Як могли помітити нові користувачі GGreg20_V3, зараз плата цього модуля постачається в чорному кольорі. Плата чорного кольору це вже мабуть десята генерація модуля GGreg20_V3. Ця версія плати отримала оновлену схему більш плавного регулювання високої напруги та обмеження її значень приблизно до 600 вольт.

Також модуль отримав дві наліпки. Перша з них, це наліпка Q.C. (контроль якості) на зворотному боці плати. Інша – VOID (гарантійна), на потенціометрі налаштування високої напруги модуля.

З тих пір як ми внесли ці зміни (а пройшло вже півроку), ми мали можливість поспілкуватися з Клієнтами стосовно оновлень і найчастіше вони розпитували нашу службу підтримки про наліпку VOID. Звісно ж, людей цікавить (а іноді навіть щиро обурювало), навіщо ми заборонили регулювання високої напруги модуля і що ця наліпка означає на практиці.

То ж розповімо про все по порядку.

За останній (2023-2024) рік нас непокоїла статистика раптових виходів з ладу модуля. Діагностика найчастіше вказувала на те, що причина скоріше за все у завищених значеннях високовольтної напруги. Це з часом обов’язково виводить з ладу компоненти модуля і навіть трубку Гейгера.

Саме тому, починаючи приблизно з вересня-жовтня 2024 року, ми внесли деякі покращення у наші внутрішні процедури вихідного контролю якості. Наліпка Q.C. наноситься на останньому з етапів вихідного тестування продукції.

Крім того ми вирішили додатково обмежити можливість порушення налаштувань потенціометра.

Оскільки модуль має дуже тонко налаштовуватися і ця частина модуля є аналоговою, налаштування потенціометра дуже легко порушити під час користування, струснути під час транспортування, тощо. Сподіваємося, що тепер наліпка VOID додатково фіксує налаштований нашими спеціалістами потенціометр.

Ця наліпка також є попередженням як для новачків, так і для досвідчених користувачів: не певен – не лізь.
Наша задача – зробити так, щоб всі, кому кортить змінити налаштування потенціометра спочатку пересвідчилися, що вони знають що роблять, знають як робити і які при цьому потрібно мати інструменти.

Тепер щодо випадків, коли дійсно потрібно налаштувати високу напругу. Нам відомий лише один такий випадок: якщо ви плануєте змінити трубку Гейгера і робоча напруга нової трубки значно відрізняється.
Наприклад, при заміні трубки J305 на SBM20 і навпаки, немає потреби змінювати налаштування модуля, адже рекомендовані напруги двох трубок майже однакові: 380В для J305 і 400В для SBM20. А от якщо потрібно замінити J305 на LND712, тоді дійсно треба налаштувати робочу напругу з 400В на 500В.

Як діяти, якщо все ж необхідно самостійно налаштувати потенціометр на іншу напругу? – запитують деякі з наших клієнтів.

Попередження!

На модулі є напруги, які можуть бути небезпечними для здоров’я та життя. Не порушуйте законодавство та правила поводження з електричними установками. Краще зверніться до спеціаліста, який має відповідні досвід та ліцензії.

Наші рекомендації такі:

1. Ознайомтеся з технічною нотаткою про початкове самостійне діагностування напруг на модулі GGreg20_V3.
2. Скористайтеся щойно отриманими знаннями (див. пункт 1) про правильне вимірювання напруг на модулі і проведіть вимірювання без зміни налаштувань потенціометра. При цьому переконайтеся, що ви користуєтеся відповідними інструментами для вимірювання і робите це так, як йдеться у нотатці.
3. Зверніться (електронною поштою) до нашої служби підтримки щоб повідомити, що ви плануєте змінювати налаштування. За потреби, отримайте консультацію від наших фахівців.
4. Регулюйте потенціометр до необхідного вам значення знявши наліпку VOID.

Висновки:

• З тих пір, як ми почали встановлювати наліпки Q.C. та VOID відповідно до вдосконалених процедур, ми не отримали жодного звернення щодо виходу з ладу модуля GGreg20_V3.
• Якщо потрібно замінити трубку SBM20 на J305, не треба змінювати налаштування потенціометра. Діапазони робочих напруг цих трубок Гейгера перетинаються. Просто зробіть заміну трубки.
• Відправляючи кожен модуль клієнту з наліпкою Q.C. ми тепер точно знаємо, що цей конкретний модуль був налаштований, а також кілька разів тривало перевірений (тестовий стенд накопичує статистику вимірів для перевірки роботи кожного модуля і трубки та їх стабільності) протягом години. І лише тоді наш фахівець дає дозвіл про відвантаження товару Замовнику.
• Тривале вихідне тестування роботи модуля також дозволяє виконати вибірковий  термальний контроль компонентів модуля.
• Гарантійна наліпка VOID на потенціометрі не обмежує ваших дій, як користувача продукту, а лише попереджає, що крутити потенціометр без відповідних знань та інструментів небезпечно. Порушуючи наліпку VOID користувач свідомо приймає супутні ризики.
• Якщо ви будете читати документацію та робити все відповідно, то і гарантійне обслуговування / ремонт / заміна вашому модулю GGreg20_V3 не знадобиться.
• Просто не знімайте наліпку VOID і не змінюйте налаштувань без нагальної потреби.

Методологія тестування

Для проведення вимірювань ми розробили спеціальний тестовий стенд на базі платформи Home Assistant. Центральним елементом системи був контролер Raspberry Pi Pico W з прошивкою ESPHome, який керував роботою модуля GGreg20_V3. Для точного вимірювання споживаної енергії ми використовували сенсор INA219, підключений до контролера NodeMCU / ESP8266 також з прошивкою ESPHome. У якості джерела живлення GGreg20_V3 ми застосували лабораторний блок живлення, який і задавав точний рівень напруги під час тестування. 

Оскільки модуль GGreg20_V3 підтримує широкий діапазон напруг живлення, щонайменше від 3.0 і аж до 5.5В, для того, щоб показати наскільки відрізняється результат тесту, ми взяли три найпоширеніших рівня напруги живлення: 3.3В, 3.7В, 5.0В. Такі напруги дають уявлення про те, яке буде споживання модуля під час живлення від:

• іншого контролера чи джерела з напругою 3.3В;
• літієвої акумуляторної батареї з напругою 3.7В;
• іншого контролера чи джерела з напругою 5В.

Важливо зазначити, що сенсор INA219 вимірював лише енергоспоживання модуля GGreg20_V3, тоді як контролери живилися окремо. Це дозволило отримати максимально точні дані.

Також відмітимо, що рівень напруги живлення з плином часу у межах 60 хвилинного тесту не змінювався. Тому не слід сподіватися, що ми виконали повну емуляцію, наприклад літієвої батареї, що розряджається під навантаженням і відповідно втрачає напругу з 4.2В до 2.5В на протязі тесту. І хоча, це був би дійсно корисний і цікавий дослід, ми вирішили настільки сильно не заморочуватися з цим.

Тестовий стенд

Програмне забезпечення на боці вимірювального сенсора спожитої електричної енергії на базі ESP8266 + INA219 з прошивкою ESPHome:

sensor:
  - platform: ina219
    address: 0x40
    shunt_resistance: 0.1 ohm

    current:
      name: "INA219 Current"
      accuracy_decimals: 5
      id: current_value

    power:
      name: "INA219 Power"
      accuracy_decimals: 5
      id: power_value

    bus_voltage:
      name: "INA219 Bus Voltage"
      accuracy_decimals: 5

    shunt_voltage:
      name: "INA219 Shunt Voltage"
      accuracy_decimals: 5

    max_voltage: 32.0V
    max_current: 3.2A
    update_interval: 1min

  - platform: integration
    name: "Total Energy Consumed"
    id: total_energy
    sensor: power_value
    time_unit: min
    accuracy_decimals: 5
    unit_of_measurement: "Wh"
    filters:
      - multiply: 0.0166666666666667

  - platform: integration
    name: "Total Current Consumed"
    id: total_current
    sensor: current_value
    time_unit: min
    accuracy_decimals: 5
    unit_of_measurement: "Ah"
    filters:
      - multiply: 0.0166666666666667

Цей фрагмент YAML-конфігу забезпечує всі необхідні дані для запланованого нами тестування модуля сенсора радіації GGreg20_V3 з точки зору споживання енергії під час роботи у нормальних умовах фонового випромінювання.

