0.8mm Ø hergestellt werden. Die Lötpads dafür sind so weit zurückgesetzt, dass auch noch eine Buchsenleiste zwischen den Sensor und die Winkelverbinder angebracht werden kann und der Sensor auf diese Weise leicht ausgewechselt werden kann. In ähnlicher Weise kann auch eine Buchsenleiste an den Displayanschlüssen angebracht werden, so dass das Display ebenfalls auswechselbar wird. Die Lötpads für die beiden Displays (LiteOn und Sparkfun) konnten so angeordnet werden, dass sich die beiden Bestückungsalternativen gegenseitig nicht behindern. Die Platine wurde komplett für Durchsteck-Bauteile entwickelt um Schwierigkeiten beim Löten zu vermeiden. Die 2-lagige Platine wurde mit chem. Nickel-Gold beschichtet um Oxidation zu verhindern und leichte Lötbarkeit sicherzustellen. Zudem wurden die Lötpads relativ groß (1mm Ø) und die Bohrungen mit 0.85mm Ø so vorgesehen, dass die Stifleisten nicht allzu viel Spiel haben und dennoch leicht in die Bohrlöcher eingeführt werden können. Mit SMD Bauteilen wäre sicherlich ein noch kompakteres Layout möglich gewesen. Da jedoch die Fläche des Shields durch die Fläche der Mikrocontroller-Boards vorgegeben ist und durch die Durchsteckmontage nicht vergrößert wird, wurde diese Bestückungsmethode bevorzugt. Zusätzlich sind noch zwei Lötpads für Kontaktstifte vorgesehen, die an Ground und an +5V angeschlossen sind. Auf die Platine wurden die Bauteil Kennungen mit einem Service Druck (Silk Screen) angebracht um Bestückungsfehler zu vermeiden. Die polarisierten Bauteile (Elektrolyt-Stützkondensatoren und der Piezo-Signalgeber) wurden zusätzlich mit einem + Zeichen markiert um sicher zu stellen dass sie nicht falsch herum bestückt werden. Abb. 3: Layout Plot der Tino-Shield Platine 5

6 Abb. 4: Das bestückte Shield mit abgenommenem Sparkfun-Display Abb. 5: Platinen-Oberseite 6

7 Abb. 6: Platinen-Unterseite Abb. 7: Bestücktes Tino-Shield ohne Teviso Modul und ohne Display 7

8 Abb. 8: Bestücktes Tino-Shield von unten Tino-Shield Bauteile Tino Platine opengeiger Piezo Ekulit AL-60 SP 05 Speaker Conrad Signalgeber mit Elektronik 85 db 4-7 V/DC uH Induktivität L1 Reichelt Stehende Induktivität, 09P, 10mH 09P 10M 470uF/16V C4 Reichelt Elektrolytkondensator, 10x12,5mm, RM 5,0mm RAD 470/16 100uF/10V C2 Reichelt Elektrolytkondensator, 105 C, RM 2,5mm RAD /35 1nF C5 Reichelt WIMA Folienkondensator, Rm 2,5mm 1,0nF MKS-02 1,0N 10nF C1 Reichelt WIMA Folienkondensator, Rm 2,5mm 10nF MKS-02 10N 100nF C3 Reichelt WIMA Folienkondensator, Rm 2,5mm 100nF MKS N 1k R6 Reichelt Kohleschichtwiderstand 1/4W, 5%, 1,0 K-Ohm 1/4W 1,0K 10k R1 Reichelt Kohleschichtwiderstand 1/4W, 5%, 10 K-Ohm 1/4W 10K Schalter Switch Reichelt Schiebeschalter 1xU, stehend, Print, RM 2,54 SS ESP101 Buchsenleiste 2.54mm Reichelt 20pol. Buchsenleiste, gerade, RM 2,54, H: 8,5mm BL 1X20G8 2,54 Stiftleiste 2.54mm Reichelt 36pol. Stiftleiste, gerade, RM 2,54 SL 1X36G 2,54 LiteOn Display Digikey DISPLAY 4DGT ALPHA-NUM RED 0.3" ND RD2007 Sensor Teviso RD2007 RD2007 Arduino UNO Exp-Tech Arduino UNO SMD R3 EXP-R Alternativen Sparkfun Display Exp-Tech 7-Segment Serial Display - Grün EXP-R RD2014 Sensor Teviso RD2014 RD2014 Tabelle 1: Liste der Bauteile mit derzeit möglicher Bezugsquelle 8

