Hier wird ansatzweise beschrieben, wie wir in der FIP-AG unser Messgerät für die Messung der Äquivalentdosisleistung gebaut und programmiert haben.
Der Geigerzähler
Für den Wetterballon haben wir einen Geigerzähler besorgt, der mit 3,3V Spannung betrieben werden kann. Auf der Platine ist ein Spannungswandler bereits integriert, die die erforderlichen 400V für das Zählrohr erzeugt, so dass man ein bisschen aufpassen muss, die spannungsführenden Leitungen nicht zu berühren.
Durch den integrierten Wandler kann man die Platine direkt mit einem Calliope betreiben, den wir in der Schule im Klassensatz zur Verfügung haben. Daher haben wir mit diesem Mikroprozessor angefangen, die ersten Experimente zur Vorbereitung durchzuführen. Zunächst haben wir einfach nur die Impulse gezählt:
Der Signal-Output des Geigerzählers wird dabei an Pin 1 des Calliopes geklemmt, die Spannungsversorgung an den Plus- und Minuspol des Calliopes.
Die Signal-Auswertung
Der Geigerzähler liefert nur Impulse, das heißt, dass das Signal kurz von 3,3V auf 0V fällt, wenn ein β oder γ - Ereignis detektiert wird. Wenn man innerhalb von einer Minute die Impulse zählt (counts per minute), kann man mit Hilfe der "CPM ratio" des Zählrohrs von 153.8 CPM/(μSv/h) die Äquivalenzdosisleistung ausrechnen. Doch man will ja nicht immer eine Minute warten, bis man einen Messwert hat...
Deshalb haben wir uns mit Hilfe der geometrischen Reihe überlegt, immer eine Sekunde die Impulse zu zählen, diese Zahl zu dem vorherigen Ergebnis hinzuzuaddieren und dann den Wert mit 60/61 zu multiplizieren. Dahinter steckt wohl ein Filter mit unendlicher Impulsantwort mit a0=61, a1=-60 und b0=1, doch da die Mathematik dahinter doch etwas schwierig für die Schule ist, haben wir uns überlegt, unseren Filter experimentell zu überprüfen. Dazu gleich mehr.
Das Endergebnis ist hier zu sehen:
Um die Werte möglichst schnell auf dem Calliope auszugeben haben wir uns noch überlegt, die 5x5 LEDs auf der Platine zu nutzen, um die Messwerte im 6er-System auf dem Calliope auszugeben. Die Spalten dienen dabei als Stellen des 6er-Systems (64, 63, 62, 61 und 60), und je mehr LEDs in der jeweiligen Spalte leuchten, desto höher der Wert an dieser Stelle.
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0*64 + 3*63 + 3*62 + 4*61 + 0*60 = 780 nSv/h |
Test mittels Geiger-Zähler-Simulator
Um unser Auswerte-Programm zu testen, und um am Schulfest unsere Ergebnisse zu präsentieren, haben wir noch einen Calliope verwendet, um einen Geiger-Zähler zu simulieren. Dieser gab entweder zufällig oder in äquidistanten Zeitpunkten ein Signal wie das des Geiger-Zählers aus. Damit konnten wir überprüfen, ob unserer Auswerte-Elektronik wirklich richtig funktioniert. Über die Neigung des Calliopes und Druck auf Taster A konnte die Impulsrate verändert werden, Taste B bestimmt, ob die Impulse zufällig oder gleichmäßig getaktet werden.
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In dem Video nebenstehend ist links der Calliope, der als Geiger-Simulator fungiert, rechts der Calliope ist mit dem Auswerte-Programm geflasht. Zu Beginn wird gleichmäßig mit 2 Impulsen pro Sekunde ein Signal gegeben. Das sind 120 Impulse pro Minute und demnach 120/153,8*1000=780 nSv/h. Im 6er-System entspricht dies der 33406, der rechte Calliope zeigt 33356 an, der Unterschied liegt wahrscheinlich darin begründet, dass noch nicht lang genug gewartet wurde. Dann (im Video Sekunde 5) wird die Taste B gedrückt, die Impulse kommen unregelmäßig, aber immer noch etwa mit im Durchschnitt 2 Impulsen pro Sekunde. Der rechts angezeigte Wert schwankt stärker um den alten Wert. Durch Neigung des linken Calliopes und Drücken der A-Taste können die Impulse pro Sekunde verändert werden, hier bei Sekunde 30 auf 8 Impulse/Sekunde. Der erwartete Wert sollte bei 3121 nSv/h liegen, also erwartet man rechts eine Zahl im 6er-System von 222416. Da hier die Signale wieder stochastisch auftreten, schwankt die Anzeige um diesen Wert, was durch längere Messungen verifiziert wurde. |
Die Elektronik
Am Ende haben wir aber das Auswerteprogramm noch auf einen ESP8266 (D1 Mini) portiert, um dann zum einen die Messwerte zu speichern, zum anderen auch noch einen Beschleunigungssensor (GY-521 MPU-6050) auszuwerten. Das Programm kann mit der ArduinoIDE auf den D1 Mini geflasht werden. An Port D1 wird SCL und an Port D2 SDA des Beschleunigungssensors am I2C-Bus angeschlossen, Port D3 ist mit dem Geigerzähler verbunden. Und beide Sensoren müssen natürlich an GND und 3.3V angeschlossen sein. Es sollte ein WLan in der Nähe sein, dessen Einlogg-Daten im Programm vor dem Hochladen eingegeben werden müssen. Dadurch wird beim Start des ESP kurz die Uhrzeit synchronisiert, damit man später über die Uhrzeit die Höhe des Ballons nachschlagen kann. Nach dem Flug liest man die Daten aus dem ESP aus, indem man ihn am PC anschließt, ein Terminal-Programm nutzt und über die Reset-Taste die Ausgabe aller bisherigen Daten erzwingt (unter Linux funktioniert das mit moserial gut).
Den ESP und die Kamera haben wir dann parallel an die Powerbank angeschlossen, die Spannung hat den ganzen Flug prima ausgereicht.
Viel Spaß beim Nachbauen. Bei Fragen gerne an schieder(αt)cvo.nrw.schule schreiben.