Процес вимірювання

Вимірювання споживання енергії проводилися щохвилини, з накопиченням даних за попередні періоди. Тестування тривало протягом години, що дозволило отримати значення реального споживання модуля GGreg20_V3 за 60 хвилин для кожної з трьох напруг живлення.

Платформа Home Assistant використовувалася для збору та фіксації даних з сенсорів. Вона також надала інструменти для створення наочних графіків споживання електроенергії.

Результати та висновки

Завдяки проведеному тестуванню ми отримали детальні дані про споживання електроенергії модулем GGreg20_V3 при різних напругах живлення. Отримані результати дозволяють користувачам оптимізувати енергоспоживання своїх DIY-проектів з використанням цього модуля.

Живлення напругою 3.3В

Живлення напругою 3.7В

Живлення напругою 5.0В

Узагальнені результати

Тестування споживання енергії модулем GGreg20_V3 проводилося протягом 60 хвилин при різних напругах за нормальних умов. Цикл оновлення вимірів INA219: 1 хвилина

Дата проведення: 27.08. – 31.08.2023

Під час тестування відхилень у вимірах рівня радіації не спостерігалося

Тестування проводилося з налаштуваннями модуля GGreg20_V3 за замовчуванням. Базер включений. Діод захисту Шотткі – встановлений. Синій індикатор живлення світиться постійно. Напруга живлення залишалася незмінною на протязі всього циклу тестування.

Додаток. Теоретичний графік розряду батарей

Ми також вирішили показати наочно теоретичний графік розряду при трьох різних напругах під час живлення модуля GGreg20_V3 від акумуляторних батарей різної хімії та ємності.

За основу для розрахунків ми взяли характеристики батарей, що є в інтернет:

Але звертаємо ще раз увагу, що цей графік є теоретичним припущенням і не враховує розряду реальних батарей під навантаженням у часі та зміни рівня напруги і струму споживання протягом розряду.

Про GGreg20_V3

Модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3 виробництва ТОВ “ІОТ-ДЕВАЙСЕС” (aka IoT-devices, LLC) є флагманським продуктом компанії, що знайшов своїх користувачів у більш ніж 30 країнах світу. 

По всьому світові радіоаматори застосовують GGreg20_V3 – створюють власні DIY проекти, навчаються та ставлять експерименти, пов’язані з вимірюванням радіації. 

Розробляючи цей продукт і удосконалюючи його з 2020 року, ми намагалися зробити модуль компактним, готовим до використання, сумісним з якомога більшою кількістю DIY платформ і систем, невибагливим щодо живлення, простим з точки зору програмування та гармонізованим за робочими характеристиками з різноманітними трубками Гейгера. 

А ще ми розробили низку прикладів та виклали їх на GitHub для різноманітних апаратних та програмних платформ як от Arduino UNO, ESP32, ESP8266, Raspberry Pi Pico W, NodeMCU, ESPHome, Tasmota, MicroPython, Home Assistant.

І ми, у IoT-devices сподіваємося, що наші Клієнти отримують чудовий користувацький досвід та справжнє задоволення, впроваджуючи цей модуль у свої проекти.

А також ми дякуємо кожному, що підтримали та обрали цей розроблений і виготовлений в Україні продукт. Ми це дуже цінуємо!

Ключові слова

Лічильник Гейгера 

GGreg20_V3

Тестування споживання електроенергії

DIY-проекти

Home Assistant

Raspberry Pi Pico W

ESPHome

INA219

NodeMCU

ESP8266

I2C

WiFi

YAML

Якщо ви стикнулися з такою ж ситуацією після оновлення ваших пристроїв ESP32 з прошивкою ESPHome, радимо ознайомитися з нашим репозиторієм, який вже містить опис та обхідне рішення виявленої проблеми. Ось шлях: https://github.com/iotdevicesdev/GGreg20_V3-ESP32-HomeAssistant-ESPHome

Також запрошуємо почитати обговорення на GitHub:
https://github.com/iotdevicesdev/GGreg20_V3-ESP32-HomeAssistant-ESPHome/issues/5

З повагою,
IoT-devices Team

Модуль DCDC_3V3_400V_V1 є джерелом високої напруги для живлення широкого спектру трубок Гейгера – Мюллера, які мають різний рівень напруги анод – катод, а також може бути застосований в якості малопотужного джерела високої напруги в інших DIY проектах.

Потреба встановлення різного рівня вихідної напруги, є однією з причин встановлення в модулі налагоджувального потенціометра.

Іншими налагоджувальними компонентами є резистор R1 і конденсатор C1.

Для пояснення наведена зображена нижче.блок схема.

На блок схемі ліва частина демонструє структуру модуля високовольтного перетворювача DCDC_3V3_400_V1.

Права частина блок схеми показує компоненти споживачів електричної енергії від модуля DCDC_3V3_400_V1, інтегрованого в DIY проект, відповідно до задуму користувача.

Вихідним каскадом модуля DCDC_3V3_400_V1 є високовольтний помножувач. В проектах детекторів радіації на базі лічильника Гейгера-Мюллера трубка отримує високу напругу від 300 до 2000 вольт через ланцюжок R1C1. 

Значення опору, ємності і напруги для R1 і C1, залежать від типу трубки або схемотехніки DIY пристрою. Зважаючи на це, R1 i C1 на модулі DCDC_3V3_400_V1 не встановлені. 

Іншою причиною відсутності на модулі R1 і C1 є ймовірність пошкодження (електричного пробою) С1 під час регулювання напруги потенціометром. 

Враховуючи ці фактори, рекомендуємо при проведенні тестування модуля DCDC_3V3_400_V1, до вихідних контактів припаяти або приєднати ланцюжок за  такою схемою:

Регулювання і вимірювання напруги потрібно виконувати аналогічно до кроків зазначених у Інструкції з початкової діагностики модуля лічильника гейгера GGreg20_V3.

Перш ніж розпочати

1. На компонентах пристрою небезпечна для людини напруга. Не порушуйте техніку безпеки та правила поводження з електричними установками.

2. Для збереження гарантії на пристрій, користувачам забороняється самостійно регулювати потенціометр. Щоб внести зміни у налаштування модуля, будь-ласка, отримайте спочатку дозвіл та інструкції від служби підтримки.

3. Звертаємо увагу, що у випадку, коли для вимірювання високої напруги на модулі GGreg20_V3 застосовується звичайні вольтметр (не такий, якого вимагає дана інструкція) виміри будуть не точними і небезпечними. Найчастіше, неточний вимір і налаштування призводить пристрій у неробочий стан, або виводить його з ладу. Мультиметр також може вийти з ладу.

Будь-ласка, не намагайтеся виконувати вимірювання високої напруги невідповідними інструментами. 

Звичайний вольтметр може показувати 150В, в той же час, як реальне значення напруги може сягати 600В, що гарантовано виведе модуль чи трубку з ладу. 

Також звичайний мультиметр може не мати необхідної швидкодії перетворення аналогових величин, які вимірюються.

Ну і на сам кінець, зверніть увагу, що вимірювання високої напруги проводиться на конденсаторі, тому не забувайте давати йому час, щоб зарядитися перед черговим виміром.

Початок роботи

1. Від’єднайте модуль від плати MCU та подайте живлення на модуль через відповідний роз’єм на модулі (BAT).

2. Огляньте плату детектора за допомогою лупи на наявність пошкоджених компонентів.

3. Перевірте вхідну напругу постійного струму блоку живлення Upower_supply, що подається на модуль. Вхідна напруга постійного струму повинна бути між 3,0 і 5,5 В. Потужність джерела живлення повинна бути не менше 5 Вт (1 ампер при 5 В).

4. Перевірте, чи правильно встановлена трубка J305 на тримачах. Увага! Електроди трубки та деяких інших компонентів можуть перебувати під небезпечною напругою протягом тривалого часу після вимкнення.

5. Увімкніть модуль датчика GGreg20_V3 без корпусу для доступу до точок діагностики.

6. Синій світлодіод світиться нормально.

7. Червоний світлодіод не блимає (зумер не пищить, імпульсів на виході немає, навіть з перемичкою).

