CHOUR - Compteur Geiger Muller très faible consommation PC-GM6

Appareil : Compteur Geiger Muller/Geiger Muller counter
Date : 2013-2016
Type : PC-GM6
Marque : Chour
Principaux constituants : Tube SBM20, processeur Texas-Instrument famille MSP430, module haute tension IMEX
Principale caractéristique : consommation moyenne de l'ordre de 25~30µA / Average power consumption arround 25~30µA.
Logiciel : page de téléchargement/Downloading page.

English version : 

Fiche produit

PC-GM6 est un compteur Geiger-Muller proposant les fonctionnalités suivantes :

• Mesure de la radioactivité Beta, Gamma (tube SBM20).
• Affichage permanent du taux de radioactivité en Comptage par Minute (CPM) ou en µSievert/h, de la moyenne sur 24h, du niveau de charge de la batterie, du niveau instantané de la radioactivité (bargraph), etc. sur un afficheur LCD
• Signalisation de dépasement d'un seuil d'alerte paramétrable par LED et/ou Buzzer (les deux étant désactivables).
• Affichage désactivable du taux de radioactivité instantané sur un vu-mètre.

• Paramétrage du seuil d'alerte
• Fonctionnement sur batterie rechargeable (typ. 2400mA/h)
.
• Très faible consommation autorisant une autonomie de plusieurs années en fonctionnement permanent sans être rechargé (typ. 9 à 10 ans).
• Possibilité de connecter le compteur en USB à un PC et d'utiliser le logiciel GeigerPC sous Windows. Le logiciel permet de paramétrer le compteur, de récupérer le comptage par minute envoyé chaque minute par le compteur, de disposer de statistiques sur les mesures, etc. Le fait de connecter à une prise USB recharge la batterie.

La documentation technique du compteur et sa façon de le réaliser est fourni sur cette page. Le logiciel du compteur est disponible sur cette page. Le logiciel GeigerPC pour Windows est disponible sur cette page.

Introduction

Hormis le Gamma-Scout, la plupart des compteurs Geiger du marché (en 2013-2019), qu'ils soient vendus tout fait ou en kit, ont une autonomie limitée, du moins pour ceux qui utilisent un microprocesseur pour gérer le traitement des données. Les raisons sont multiples :

• le générateur haute-tension est souvent mal conçu et énergivore. Pourtant, il existe des schémas sur le net proposant des générateurs annonçant des consommations de l'ordre de quelques µA. On trouve même des montages tout faits annonçant entre 0,5µA et 25µA.
• le microprocesseur n'est pas très performant du point de vue de gestion de la consommation. Mais là aussi, il existe des processeurs réputés dans ce domaine, en particulier, chez Texas Instrument.
• la façon dont est utilisé le microprocesseur n'est pas optimale. Une erreur courante semble-t-il consiste à déléguer la tâche de comptage à un logiciel qui s'exécute sur le microprocesseur. Cela l'oblige, soit à être en fonctionnement permanent, soit à être en veille et à être réveillé à chaque fois qu'il y a une impulsion.
   
  La solution la plus évidente pour éviter ce problème est d'utiliser un compteur du processeur (ce qui est le cas dans cette réalisation) et de relever ce compteur périodiquement (toute les secondes, toutes les 10 secondes...).
   
  Mais parfois, cette option ne permet pas de profiter des modes de veilles les plus performants en termes de consommation. PC-GM3 et PC-GM4 apportent une autre solution (élégante) à ce cas de figure pour une consommation de l'ordre de 2µA.

Présentation du compteur basse consommation

Le montage présenté ici est une amélioration du compteur PC-GM5.

Il reprend l'architecture du PC-GM5 pour la partie analogique (signal récupéré au niveau de l'anode et partie analogique) mais il ajoute une amélioration au niveau de la mise en forme du signal.

Le signal analogique est injecté sur un circuit CD4098 (double monostable). Le premier monostable permet d'avoir un signal propre destiné au processeur. La durée de ce signal est réglable et peut être ajustée en fonction du temps mort du tube utilisé.

Le second monostable est utilisé pour animer un galvanomètre à cadre mobile. La durée de l'impulsion est également réglable pour s'adapter aux caractéristiques du galvanomètre (dans le cas présent, le galvanomètre doit consommer 50µA à pleine échelle).

Evidemment, la consommation s'en ressent. Enfin pas tant que ça. En moyenne, la consommation s'établit aux environ de 25 à 30 µA ce qui autorise une autonomie de l'ordre de 9 à 10 ans avec une batterie de 2400 mA.h.

Comme pour les précédents compteurs, j'ai utilisé les éléments suivants :

• un générateur HT IMEX-38-56-1 tout fait dont la consommation nominale est donnée pour 0,5 à 10 µA sous 3,3V pour 400V générés.



• un microprocesseur MSP430F449 de Texas Instrument (carte de développement Olimex MSP430F449-STK2), acheté une vingtaine d’euros et qui gère un afficheur bien adapté pour ce type d’application



• un tube geiger-muller Russe SBM20.