9 R1 10k LTM-8328PKR-04 Display L1 10mH C2 100µF Teviso RD2007 Out Vcc Gnd 3.3V 5V Gnd C1 10nF Signalgeber Switch R6 1k Arduino Power C3 100nF C4 470µF C5 1nF D7 D6 D5 D2 Arduino Digital A7 Rx Sparkfun Display Abb. 9: Schaltplan des Tino Shield für alternativen Anschluss eines seriellen Displays von Sparkfun oder LiteOn 9

10 Software für das Tino-Shield Die Beispiel-Software für das Tino-Shield wurde gegenüber dem Prototypen noch einmal verbessert. Bei der Variante mit dem LiteOn-Display werden nun die führenden Nullen unterdrückt, was den Stromverbrauch erheblich senken kann. Bei beiden Varianten (Sparkfun-Display und LiteOn Display) wurde dem Rat der Arduino-Entwickler gefolgt, die Zahl der Instruktionen in der Interrupt Routine zu minimieren und so viel wie möglich in die Hauptprogrammschleife zu verlagern. #include <LTM8328PKR04.h> #define MAXCNT 10 #define CalFactor 3.4 volatile int counter = 0; unsigned long oldtime = 0; float rate = 0.0; const byte datapin = 6; const byte clockpin = 7; int speaker = 5; LTM8328PKR04 sevseg(datapin,clockpin); void setup() { pinmode(speaker, OUTPUT); sevseg.setleadingzeros(0); int i = (int)(rate*10.0); sevseg.print(i,3); attachinterrupt(0, count, RISING); } void loop() { unsigned long time; unsigned long dt; time = millis(); if (counter >= MAXCNT) { dt = time-oldtime; oldtime = time; counter = 0; rate = (float)maxcnt*60.0*1000.0/(float)dt/calfactor; } } int i = (int)(rate*10.0); sevseg.print(i,3); void count() { counter++; digitalwrite(speaker, HIGH); delaymicroseconds(50000); digitalwrite(speaker, LOW); } Listing 1: Tino shield software example for the LiteOn display 10

11 #include <SoftwareSerial.h> #define MAXCNT 10 #define CalFactor 3.4 SoftwareSerial Serial7Segment(7, 6); char tempstring[10]; volatile int counter = 0; unsigned long oldtime = 0; float rate = 0.0; int speaker = 5; void setup() { pinmode(speaker, OUTPUT); Serial7Segment.begin(9600); Serial7Segment.write('v'); Serial7Segment.write(0x77); Serial7Segment.write(0b ); int i = (int)(rate*10.0); char tempstring[10]; sprintf(tempstring, "%4d", i); Serial7Segment.print(tempString); attachinterrupt(0, count, RISING); } void loop() { unsigned long time; unsigned long dt; time = millis(); if (counter >= MAXCNT) { dt = time-oldtime; oldtime = time; counter = 0; rate = (float)maxcnt*60.0*1000.0/(float)dt/calfactor; } } int i = (int)(rate*10.0); char tempstring[10]; sprintf(tempstring, "%4d", i); Serial7Segment.print(tempString); void count() { counter++; digitalwrite(speaker, HIGH); delaymicroseconds(50000); digitalwrite(speaker, LOW); } Listing 2: Tino shield software example for the Sparkfun display Die Tatsache, dass es für gewisse sehr gebräuchliche Display Module schon vorgefertigte Bibliotheken gibt, hat zur Auswahl der Anzeige vom Typ LTM-8328PKR-04 der Firma LiteOn (erhältlich z.b. über Digikey) geführt. Hierzu gibt es von Doe Goebish eine gut dokumentierte und einfach zu nutzende Bibliothek. Das erspart dann doch das Schreiben etlicher Codezeilen, im Gegensatz dazu ist die vorhandene Bibliothek mit einigen Mausklicks installiert. Um die Bibliothek nutzen zu können, muss die heruntergeladene zip-datei entpackt werden, das entstandene Verzeichnis umbenannt und in das Standard- Bibliotheksverzeichnis der verwendeten Arduino Software verschoben werden (<Pfad zur Arduinosoftware>/libraries). 11