1. Необхідні інструменти

Примітка: В якості альтернативи можна використовувати мультиметр з вищевказаними характеристиками. Однак осцилограф буде набагато ефективнішим для цього завдання.

2. Діагностичні дії

Мета: отримати дані про напруги:

• на точках живлення модуля (низьковольтна частина);
• на елементах високовольтної частини модуля.

2.1 Діагностичні точки

2.2 Вимірювання низької напруги

2.2.1 Переконайтеся, що рівень постійної напруги U5V в точці, показаній на рис. становить 5В +-5%.

2.3 Вимірювання високої напруги

2.3.1 Налаштуйте осцилограф і щуп наступним чином:

– Виберіть вхідний канал, встановіть режим на постійний струм, 10 вольт на поділку.

– Встановіть перемикач на щупі в положення 1:10.

– Частота дискретизації (кількість точок сигналу за одиницю часу): 1 поділка за 1 секунду.

– Увімкніть функцію фіксації миттєвих максимальних значень напруги.

2.3.2 Обережно підключіть вивід GND осцилографа до заземлення модуля. Для цього встановіть щуп GND (або припаяйте дріт) в точку «GND», показану на рис. Виміряйте щупом рівень напруги в точці, показаній на рис.

2.3.3 Зробіть кілька вимірювань U400V. Між вимірюваннями робіть паузу 5-10 секунд, яка необхідна для відновлення рівня заряду конденсатора. Спостерігайте на екрані осцилографа осцилограму розряду конденсатора вхідним опором осцилографі і виміряні максимальні значення напруги. Правильне значення напруги має бути наступним: 380 +- 40 вольт для трубки J305.

Попередження:

а) Напруга 400 вольт є небезпечною для людського організму.

б) Неточне розташування щупа осцилографа в точці вимірювання може призвести до пошкодження інших компонентів.

3. Збір даних спостережень та звітність

Повідомте нам в службу підтримки результати вимірювань (Upower_supply, U5V, U400V). Ми надамо додаткові інструкції.

Ми раніше вже писали про те, як розрахувати коефіцієнти для трубки SBM20 та трубки J305, які постачаються з нашим модулем лічильника Гейгера GGreg20_V3 для DIY / IoT проектів. 
Але у тих статтях ми багато зробили наголосу на формулах розрахунку і майже випустили з уваги дуже важливу деталь: коли ми розраховуємо коефіцієнт перетворення кількості імпульсів трубки Гейгера, то маємо бути свідомими того, яку саме величину ми бажаємо отримати на виході.

Якщо нам потрібно отримати зареєстровану лічильником потужність випромінювання радіоактивного джерела, це буде одна задача. 
Зовсім інша задача, коли нам потрібно отримати еквівалентне значення дози радіації поглинутої людським тілом за певний час.

Як рахувати коефіцієнти ми докладно розповідаємо у попередніх наших публікаціях, тому зараз не будемо витрачати час читача. 
Краще ми спробуємо показати відмінності розрахованих коефіцієнтів і як краще ними скористатися для DIY проекту

Дані наводимо для трубки J305. На її місці також може бути будь-яка інша трубка Гейгера, як-от SBM20 чи LN712, адже всі вони мають подібний принцип дії за виключенням певних нюансів, якими можемо знехтувати в межах цієї історії.

У попередніх наших публікаціях ми йшли з початку до кінця: маємо імпульси -> хочемо тримати значення у μSv/h.
Сьогодні ми спробуємо йти навпаки: крокуючи від мети DIY-проекту крізь послідовні дій її досягнення.

Як користувачі DIY лічильника Гейгера, скоріше за все ми хотіли б отримати доступ до наступної інформації на дисплеї нашого пристрою:

1. Кількість зареєстрованих імпульсів на хвилину отримана від лічильника, CPM;
2. Потужність джерела випромінювання зареєстрована лічильником, μSv/h;
3. Поглинута людським тілом доза за певний період часу, μSv.

Подивіться уважно на ці величини. Секрет правильного їх розрахунку полягає не лише у правильних формулах та коефіцієнтах, а також і у розумінні загального процесу:

• джерело випромінює;
• лічильник реєструє;
• людське тіло поглинає;

Людське тіло поглинає не все, що реєструє лічильник. Виміри лічильника та поглинута доза дуже сильно залежать від багатьох факторів. Тому для спрощення вимірів прийнято застосовувати вже готові дані від виробника та еквівалентні моделі розрахунку відповідних коефіцієнтів.

Кількість імпульсів

Кількість імпульсів ми отримуємо від модуля лічильника Гейгера. Для зручності розрахунків, а також виходячи із щільності імпульсів під час вимірювання нормального фонового випромінювання, цей показник найкраще розраховувати у імпульсах за хвилину, CPM (Counts per Minute).

Наприклад, виробник J305 зазначає у даташит, що при нормальному фоновому випромінюванні трубка має видавати 25 імпульсів на хвилину. Інакше кажучи 25 CPM.

Навіщо нам на дисплеї величина CPM, якщо є інші, більш зрозумілі показники? Дійсно, без імпульсів на хвилину можна обійтися. Але це дуже зручний показник, коли ми хочемо зрозуміти, чи не буває збоїв у роботі пристрою. Зазвичай, у своїх пристроях ми робимо накопичувальний лічильник кількості зареєстрованих імпульсів за весь час роботи пристрою з моменту подачі живлення. 

У цьому випадку, навіть якщо у нас немає джерела точного синхронізованого часу як-от NTP чи RTC, ми все одно можемо розрахувати середню кількість імпульсів на хвилину поділивши суму всіх імпульсів на весь час, що пройшов з моменту подачі живлення. Цей показник може свідчити про якість наших даних, навіть якщо пройшли години з моменту вмикання пристрою. 

Сподіваємося, що оскільки сам принцип таких контролів вже відомий і вам, то ви за потреби розробите власні алгоритми перевірки якості даних та роботи лічильника. Реалізацій може бути багато.

Потужність джерела випромінювання

Коли ми хочемо оцінити потужність джерела випромінювання, ми маємо застосовувати коефіцієнт перетворення CPM у μSv/h отриманий шляхом розрахунків на базі даних зазначених у даташит на трубку від виробника:

Для трубки J305 виробник вказує чутливість 44 імп/c при 1 мР/год від джерела Co-60;

Зробимо необхідні нам перетворення цих даних:

1. Перетворимо в імпульси на хвилину при 1 мР/год:

CPS / mR/h → CPM / mR/h: 44 * 60 = 2640;

2. Перетворимо в імпульси на хвилину при 1 мкЗв/год: 

CPM / mR/h → CPM / μSv/h: 2640 / 10 = 264;

3. Ціна одного імпульсу за хвилину у мкЗв/год:

1 / ( CPM / μSv/hr ) = 1 / 264 = 0,00378;

Таким чином, якщо нам потрібно перевести імпульси, зареєстровані трубкою J305 протягом хвилини у мкЗв / годину і отримати значення потужності джерела випромінювання:

1 імп/хв = 0,00378 мкЗв/год;

або

Коли ми читаємо документацію на трубку Гейгера, то саме про розрахунок цього показника там йдеться.

Еквівалент поглинутої людським тілом дози

Для отримання значення еквіваленту дози випромінювання поглинутої людським тілом застосуємо модель фантому людського тіла:

1. Перетворимо імп/с у імп/хв при 1 мР/г:

44 * 60 = 2640 імп/хв / мР/год

2. Перетворюємо імп/хв при 1 мР/г у імп/хв при 1 Р/год:

2640 * 1000 = 2640000

3. Знаходимо значення дози експозиції R/h при 1 імп/хв:

1 / 2640000 = 0,0000003787878788

4. Знаходимо air-kerma (Ka, kinetic energy released per unit mass / in matter):

Рівняння має наступний вигляд: 

Ka [Gy] = 0,00877 [Gy/R] x exposure [R]

де 0,00877 – коефіцієнт поглинання дози радіації людським тілом на фантомній моделі під впливом фотонних енергій 100 keV – 3 MeV

0,00877 * 0,0000003787878788 = 0,000000003321969697 Ka[Gy]

5. Перетворимо Ka[Gy] у Ka[μSv] (тобто перейдемо від Грей до мкЗв):

0,000000003321969697 * 1000000 = 0,003321969697 Ka[μSv]

Таким чином, формула еквівалентної поглинутої дози тілом людини радіації для трубки Гейгера-Мюллера J305 з гамма- чутливістю по Co-60 44 cps / mR/hr наступна:

Зверніть увагу. Щоб отримати кумулятивне значення дози еквівалентної енергії поглинутої тілом людини, нам потрібно додавати щохвилинні значення до попередньої накопиченої суми протягом всього часу вимірювань (з моменту подачі живлення чи скидання значення лічильника). Дивись приклад нижче.