Ce compteur mémorise donc le nombre d'impulsions dans un certain intervalle de temps. Toutes les secondes, le processeur qui est normalement en veille (mode 3) se réveille, fait quelques vérifications (gestion du clavier, connexion USB...) et repasse en veille. Toutes les 10 secondes, le processeur lit son compteur, fait ses traitements statistiques, vérifie les conditions d'alarme et s'il n'y a pas d'alarme, repasse en veille. En cas d'alarme, la périodicité de relève passe à une seconde.

Ce compteur comporte également :

• un module de chargement de la batterie.
• un module de communication USB-série TTL.
• un galvanomètre déconnectable qui permet d'avoir une idée de la mesure instantannée de la radioactivité. Sur ce modèle, il s'agit d'un vu-mètre de récupération graduée en db. Donc, pas grand chose à voir avec la radioactivité !

Pour l'alimentation : le processeur fonctionne en 3,6V max. Plus la tension est faible, moins il consomme. Le générateur HT fonctionne de 2,5V à 5V. La batterie LIPO fournit 3,7V. En charge, la tension peut monter jusqu'à 4,2V. Pour abaisser la tension pour le processeur, j'ai utilisé, comme pour les autres compteurs, un régulateur MCP1702 dont la consommation au repos est à peine mesurable (2µA d'après la documentation).

Pour en savoir plus sur les fonctionnalités prévues, jetez un oeil sur les spécifications fonctionnelles (les mêmes que PC-GM3).

Le schéma de la partie analogique

Schéma de la partie détection, comptage, communication et alimentation du compteur Geiger Muller(cliquer pour agrandir)

La sortie du générateur haute tension est raccordé au plus près du tube Geiger-Muller. Le moins du tube est relié à la masse. La détection du signal se fait par l'anode. Lorsque le tube détecte une particule, un pic de tension apparait aux bornes de C4. Ce pic est amplifié par le darlington formé par T1 et T2 (dans mon cas, j'ai utilisé des BC548C car c'est ce que j'avais en stock mais les BC547 et 549 doivent convenir également).

Sur le collecteur de T1/T2, le potentiel positif via R4 tombe alors à 0V puis revient au potentiel positif lorsque l'impulsion a disparue.

Ce signal est connecté aux bornes -TR1/2 du 4098 via une résistance de 100kOhms. Sur un front descendant, une impulsion est générée sur /Q1 (premier monostable) dont la durée dépend de C5 et P1. Une autre impulsion est générée sur Q2 (second monostable) pour animer le galvanomètre. Cette sortie peut (doit) être déconnectable via un interrupteur si l'on ne veut pas utiliser le galvanomètre. La durée de cette impulsion dépend de C6 et P2.

La valeur affichée par le galvanomètre dépend de C7. Ce condensateur selon les impulsions qu'il reçoit via D3 et R8 et se décharge dans la base de T3 qui alimente le galvanomètre. R11 doit être choisie pour que l'aiguille du galvanomètre soit au maximum lorsque le condensateur est à pleine charge (pour les tests, reliez le plus du condensateur au plus de l'alimentation) ce qui correspond au taux max de comptage. Par exemple, si la durée de l'impulsion /Q1 est de 500µS (> temps mort du tube), cela correspond à la détection d'une particule toute les 500µS soit 2000 particules par seconde. Fuyez !

Vext est raccordé au port P2.2 du processeur. Il permet de déterminer si une alimentation externe est connectée ou non. R5 et R6 forment un pont diviseur permettant de ramener le 5V à environ 3V. La diode Zener D1 permet de limiter la tension à 3,3V au cas où l'alimentation externe déliverait plus de 5V.

Attention : j'ai eu la mauvaise surprise de constater que les signaux RX et TX du processeur suffisaient pour alimenter le module de conversion RS232. Le résultat est que l'on trouve du 3,3V sur Vcc alors que l'USB a été retiré. Si vous utilisez un circuit comme le FT232R, il existe une pin nommée Sleep (Cbus4) qui signale la présence d'une tension sur l'USB. Utilisez plutôt cette sortie pour signaler la présence ou non d'une alimentation externe.

Tx et RX du module USB sont raccordés à UTXD0 et URXD0 (P2.5 et P2.4) du processeur et servent aux communications entre le compteur et un PC. Ne pas oublier de configurer le module USB pour que RX et TX fonctionnent en 3,3V et pas 5V.

Processeur et affichage du compteur Geiger Muller

Je considère que le module Olimex MSP430f449STK2 a un bug de conception qui ne permet pas, en pratique, d'utiliser le bargraph. En effet, les pattes de l'afficheur qui correspondent aux segments du bargraph sont reliées entre elles ce qui fait que lorsqu'on programme l'allumage d'un segment du bargraph, on en allume obligatoirement 3. Il est possible de corriger ce bug de la façon suivante :

• Dessoudez ou coupez les pattes 42 et 35 de l'afficheur.
• Dessoudes les résistances R9 et R10 de 0 ohms.
• Au niveau du PCB, reliez entre eux le 42 avec 40 et 35 avec 37. Ainsi, le bargraph de l'afficheur est commandé par S0, S1 et S3.