12 Auch für die Sparkfun Anzeige gibt es vom Hersteller eine Software-Unterstützung mit vielen Beispielen. Für den Betrieb dieses Moduls muss jedoch keine spezielle Bibliothek heruntergeladen werden. Man kann z.b. einfach die Arduino Software-Serial Bibliothek benutzen, die eine serielle RS232 Schnittstelle auf zwei digitalen Pins erzeugt. Man benötigt von den Daten Pins allerdings nur den Tx-Pin des Arduino, welcher mit dem Rx Pin des Display Moduls verbunden wird. Für den Anschluss des Sparkfun Displays wurde das serielle Interface und nicht das I2C bzw. SPI Interface benutzt, die vom Display ebenfalls unterstützt werden. Im Beispielprogramm wird zur Initialisierung der Kommunikation in der Setup()-Routine lediglich ein Objekt Serial7Segment mit der SoftwareSerial Methode erzeugt, so dass der DigitalPin 7 als Rx Pin und der Pin 6 als Tx auf Arduino Seite benutzt werden. Pin 7 ist unnötig, da lediglich auf die Anzeige geschrieben aber nicht gelesen wird. Die Art und Weise wie auf die Anzeige geschrieben wird und was zur Initialisierung gesendet werden muss und kann ist bei Sparkfun im GitHub Repository mit etlichen Beispielen detailliert beschrieben. Um im richtigen Format zu schreiben, wird der Messwert (Dosisleistung in µsv/h) mit sprintf() zunächst in einen String mit 4 Zeichen umgewandelt, in tempstring zwischengespeichert und dann mit der.print()-methode auf das Serial7Segment Objekt geschrieben. Beim LiteOn Display ist die Vergehensweise vergleichbar aber auf Grund der geringeren Flexibilität weniger aufwändig. Neben den Standard Routinen setup() und loop() gibt es bei diesem hier als Beispiel angegebenen Zählprogramm daher noch die Routine count(), welche das eigentliche Zählen der Zählimpulse bewerkstelligt. In der count()-routine wird nun lediglich die Variable counter hochgezählt um möglichst schnell den Interrupt-Zustand wieder zu verlassen und andere Interrupt-gesteuerte Funktionen des Betriebssystems nicht zu blockieren. Die Zählrate selbst wird in der Standard-Routine loop() berechnet, die auch ohne Auftreten von Interrupts periodisch ausgeführt wird. Die Routine count() ist eine sogenannte Interrupt Service Routine (ISR), sie wird nur dann ausgeführt, wenn auf dem Interrupt-Eingang 0 (Digital Pin 2) eine steigende Flanke registriert wird. Das wird mit der Anweisung attachinterrupt(0, count, RISING); so vereinbart. Bei anderen Boards (wie z.b. dem Due) ist das unter Umständen anders. Im Normalfall befindet sich der Mikrocontroller in der Schleifenroutine loop(), berechnet die aktuelle Rate und gibt sie auf dem Display aus. Sobald aber das Eintreffen eines Zählimpulses registriert wird, legt er diese Arbeit kurz zur Seite und bearbeitet das, was in der ISR count() vorgegeben ist. In der ISR wird dazu der Impulszähler einfach inkrementiert und der Signalgeber für 50ms angeschaltet um einen hörbaren Click zu erzeugen. Die Variable counter muss außerhalb der Routine mit der Eigenschaft volatile deklariert werden, da sie sich in der ISR ändern kann und der Compiler instruiert werden muss, dass er sie immer aus dem Hauptspeicher lädt und auch keine Optimierung anwendet, um das zu verhindern. Von der Auswertung her ist das besondere an diesem Zählprogramm, dass nicht wie normal für ein vorgegebenes Zeitintervall die Anzahl an eingetroffenen Zählimpulsen ausgezählt wird, sondern es wird gewartet, bis eine vorgegebene Anzahl MAXCNT an Impulsen eingetroffen ist, dann wird bestimmt, welche Zeit vergangen ist um die Zählrate zu berechnen. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass es Proben gibt, für die man sehr lange zählen muss um eine gewisse Anzahl Impulse und damit eine gewisse statistische Sicherheit zu 12