Чому нам має бути більш цікава доза поглинутої людським тілом радіації, а не потужність джерела радіації? На те є мінімум дві причини, які витікають одна з одної. 

По-перше, з точки зору радіаційної безпеки, важлива не потужність джерела як така, а саме доза, яку ми отримаємо за певний час, якщо будемо перебувати під впливом джерела радіації.

По-друге, оскільки доза отриманого опромінення є такою важливою, то саме дозу для людини розраховують та наводять державні організації з радіаційного захисту та охорони здоров’я громадян. 

Зазвичай припустиму дозу навоводять для проміжку часу у один рік. Саме такі табличні дані дозволяють об’єктивно оцінити, що є нормальним рівнем постійного фонового випромінювання – той момент, коли потужність джерела та отриману еквівалентну дозу людським тілом можливо привести до спільних одиниць та порівняти. 

Якщо постійний фоновий рівень за своєю миттєвою потужністю у перерахунку до року виявиться вище, ніж припустима доза на рік, то це може бути не фон, а певне радіоактивне джерело. І тоді з потужністю джерела, яке створює створює такий “фон”, потрібно негайно щось робити, щоб не перевищити припустиму поглинуту нашим тілом дозу опромінення.

Практика та приклади

І ось тепер ми підходимо до найголовнішого: створюючи сутності сенсорів для GGreg20_V3 з трубкою J305, наприклад у ESPHome, нам потрібно брати відповідні коефіцієнти для різних величин.

1. Кількість імпульсів за хвилину, це завжди лише кількість імпульсів – безрозмірна величина. Але за потреби також може бути застосовано коефіцієнт перетворення чи усереднення (у цій статті не розглядаємо);
2. Для потужності радіоактивного джерела CPM * 0,00378 [μSv/h];
3. Для еквівалентної дози поглинутої людським тілом CPM x 0,00332 [μSv/h] знаходячи при цьому суму щохвилинних значень [μSv] за весь час вимірювань.

Приклад для ESP32 + GGreg20_V3 + J305 у ESPHome

# 1. Сенсор кількості імпульсів від лічильника з циклом вимірювання 60 секунд

 sensor:
- platform: pulse_counter
  pin:
    number: 23
    inverted: True
    mode: 
      input: True 
      pullup: False
      pulldown: False
  unit_of_measurement: 'CPM'
  name: 'Ionizing Radiation CPM'
  count_mode: 
    rising_edge: DISABLE
    falling_edge: INCREMENT # GGreg20_V3 uses Active-Low logic
  use_pcnt: False
  internal_filter: 180us # for J305
  update_interval: 60s
  accuracy_decimals: 0
  id: my_cpm_meter

# 2. Сенсор потужності джерела випромінювання з циклом вимірювання 60 секунд

- platform: copy
  source_id: my_cpm_meter
  unit_of_measurement: 'uSv/Hour'
  name: 'Ionizing Radiation Power'
  accuracy_decimals: 3
  id: my_power_meter
  filters:
    - multiply: 0.00378 # for J305

# 3. Сенсор еквівалентної дози поглинутої людським тілом на годину з циклом вимірювання 60 секунд

- platform: copy
  source_id: my_cpm_meter
  unit_of_measurement: 'uSv/Hour'
  name: 'Ionizing Radiation Equivalent Absorbed Energy'
  accuracy_decimals: 3
  id: my_dose_meter
  filters:
    - multiply: 0.00332 # for J305

# 4. Кумулятивна еквівалентна доза поглинутої людським тілом радіації за час з початку вимірювання (читай, з моменту подачі живлення)

- platform: integration
  name: "Total Ionizing Radiation Equivalent Absorbed Energy Dose"
  unit_of_measurement: "uSv"
  sensor: my_dose_meter # link entity id to the pulse_counter values above
  icon: "mdi:radioactive"
  accuracy_decimals: 5
  time_unit: min # integrate values every next minute
  filters:
    # cumulative absorbed dose. Converting it from uSv/hour into uSv/minute: [uSv/h / 60] OR [uSv/h * 0.0166666667]. 
    - multiply: 0.0166666667
    # but if my_dose_meter in CPM, then [0.00332 / 60 minutes] = 0.000055; so CPM * 0.000055 = dose every next minute, uSv.
    #- multiply: 0.000055 # for J305

Висновки

У статті ми зробили важливу знахідку, що коефіцієнти для різних задач для однієї і тієї ж трубки Гейгера мають бути різними. Цей підхід відрізняється від прикладів, які наводять у інтернет. 

Хоча ми і писали вже побіжно про різні коефіцієнти (дивись статті про розрахунок коефіцієнтів перетворення), але у своїх численних прикладах на GitHub ми раніше послуговувалися лише одним коефіцієнтом, бо так роблять всі. 

Тепер ми вважаємо, що краще рахувати окремий коефіцієнт під кожну сутність сенсора в залежності від типу та призначення. Можливо, ми навіть зробимо оновлення YAML-файлів у наших прикладах на GitHub.

Посилання на інші публікації та приклади

UA: Трубка Гейгера J305: Як розрахувати коефіцієнт перетворення CPM у мкЗв/год. Технічна нотатка
EN: Geiger tube J305: How to calculate the conversion factor of CPM to μSv/h. Technical note

UA: Технічна нотатка: Як розрахувати коефіцієнт перетворення для трубки Гейгера СБМ20
EN: Technical note: How to calculate the conversion factor for Geiger tube SBM20

UA: Трубки Гейгера-Мюллера: порівняння SBM20, J305 та LND712
EN: Geiger-Muller tubes: Comparison of SBM20, J305 and LND712

EN: DIY Geiger counter GGreg20_V3 on GitHub

Easy Links

Unique Vendor ID: https://go.iot-devices.com.ua/ggreg20_v3
User Friendly ID: https://go.iot-devices.com.ua/geiger-counter

Де та як замовити

Website Online Shop
Etsy Store
Tindie Marketplace

Та найголовніша його перевага у тому, що він працює через I2C шину. 

Чому ці термометри є недооціненими

Хтось може зауважити, що LM75 це не найкращий сенсор за своїми технологічними особливостями і виконанням у вигляді мікросхеми. І дійсно, є багато інших типів сенсорів температури, такі як 1-Wire Dallas  DS18b20. Ці сенсори мають одно-провідне підключення та багато інших конструктивних переваг, таких як вологозахищені металізовані корпуси у вигляді капсули, тощо. На шину 1-Wire можливо підключити багато термометрів на одному дроті, 1Wire підтримує контроль помилок та ідентифікацію пристроїв, тощо, тощо.

Але у шини 1-Wire є один і найголовніший недолік – для цієї шини не випускають інших пристроїв, крім термометрів. Точніше не так, їх випускають, але це настільки не популярний сегмент, що їх неможливо купити.

Коли нам потрібно побудувати пристрій середньої складності, як-от метеостанція, одразу декілька різноманітних сенсорів та інших периферійних пристроїв необхідно підключати до головного контролера (перелік, наприклад):

• Сенсор BME680 / BME280 I2C / SPI;
• Сенсор DS18b20 1-Wire;
• Дисплей SPI / I2C;
• Сенсор блискавки AS3935 SPI / I2C;
• Сенсор освітленості MAX44009 I2C;
• Сенсор температури та вологості HDC1080 I2C;
• Сенсор CCS811 I2C;
• Сенсор SCD4X I2C;

І навіть в ситуації з потужним ESP32 (не кажучи про ESP8266 та подібні контролери, як-от Arduino чи RPI Pico W), ми будемо вимушені вирішувати задачу оптимізації кількості інтерфейсів та протоколів. Адже обробка кількох різних протоколів рано чи пізно вплине на нашу розробку і буде вимагати спрощення не лише на боці апаратного забезпечення (бюджет вільних портів вводу-виводу), а і програмної реалізації драйверів для різних протоколів та інтерфейсів, які мають крутитися паралельно в головному циклі контролера.