En faisant cela, vous supprimez l'affichage des symboles "µmHF" et des flèches qui ne sont pas vraiment utiles pour le compteur. Par contre, vous disposez d'un bargraph qui permet de visualiser le taux de comptage, à la manière d'un galvanomètre analogique.

Le programme du compteur propose donc deux versions. Une où le bargraph est utilisé comme un simple indicateur d'alerte (PCB non modifié) et ou les flèches clignotent au rythme du réveil du processeur, l'autre où le bargraph est utilisé comme indicateur de taux de comptage. Les flèches ne sont plus utilisées.

Les indications sur cette modifications sont présentées ci-après.

Schéma de la partie détection, comptage, communication et alimentation modifiée du compteur Geiger Muller (cliquer pour agrandir)

Conseils de réalisation

Intérieur du compteur, partie analogique.

Rien de particulier à dire sur la partie analogique. Cependant, faites attention à ne pas utiliser de fils insuffisamment isolés pour raccorder la haute tension au tube. Comme les fils utilisés en électronique sont rarement isolés à 400~500V, faites en sorte qu'ils ne soient pas trop proches l'un de l'autre ni qu'ils passent trop près d'autres conducteurs.

Faites en sorte que la batterie soit déconnectable. Lors des tests, cela permet de faire fonctionner les platines numérique (processeur) et analogique (comptage) indépendamment et de limiter le risque d'une erreur de manipulation qui mettrait la batterie en danger.

Intérieur du compteur Geiger Muller.

Pour la platine Olimex, il faut dessouder le connecteur 9 broches pour gagner en hauteur. Il faut aussi dessouder le connecteur d'alimentation et souder un fil d'alimentation avec un connecteur volant que l'on reliera à la platine d'alimentation du compteur Geiger Muller.

Si vous souhaitez modifier la platine Olimex pour permettre l'utilisation du bargraph, voici comment je vous suggère de procéder :

• Dessoudez les résistances 0 ohms avec un fer muni d'une pointe fine (il n'y a pas beaucoup de place). Il suffit de chauffer une extrémité pour que la chaleur se propage à l'ensemble du corps et dessoude la résistance. Faites levier avec un petit tournevis pour faciliter l'opération. Attention de pas toucher l'afficheur avec le fer à souder
• Pour les pattes 42 et 35, je vous conseille de les couper sur l'afficheur en premier puis de les dessouder. Au début, je dessoudais avant puis je tirais la patte. Problème, une fois, la chaleur propagée par les pattes a légèrement fendu l'afficheur et détruit un groupe de segment. Ensuite seulement, dessoudez les deux pattes
• Pour les straps, j'utilise du fil fin isolé destiné au wrapping

Indépendamment des connexions d'alimentation, mettez en place une masse fixe qui relie l'ensemble des éléments. Ainsi, pour les tests, vous pouvez utiliser l'alimentation du compteur pour la partie analogique et l'alimentation de la prise JTAG pour le processeur.

Le chargeur LIPO utilisé à une résistance de consigne qui fixe la charge à 1A ce qui est beaucoup trop. Mettez une résistance de l'ordre de 4,7K.

Logiciel

Le programme est développé en utilisant IAR workbench. Il est nécessaire de disposer d'une sonde JTAG pour charger le programme dans la carte de développement Olimex. Vous pouvez télécharger le logiciel sur la page de téléchargement.

2013-2016

Récapitulatif des différences avec PC-GM4

PC-GM6 s'inspire du compteur PC-GM4 avec lequel il est fonctionnellement identique. Les principales différences sont liées au schéma et sont les suivantes :

• PC-GM4 utilise un circuit RTC PCF8583 accessible en I2C pour compter les impulsions plutôt qu'un compteur du processeur. J'ai initialement procédé ainsi parce que je craignais que l'utilisation du compteur du processeur ne fonctionne pas en mode "basse consommation". En pratique, sur le processeur MSP430, les compteurs peuvent être utilisés en mode LPM3, ce qui est fait ici, sans que la consommation s'en ressente. Néanmoins, si vous utilisez un autre processeur ne disposant pas de compteur en mode basse consommation, le schéma (et le programme en guise d'inspiration) des compteurs PC-GM3/4 vous intéressera.
• PC-GM4 utilise un 555 pour commander le galvanomètre. PC-GM6 utilise un des monostable du 4098.
• La détection se fait par l'anode du tube et non plus par la cathode. Bien que beaucoup de schémas utilisent la détection par la cathode, on (les fabricants, certains experts) considèrent qu'il est préférable de mettre la cathode directement à la masse ce qui impose de faire la détection au niveau de l'anode. Intuitivement, le fait de mettre la cathode à la masse semble en effet plus propre.
• PC-GM6 utilise un monostable (4098) pour la mise en forme du signal.
• La consommation de PC-GM6 est légèrement supérieure à PC-GM4.