13 bekommen. Für andere Proben hat man schnell die notwendige Anzahl beieinander. Wenn man nun schnell auf einen Anstieg der Rate von einem niedrigen Wert auf einen hohen Wert reagieren will, wäre es ungünstig, wenn man wegen der niedrigen Rate ein langes Zählintervall vorgegeben hätte. Dann bekommt man nämlich den Anstieg auf die hohe Rate erst nach Ablauf des langen Intervalls mit. Mit diesem Ansatz bleibt auch die Statistik (Streuung des Ergebnis-Wertes) unabhängig von der Zählrate. Da man für sehr schwache natürliche Strahlungsquellen mit einem Teviso-Sensor durchaus eine halbe Stunde brauchen kann, bis man 10 Pulse gezählt hat, ist diese Strategie ganz sinnvoll, so dass man nicht noch eine weitere Stunde warten muss um mitzubekommen, dass die Rate kräftig hochgegangen ist. Nur für den Fall, dass in der loop() Routine die vorgegebene maximale Impulszahl MAXCNT erreicht ist, wird die Zählimpulsrate neu berechnet und die Variable rate, welche die Zählrate speichert, wird aktualisiert. Dazu wird die Zeitdifferenz dt gemessen, welche zwischen dem letzten Erreichen von MAXCNT und der augenblicklichen Zeit vergangen ist. In die Zählimpulsrate wird noch der Kalibrierfaktor hineingerechnet. Solange er nicht nur auf 1 steht, sondern wie hier für den RD2007 Sensor auf 3.4 steht, dann ist das Ergebnis die Ortsdosisleistung in µsv/h und nicht nur die Zählrate in Pulsen pro Zeiteinheit. Um die Ausgabe nun beispielsweise auf dem 7-Segment Display von LiteOn zu machen und nicht über den serial Monitor, muss ein Objekt (eine Variable) sevseg vom Typ LTM8328PKR04 vereinbart werden. Das wird durch die Display-Bibliothek so vorgegeben. Bei der Objektvereinbarung werden die verwendeten Pinnummern für den Daten- und den Clock-Pin mitgegeben. Für dieses Objekt werden damit einige Methoden (Routinen) verfügbar, mit denen man auf das Display zugreifen kann. Auf das Display schreiben kann man mit der Methode.print(). Dabei wird der eigentliche Wert als Ganzzahl mit der Integer- Variablen i übergeben, gefolgt von einer Byte-Variablen, welche die Position des Dezimalpunkts angibt. Da die Rate als Float- Größe mit Fließkomma-Arithmetik berechnet wird, ist eine Konversion ins Ganzzahlformat notwendig, was das Abschneiden der Nachkommastellen zur Folge hat. Wenn man die Ortsdosis in µsv/h ausgeben möchte, dann hat man es aber mit mindestens einer Stelle nach dem Komma zu tun. Um diese nicht zu verlieren, muss die berechnete Größe (rate) vor der Konversion mit dem Faktor 10 multipliziert werden, was schließlich dadurch wieder kompensiert wird, dass man den Dezimalpunkt hinter die dritte Ziffer verschiebt. Man kann die korrekte Funktion dieses Zählprogramms auch ganz leicht mit einem Impulsgenerator testen, der periodische Impulse mit einer Dauer von ca. 200µsec ausgibt und das z.b. bei einer Frequenz von ca. 5.6Hz. Dann benötigen 10 Impulse (MAXCNT=10) nämlich 10*1/5.6Hz = Sekunden. Gemessen wird diese Zeit vom Arduino in Millisekunden, also ist dt = 1786ms. Das Programm rechnet dann aus dieser Zeit aus, dass die Dosisleistung 10*60*1000/1786/3.4 also ungefähr 100µSv/h beträgt. Das kann man sich als einfache Überprüfung leicht merken. Nach Beginn der Stromzufuhr braucht die Anzeige einige Sekunden bis sie initialisiert ist und auf.0 springt. Die normale Umgebungs-Radioaktivität misst das Tino Shield wie erwartet mit 0.1µSv/h und zeigt nach etwa 30min dafür den Wert.1 an. An einem Behälter mit 100g Kaliumchlorid 99.9% aus der Apotheke zeigt es etwa den Wert.4 an, was für 0.4µSv/h steht. Bei der Verwendung eines Wertes MAXCNT=10 muss allerdings beachtet werden, dass 13