Примітка. Про SPI ми не пишемо тут, адже це спеціалізований протокол з абсолютно іншим призначенням та сильними сторонами, які стосуються хіба що виключних ситуацій, коли йдеться про сенсори.

Тому, на нашу думку варто одразу обирати рішення, які буде можливо легко розширювати та експлуатувати в майбутньому. 1-Wire- та SPI- пристрої мало придатні до таких вимог і через це ми радимо їх не розглядати крім випадків, коли це дійсно необхідно (як у випадку з SPI: дисплеями високої роздільної здатності, чи вимірюванням величин з швидкостями наближеними до реального часу).

Варто спробувати будувати оптимальне програмно-апаратне рішення – робимо крок у бік шини I2C. Тобто, оскільки у нас на головному контролері буде дисплей SSD1306 з I2C, кейпад I2CUI4_V1 з I2C – навіщо нам ставити сенсори температури з якимось іншим інтерфейсом? – Так і вирішили, буде лише один інтерфейс: шина I2C. Всі з’єднання будуть через поділювач / хаб I2CHUB_V1, який підтримує підключення до контролера 5 пристроїв одночасно.

Примітка. Нагадаємо, що I2C –  чудова шина – дозволяє не лише підключати безліч пристроїв одночасно, а також надає можливості з ідентифікації пристроїв на шині, контролю помилкових даних та можливість гарячої заміни (підключення і відключення пристроїв користувачем на ходу).

Вбудовані у ESPHome драйвери

Втім, коли ми робимо пошук на сайті ESPHome, то виявляється, що сенсор LM75, який ми зібралися використати у проекті в якості термометрів, не підтримується – вбудованого драйвера немає.

Починаємо проводити власне невелике розслідування щодо наявних драйверів у ESPHome для сенсорів температури подібних до LM75 (0.89 USD на Mouser). І виявляємо, що є два інші термометри, для яких вже написано вбудований драйвер у ESPHome:

• MCP9808 (1.39 USD на Mouser)
• TMP1075 (0.74 USD на Mouser)

Обидва сенсори нас би влаштували технічно. Вони є в наявності на Mouser та інших подібних майданчиках. Але ми не змогли знайти готові модулі з цими мікросхемами за ціною, яка була б наближено до ціни на модулі з LM75. 

Ми подумали, що це нас не влаштовує, як не влаштувало б і більшість наших читачів. З огляду на подібність цих чіпів, ніхто не воліє переплачувати за модуль термометра 5-10 разів, якщо у кожному магазині можна купити модуль на базі LM75.

Цікаво, що сенсор TMP1075 є сумісним зі специфікацією LM75 (про це чітко вказано у даташит), яка дефакто є галузевим стандартом. Відтак, ми зробили висновок, що можемо спробувати підключити наш LM75-термометр з драйверами для TM1075, які є вбудованими у ESPHome.

Але, на жаль, у нас не вийшло зробити таке підключення, навіть зважаючи на те, що адресація на шині, внутрішні регістри є тотожними у згаданих сенсорів. Єдине що їх відрізняє, так це те, що у TMP1075 також є спеціальний регістр ідентифікації, якого не має сенсор LM75. Але навіть спроби внести зміни у перевірку типу сенсора на рівні CPP-коду цього драйвера не дали нам змоги його застосувати з чипом LM75.

Примітка. Чесно кажучи, нам досі не зрозуміло, чому розробники та контрибутори ESPHome, досі не зробили вбудованого драйвера для LM75. Нам би не довелося писати цю публікацію і проводити купу часу за дивними експериментами.

Тому ми повернулися у вихідну точку і зробили так, як потрібно було зробити з самого початку. 

Підключення драйвера ззовні

Як ви мабуть знаєте, в ESPHome є щонайменше два механізми підключення власних драйверів пристроїв ззовні: Custom Component та External Component. 

Custom component наразі вважається застарілим варіантом інтеграції і не рекомендується документацією ESPHome до використання. 

Натомість, документація радить використовувати інший, альтернативний спосіб, який на наш погляд, є наразі єдиним, найпростішим та найкращим для виконання інтеграції драйверів власноруч – External Component. 

Відмінність External Component полягає у тому, що користувач ESPHome не прописує вручну інтерфейси для потоків даних з сенсора через манівці, а застосовує цілком регламентовані механізми, які до речі застосовуються також всіма іншими компонентами ESPHome:

Отже, щоб підключити External Component, спочатку потрібно правильно описати його обвязку. Ми не будемо тут занурюватися у деталі програмування та конфігурацій, адже ми знайшли на GitHub вже готовий компонент для LM75.

Щоб додати сенсори LM75, у YAML-конфіг пристрою в ESPHome, потрібно додати лише кілька рядків:

• підключити зовнішній компонент (External Component):

• додати сутності сенсорів LM75

Для зручності ми форкнули репозиторій esphome-lm75, який надано https://github.com/btomala на GitHub у свій акаунт https://github.com/iotdevicesdev/esphome-lm75

Приклад, як виглядає підключення драйверів LM75 для контролера ESP12.OLED_V1 виробництва IoT-devices, LLC у ESPHome:

# YAML Config Example
esphome:
  name: esp12oled-lm75
  friendly_name: esp12oled-lm75
  comment: "Configuration example of two LM75 for ESP12.OLED_V1 with ESPHome firmware"
  project:
    name: "iot-devices.esp12oled-lm75"
    version: "1.0.0"


external_components:
  - source: github://iotdevicesdev/esphome-lm75
    components: [ lm75 ]


esp8266:
  board: nodemcuv2


logger:


api:
  encryption:
    key: "8tDDLc3S5dnSjADItGR5+7KxoUBhUIqeOiJZIXy"


ota:
  password: "c15e9a44e1408352d945b8cd35b79"


wifi:
  ssid: !secret wifi_ssid
  password: !secret wifi_password


  ap:
    ssid: "Test-Node Fallback Hotspot"
    password: "rtF1XxDZ9"


captive_portal:


i2c:
  sda: 4
  scl: 5
  id: i2c_bus


sensor:
  - platform: lm75
    id: temperature
    name: "LM75 temperature"
    update_interval: 30s
    address: 0x48


  - platform: lm75
    id: temperature2
    name: "LM75 temperature2"
    update_interval: 30s
    address: 0x49
# END YAML Config Example

Примітка. Цей код також є на нашому GitHub: github.com/iotdevicesdev/ESP12.OLED_V1-LM75-ESPHome 

Склад проекту

1 x Модуль ESP12.OLED_V1 з прошивкою ESPHome 2023.12.5;

1 x Модуль I2CHUB_V1;

1 x Модуль LM75 (no brand);

1 x Модуль CJMCU-75.

Результати проекту

Головне, що ми хотіли вам розповісти у цьому тексті:

1. Ми підключили LM75 через механізм External Component настільки легко і просто, що самі не повірили у успіх після складних експериментів з драйвером для TMP1075.
2. Конфігурації підтягуються напряму з GitHub, або можуть лінкуватися з локального сховища на вашому ESPHome / HomeAssistant диску. Підключений таким чином External Component автоматично включається у прошивку під час її компіляції.
3. Ми перевірили, що з цим компонентом не виникає проблем з адресацією кількох сенсорів LM75 одночасно.
4. Все настільки ж просто, як підключити у ESPHome сенсор для якого є вбудований драйвер на кшталт BME280. Простота застосування готового компоненту через метод External Component не йде ні в яке порівняння з застосуванням застарілого методу Custom Component, який ми колись робили для інших своїх задач із сенсором ультрафіолету VEML6070.  

Як можна бачити на наступних скріншотах, наш проект успішно виконано:

• LM75 підключено до контролера ESP12.OLED_V1 з прошивкою ESPHome;
• Два сенсори LM75 одночасно працюють з головним контролером. Там де працює два сенсори, може працювати і вісім (за потреби, LM75 має три піни конфігурації I2C адреси, що дозволяє одночасно працювати з вісьмома сенсорами на кожній шині I2C);
• Дані з сенсорів потрапляють у Home Assistant та виводяться на Dashboard;
• Далі значення сенсорів можуть або автономно виводитися на дисплей контролера ESP12.OLED_V1 засобами прошивки ESPHome, та/або можуть застосовуватися у сценаріях автоматизації Home Assistant.

Значення сенсорів LM75 на Dashboard сервера Home Assistant:

Графіки з Logbook сервера Home Assistant:

Значення сенсорів LM75 у меню Developer Tools сервера Home Assistant:

Скріншоти консолі ESPHome:

• Пристрої знайдено під час сканування шини I2C (дисплей і два термометри)

• Драйвери для сенсорів LM75 ініціалізовано

• Дані з сенсорів отримує ESPHome та передає у Home Assistant

Це наразі все, що ми запланували розповісти за цією темою.

Дякуємо за увагу!

Бажаємо успіхів!

Розробляючи GGreg20 у 2020 році, ми взагалі нічого не тямили у цих матеріях. Зараз ми можемо поділитися накопиченим нашою компанією досвідом з усіма, хто потребує допомоги, або просто шукає додаткову інформацію.

Зверніть увагу, що ми у більшій мірі тут порівнюємо трубки Гейгера-Мюллера SBM20 і J305, з якими постачається GGreg20_V3, а трубку LND712 наводимо, скоріше, як ще одну альтернативу обом трубкам. Це дозволяє розширити межі порівняння до можливостей більш складної і коштовної трубки LND712. Без таких порівнянь ця публікація не мала б глибини і звелася б до тези, що SBM20 і J305 є взаємно замінними, і тому їх немає чого порівнювати.

Перерахуємо ключові моменти, які потрібно враховувати, обираючи трубку Гейгера-Мюллера для DIY-проекту:

• Мета DIY проекту;
• Типи випромінювання, які здатна детектувати трубка;
• Чутливість трубки;
• Власний шум та нечутливість;
• Рівень робочої напруги;
• Розміри та спосіб кріплення трубки;
• Країна походження та рік виготовлення.

Розглянемо і порівняємо трубки під цими кутами докладніше.

Мета DIY проекту

Від того, як поставити мету проекту може залежати, через які критерії успішності ви потім будете його пропускати, проводячи оцінку результатів, яких вдалося чи не вдалося досягнути.
Стосовно лічильника Гейгера мета проекту також може бути дуже різною. 
Наприклад:

• дешевий стаціонарний пристрій, який більшу частину часу повинен вимірювати фонову радіацію і сповіщати про небезпеку;
• мініатюрний кишеньковий пристрій, як сенсор особистої безпеки для здійснення піших прогулянок;
• чутливий та швидкісний вимірювач для детектування випромінювання у продуктах харчування та інших матеріалах;
• вимірювач / сигналізатор радіоактивних газів у повітрі, таких як побутовий радон.

Задача, для якої розробляється кінцевий пристрій, може потребувати вибору трубки за розмірами і взагалі не потребувати високої чутливості, тощо. Тому лише користувач може визначити для себе, яка саме трубка в складі лічильника Гейгера підійде. Ми ж можемо лише зазначити, що вибір трубки відповідно до задачі проекту – це комплексний багатофакторний аналітичний процес, який ми і спробували поглиблено описати у даній публікації.

Типи випромінювання

Тут все досить просто: трубку потрібно обирати в залежності від того, яке випромінювання вам потрібно вимірювати у проекті.
Більшість поширених трубок чутливі до гамма- і бета- випромінювання. Деякі трубки також здатні вимірювати альфа-канал.
Зверніть увагу, що альфа-канал у трубки, як правило, реалізується за допомогою наявності слюдяного віконця у торці корпусу. 
Щоб перетворити a,b,g – трубку на b,g-, достатньо щільно закрити слюдяне вікно аркушем паперу, або пластиковою кришкою корпусу.
Щоб перетворити b,g- чи a,b,g- трубку лише на g-, потрібно екранувати трубку від beta-частинок. З цим може впоратися алюмінієвий кожух товщиною в кілька міліметрів. Такий кожух з алюмінію одночасно екранує трубку не лише від бета-, а і від альфа-частинок.

Дотично до нашої статті, трубки SBM20 та J305 здатні до вимірювання бета- і гамма- випромінювання. Трубка LND712 має всі три канали: альфа-, бета- та гамма-.

На що це може впливати у DIY проекті з практичної точки зору? 

Якщо планується трубкою SBM20 / J305 вимірювати лише гамма-промені, то тоді потрібно екранувати таку трубку від beta-частинок. 
Якщо трубкою SBM20 / J305  потрібно вимірювати лише бета-частинки, то тоді можна спробувати застосувати дві такі трубки одночасно: одну з екраном, що захищає від бета-, а іншу – без такого екрану. В цьому випадку, знайшовши різницю між результатами вимірювання для кожної трубки, ми зможемо розрахувати кількісну характеристику для бета-частинок. 
Те ж саме відноситься і до альфа-частинок: фільтруючи канал альфа- і віднімаючи результати між трубками, знаходимо кількість для альфа-частинок.
З трубкою LND712, яка чутлива до a,b,g-, можливо реалізувати проект з вимірювання побутового радону, зокрема Radon-222, оскільки саме цей ізотоп є джерелом альфа-частинок. 
Підкреслимо, що для проведення вимірювань з кількома трубками, потрібно мати кілька модулів GGreg20_V3. Кожен модуль підключається до окремого GPIO головного контролера, який в свою чергу, зможе виконувати підрахунок імпульсів незалежно для кожної трубки. 

Чутливість трубки

Коли ми кілька років тому тільки почали розбиратися з тим, які трубки нам застосовувати для нашого проекту лічильника Гейгера GGreg20, ми, експериментуючи, іноді помилково обирали навіть такі трубки, які за фонового рівня випромінювання здатні були робити лише кілька імпульсів на годину. 

Звісно, ними неможливо було б користуватися у DIY проекті лічильника Гейгера, який більшу частину часу має бути достатньо чутливим, щоб вимірювати фонове випромінювання.

Тому, коли ви будете обирати, яку з опцій GGreg20_V3 замовити, не хвилюйтеся і знайте: ми вже перевірили різні моделі трубок для вас і заздалегідь включили у опції лише ті, які дійсно підходять до GGreg20_V3.

Трубки J305 і SBM20 хоча і мають деякі відмінності, але однаково гарно працюють у складі нашого продукту. 

Трубка LND712 не дивлячись на те, що наразі не постачається нами, як опція GGreg20_V3, також дуже добре працює з нашим модулем лічильника Гейгера. 

Взагалі LND712 має вдосталь цікавих функцій та особливостей, які можуть зробити проект з модулем GGreg20_V3 ще цікавішими. Можливо у майбутньому ми запропонуємо цю трубку, як додаткову опцію у складі модуля лічильника Гейгера нашого виробництва. 

З точки зору чутливості (імпульсів / mR), трубка LND712 не сильно відрізняється від SBM20, але враховуючи, що вона є більш сучасною, ми б віддали перевагу їй.

Власний шум та нечутливість

Трубки Гейгера-Мюллера мають дві важливі характеристики, які варто брати до уваги під час їх порівняння. 

Власний шум – це хибно-позитивні імпульси, які генерує трубка за відсутності зовнішнього радіоактивного випромінювання. Під час проектування чи калібровки трубки, виробник розміщує тестовий зразок у екранованому від радіації лабораторному середовищі і проводить вимірювання кількості хибно-позитивних імпульсів на одиницю часу. Зазвичай власний шум трубки зазначається у даташит у імпульсах на секунду.

Трубка SBM20 у порівнянні до J305 та LND712, має значно вищий показник власного шуму відповідно до даташит. Це означає, що трубка SBM20 буде набагато гірше вимірювати натуральне фонове випромінювання, ніж трубки J305 чи LND712.

Нечутливість – це час, протягом якого трубка відновлюється після попереднього лавиноподібного збурення та не здатна детектувати наступну таку подію. Цей час прийнято називати dead time трубки і вимірювати у мікросекундах. На практиці, як наслідок, у цей проміжок часу трубка не здатна генерувати вихідний імпульс. 

Також варто звернути увагу на те, що час dead time прямо залежить від розмірів трубки. Чим довша трубка, тим більший цей час. Звісно, довжина це не причина, а лише наслідок загальної конструкції більшості трубок та їх принципу дії.