14 dann die Streuung der gemessenen Dosisleistung D der statistischen Theorie nach D/ (MAXCNT) also etwa D/3 beträgt. Die Streuung ist also nicht gerade vernachlässigbar und kann nur dadurch verbessert werden, dass man MAXCNT auf Kosten der Messzeit auf entsprechend höhere Werte setzt. Platziert man den Sensor dagegen vor einer alten Armbanduhr mit Radium-Leuchtziffern zeigt das Display leicht Werte über 50.0 was so viel heißt wie mehr als 50µSv/h. Das kommt dadurch zustande, dass nun die Pin Diode im Sensor komplett und aus nächster Nähe bestrahlt wird. Das benötigt dann im Gegensatz nur etwa 3.5 Sekunden bei einem Wert von MAXCNT=10. Das zeigt, dass es wichtig ist, diesen Wert richtig an den erwarteten Bereich der Strahlungsquellen anzupassen um die Messzeit und Genauigkeit zu optimieren. Das Beispiel-Programm kann nun auch ganz leicht dahingehend abgeändert werden, dass z.b. der Signalgeber ab einer bestimmten Dosisleistung einen konstanten Signalton als Warnung abgibt oder Ähnliches. Weitere Verbesserungen und Erweiterungen sind wegen der Übersichtlichkeit und Einfachheit des Konzepts ganz einfach möglich. Bilder von Anwendungen des Tino Radiation Measurement Shield mit LiteOn Display Abb. 10: Tino vor einer mit Uranfarben bemalten Pillendose aus Keramik 14

15 Abb. 11: Messung einer mit Anna-Gelb gefärbten Uranglasschale Abb. 12: Messung von WT-20 WIG Schweißelektroden (Thoriumoxid Gehalt % ) 15

16 Abb. 13: Messung einer alten Armbanduhr mit Radium-haltigen Leuchtzeigern Abb. 14: Tino Shield (mit Sparkfun Display) auf einer Granit-Bodenfliese aus Flossenbürg, Messzeit 10min. 16

17 Links zu den Bauteile-Lieferanten und Software Bibliotheken Teviso (online-shop unter Kontakt) Reichelt Elektronik Conrad Electronic Digikey Exp-Tech Lite-On LTM-8328PKR-04 4x7 LED segments display library for Arduino Datasheet des LTM-8328PKR-04 von Digikey: Sparkfun display (grün) Ekulit signal generator with internal control, type: AL - 60 SP