Якщо ваш проект спрямований на вимірювання високих рівнів радіації, ця властивість трубки має бути ретельно врахована, адже чим вищу радіацію ми вимірюємо, тим більш щільними будуть події, що реєструє трубка. У певний момент буде досягнуто межі, за якою почнеться нечутливість, тобто такої щільності подій у часі, коли трубка просто не встигатиме відновлюватися, щоб їх реєструвати.

Завдячуючи своїм розмірам, трубка LND712 (90 мікросекунд) є лідером за цим показником, який вдвічі менший, ніж у трубок SBM20 і J305 (190 та 180 мікросекунд).

Примітка. Ми тут наводимо Dead Time для J305 базуючись на даних з інтернет, оскільки у даташитах від постачальників – цих даних немає.

Чутливість до UV. Окремо варто зазначити про чутливість трубок зі скляним (таких, як J305) корпусом до променів звичайного сонячного світла, особливо до UV-спектра. Дійсно, в інтернет можливо знайти відео експериментів з UV-ліхтариком та звичайним сонячним освітленням. Трубки у тих відео просто шаленіють від цих подразників, що видно неозброєним оком.

Ми теж провели подібний тест нашвидкоруч. У нас не вийшло відтворити показану на відео картину поведінки J305. Можливо, що трубка, яка генерує хибно-позитивні події на відео з інтернет, має якісь фізичні чи технологічні вади, які неможливо ідентифікувати без спеціального обладнання. 

Ми співчуваємо власнику такої трубки. І через це вирішили перевірити випадкові екземпляри з партії своїх трубок J305, які постачаються як опція до модуля GGreg20_V3. Хоча наші трубки J305 не показали такого ефекту, ми цілком погоджуємося, що сонячні промені можуть створювати додатковий шум у вимірах. Рекомендуємо трубки J305 розміщувати у світлонепроникному кожусі, якщо є така можливість.

З  модулем лічильника Гейгера GGreg20_V3 ми пропонуємо (як опцію) захисний кожух, надрукований на 3д-принтері. І хоча цей кожух не здатен виступати повноцінним екраном для високоенергетичного фотонного потоку сонячного світла, він хоча б частково фільтруватиме одне з джерел можливих завад.

Рівень робочої напруги

Порівнюючи наявні варіанти трубок, потрібно пам’ятати, що трубки різного типу можуть мати індивідуальні рівні напруги живлення. Ці дані зазвичай вказуються у даташит на трубку.

На практиці також важливо враховувати, що вирішальне значення має модуль лічильника Гейгера (і його налаштування!), на який обрану вами трубку потрібно буде встановлювати.

Модуль GGreg20_V3 проектувався так, щоб бути здатним забезпечити якнайширший діапазон можливих робочих напруг. З одного боку, GGreg20 підтримує у високовольтній частині напругу 200 – 1200 В. З іншого боку, живлення модуля може здійснюватися у діапазоні 2.4 – 5.5 В. Наскільки нам відомо, це найширший діапазон напруги живлення серед аналогічних модулів.

Тож за високовольтною напругою живлення модуль GGreg20_V3 підтримує всі трубки, які ми з вами розглядаємо та порівнюємо: J305 (380В для моделі зі скляною колбою), SBM20 (400В), LND712 (500В).

На практиці, по-за полями даного матеріалу, радимо завжди звертати увагу на те, чи дозволяє модуль, який буде працювати з трубкою налаштувати необхідну для роботи трубки напругу. Перевищення напруги живлення трубки гарантовано виведе її з ладу. За недостатньої напруги трубка просто не буде працювати.

Розміри та спосіб кріплення трубки

Трубки J305 і SBM20 мають схожі розміри та зручний спосіб кріплення, який не вимагає пайки. З точки зору виготовлення мікроелектроніки для IoT-пристроїв, вони мають середні розміри в порівнянні з іншими трубками Гейгера. 

SBM20 і J305 можна назвати взаємозамінними, адже вони мають схожий рівень робочої напруги, однакові клеми, та майже однакові розміри, що дозволяє за необхідності замінювати трубки між собою, якщо є можливість встановлювати відповідні коефіцієнти перерахунку для CPM. 

Особливо зручно те, що на платі модуля лічильника Гейгера, такого як GGreg20_V3, кріплення підтримує обидві трубки. Також буває корисним те, що трубку Гейгера можливо швидко зняти з модуля, або замінити. У випадку SBM20 / J305 це так само легко зробити, як замінити батарейки у ліхтарику.

LND712 має приблизно вдвічі меншу довжину, що робить її ідеальною, як для розмірів сенсора a,b,g- випромінювання. Але у неї вивідні контакти зроблені таким чином, що її доведеться лише паяти. Тому LND712, у парі із значно вищою ціною, перестає бути такою ж “зручною” як SBM20 чи J0305. 

Іноді, для регулювання налаштувань модуля лічильника Гейгера, потрібно мати можливість зняти трубку, – у випадку з LND712 це буде неможливо зробити без пайки.

Також варто зазначити, що у випадку з побудовою кишенькових пристроїв саме довжина трубки може бути вирішальною. От подивіться: на товщину пристрою буде також впливати акумулятор, кнопки та роз’єми, тому діаметр трубки Гейгера нівелюється цими іншими обмеженнями і не впливає на розміри корпуса пристрою. А от довжина трубки вимагає збільшувати розміри корпуса пристрою. З цих міркувань трубка LND712 є значно кращою, ніж SBM20 / J305.

Країна походження та рік виготовлення

Країна походження на нашу думку є не менш важливою, ніж решта характеристик трубки. Навіть із суто практичної точки зору (витрати коштів та часу на логістику, підтримка місцевого бізнесу, сплата податків, тощо), перебуваючи у США, краще придбати трубку, яка виробляється у США. 

На жаль, наразі нам не відомо, чи є можливість придбати трубки, які виробляються в Україні. Наші побіжні пошуки українських трубок нічого не дали. 

Якщо вам щось відомо про трубки Гейгера-Мюллера українського виробництва, будь-ласка, напишіть нам про це.

Запаси радянських трубок SBM20 у приватних продавців відчутно виснажуються. Строки зберігання та експлуатації радянських зразків вже давно минули. Саме через це ми постійно шукаємо альтернативи. Однією з таких альтернатив є трубка китайського виробництва J305. Трубки J305, які продаються на Alibaba та Aliexpress, мають 2020-2022 роки виробництва і цілком задовольняють наші вимоги за технічними характеристиками та якістю.

Трубки LND712 також мають чудові характеристики, якість та функції. Єдиним недоліком є те, що їх потрібно закуповувати в США, виконувати тривалу логістику в Європу. Враховуючи вищу відносну вартість даних трубок та відсутність організованої офіційної роздрібної мережі дистрибуції LND712 стає зрозуміло, чому ця трубка не вийшла у лідери за статистикою проектів DIY лічильника Гейгера.

Висновки

Ми кілька років поспіль спостерігаємо за власною статистикою, а також такими проектами, як radmon.org, ThingSpeak, uRADMonitor та подібними.

Трубка радянського виробництва SBM20 є, мабуть, найпопулярнішою серед тих, що застосовується у DIY проектах. 

Щоправда, SBM20 вже майже неможливо придбати, адже запаси радянських часів виснажуються, строк зберігання і придатності вичерпався, а виробники сучасних трубок SBM20 є лише в країні, що знаходиться під санкціями і є міжнародно визнаним агресором, спонсором тероризму і прямо зараз вчиняє військові злочини та злочини проти людяності щонайменше в Україні. 

В той же час, китайську трубку J305 набагато легше знайти і придбати у інтернет, але лише коли йдеться про версію зі скляним корпусом. Нажаль, J305 з металевим корпусом наразі придбати дуже складно з невідомих нам причин. 

На відміну від SBM20 та J305, американська трубка LND712, крім beta- та gamma-, також має канал вимірювання alfa- випромінювання, що значно розширює коло її застосування у DIY проектах. Трубка LND712 має металевий корпус, як і SBM20, а ще слюдяне віконце для детектування альфа-частинок. 

На форумах у інтернет дописувачі припускають, що скляний корпус трубки J305 не захищений від фотонів звичайного сонячного світла, що може вносити завади у процес вимірювання, якщо трубку додатково не захищено сонце-непроникним кожухом. 

Ми не впевнені у даному твердженні, хоча з нашого боку також існує певне розуміння, що скляні трубки потребують світлонепроникного кожуха, оскільки скло може пропускати світло, включаючи шуми, що можуть збільшувати шумовий рівень спостережень.

І навпаки, металевий корпус трубок SBM20 і LND712 може у незначній мірі виступати екраном для електромагнітних завад та сонячних променів. Це робить вимірювальні характеристики металевих трубок більш стабільними. З іншого боку, трубка зі скляним корпусом може бути більш чутливою до радіації, що теж за певних умов є корисною властивістю.

Але слід зазначити, що все це лише припущення, які варто перевірити. Втім, ми перевіряти це все не маємо можливості, адже такі тести вимагають спеціально обладнаної лабораторії. 

Та й у нас завжди є набагато кращий інструмент – даташит виробника. Трубка має відповідати тим характеристикам і працювати у той спосіб, що зазначені у даташит.

Якби ми обирали трубку для себе, то не вагаючись обрали б LND712. Але оскільки зараз у GGreg20_V3 немає підтримки типорозмірів даної трубки, ми б обирали між SBM20 і J305 наступним чином:

• Термін зберігання / придатності – J305 краща;
• Власний шум – J305 краща;
• Чутливість – J305 краща;
• Країна походження – J305 краща;
• Фонове випромінювання – J305 краща;
• Джерело калібровки – J305 краща (більшість трубок калібрують по Co-60);
• Час нечутливості – немає різниці;
• Металевий корпус – SBM20 краща;
• Розміри і кріплення – немає різниці;
• Напруга живлення – немає різниці;
• Роздрібна мережа дистрибуції – J305 краща;
• Ціна і якість – J305 краща.

Керуючись даними з документації, статистикою з інтернет та власним досвідом, безумовно, ми б обрали J305. SBM20 ми б обрали лише за виняткових обставин, коли з якихось суттєвих причин J305 застосовувати було б неможливо. 

Дякуємо за увагу!
Team IoT-devices, LLC

Додаткові ресурси за темою:

https://iot-devices.com.ua/ggreg20v3-geiger-tube-j305/
https://iot-devices.com.ua/technical_note_supply_voltage_range_geiger_counter_ggreg20_v3_ua/
https://iot-devices.com.ua/uv-test-of-the-j305-geiger-tubes/
https://iot-devices.com.ua/technical_note_performance_of_diy_geiger_counter_ggreg20_v3_at_low_-temperatures_ua/
https://iot-devices.com.ua/geiger-counter-emulator-ggreg20_v3-module-by-means-of-esp8266-part1-ua/
https://iot-devices.com.ua/maximum-radiation-that-can-be-measured-by-geiger-counter-ggreg20_v3/
https://iot-devices.com.ua/ggreg20v3-case-3d-model-for-personal-use/

Easy Links:

go.iot-devices.com.ua

/geiger-counter
/high-voltage-converter
/geiger-counter-emulator
/tindie

Ми провели свій власний швидкий УФ тест трубок Гейгера J305, які поставляються як опція з модулем лічильника Гейгера GGreg20_V3, і зняли це відео:

.

У результаті тесту ми визначили, що трубка J305 з нашої партії не чутлива до УФ 395 нм (ліхтарик, який у нас був під рукою). Принаймні, ми не змогли відтворити/спостерігати таку чутливість, як на відео з Інтернету.

Нам стало цікаво, що станеться, якщо ми візьмемо наш DIY модуль лічильника Гейгера GGreg20_V3 і разом з контролером ESP32 помістимо його в морозильну камеру з цільовою температурою -23 градуси за Цельсієм. 

Чи працюватиме наш датчик при такій низькій температурі? Чи побачимо ми якісь збої або відхилення у вимірах датчика радіації?

Ми з колегами ставили на те, що рано чи пізно отримаємо хибнопозитивні імпульси на вході ESP32 під час сильного охолодження.

Справа в тому, що коли мова йде про таку модульну систему, вона може містити кілька точок відмови, які можуть проявитися під час роботи при низьких температурах. Перед початком тестування ми розглядали наступні можливі точки відмови:

• плата модуля лічильника Гейгера, 
• плата контролера ESP32, 
• з’єднання між ними, 
• та трубка Гейгера-Мюллера СБМ20.

Кожен з цих компонентів може перестати працювати або стати нестабільним через деформацію матеріалів, зміну провідності проводів і контактів або утворення роси чи льоду на поверхні електроніки. 

Хоча трубка Гейгера-Мюллера має відповідний температурний діапазон (від -60°C до +70°C) зазначений виробником, вона також може змінювати свою поведінку під впливом низьких температур. Наприклад, втрата здатності генерувати імпульси через уповільнення молекулярних/електронних процесів внаслідок зменшення енергії частинок у газах, що заповнюють трубку, або, навпаки, лавиноподібна іонізація всередині колби через термодинамічні характеристики цих газів (Ne+Br2+Ar).

З цієї причини було цікаво і важливо провести такий тест модуля GGreg20_V3 і схеми з контролером ESP32, яку вони створюють в DIY-проектах, щоб відповісти на потенційні питання наших користувачів і замовників, які планують використовувати лічильник Гейгера GGreg20_V3 в суворих погодних умовах.

Ми протримали датчик при таких низьких температурах кілька годин. При цьому ми бездротовим способом записували вимірювання з датчика на сервер Home Assistant і спостерігали за графіками вимірювань. 

І…. І ми задоволені цим тестом, але не будемо забігати наперед і розповімо, як все відбувалося покроково.

Отже, в цьому експерименті ми мали на меті дослідити роботу DIY модуля лічильника Гейгера при низьких температурах. Ми помістили модуль лічильника Гейгера і контролер ESP32 в морозильну камеру з температурою -23 градуси Цельсія і тримали його там протягом 5 годин. Ми записували вимірювання з датчика і спостерігали за графіками вимірювань, щоб оцінити будь-які збої або відхилення у вимірах датчика випромінювання.

Ми також змогли виміряти температуру датчика під час тесту, оскільки мали під рукою температурний сенсор (1-wire DS18b20 12-bit). Однак ми також кілька разів під час тесту контролювали зовнішню температуру корпусу модуля за допомогою безконтактного інфрачервоного термометра.

Результати

Ми не помітили жодних збоїв чи відхилень у вимірах датчика радіації протягом усього періоду тестування. Вимірювання датчика залишалися в межах нормального радіаційного фону протягом усього періоду тестування. 

Ми також використали ці практичні тести, щоб перевірити, як система поводитиметься при переході від тепла до глибокого холоду, а також від холоду морозильної камери до звичайних кімнатних умов, і виявили, що не було жодних проблем, які можна було б виявити за допомогою простих інструментів моніторингу. Абсолютна величина перепаду температури (різке зниження і підвищення) під час тесту склала більше сорока градусів.

Обговорення

Наші результати свідчать про те, що датчик радіації GGreg20_V3 здатен надійно працювати за низьких температур. Це важливий висновок, оскільки він означає, що датчик можна використовувати в низькотемпературних середовищах без значної втрати точності та надійності. 

Однак варто зазначити, що наш експеримент був обмеженим за обсягом, і для підтвердження отриманих результатів можуть знадобитися подальші тести. 

Зокрема, ми не робили статистичної перевірки отриманих даних, а лише провели кілька тривалих (до шести годин) експериментів і практично перевірили, чи будуть нормально працювати датчик і мікроконтролер.

Висновки

Отже, наш експеримент показав, що датчик радіації GGreg20_V3 може надійно працювати при низьких температурах. Ми не спостерігали жодних збоїв чи відхилень у вимірах датчика радіації протягом усього періоду тестування, що свідчить про те, що датчик може використовуватися в умовах низьких температур без суттєвої втрати точності та надійності. Однак, можуть знадобитися подальші випробування, щоб підтвердити ці висновки і оцінити продуктивність датчика протягом тривалого періоду.

Тепер ви також знаєте, що відбувається, якщо лічильник Гейгера GGreg20_V3 помістити в низькотемпературне середовище.

Сподіваємося, що ця стаття була для вас такою ж цікавою і корисною, як і проведений нами експеримент.