Il Micro Geiger per Android

[Enotria]

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Tante sono le applicazioni per ottenere dal nostro cellulare la funzione di contatore geiger.
Molte di queste utilizzano come elemento sensore la stessa fotocamera, impedendo l’accesso alla luce e, nella convinzione, che in quelle condizioni il sensore divenga sensibile alle radiazioni ionizzanti.
In realtà, il sensore della fotocamera è sensibile a tutto: luce, campi magnetici, radiazioni, campi elettrici, temperatura, forse anche alla qualità dell’aria ed allo smog !
Sono quindi programmi che danno si dei numeri, ma nulla di più. Nessuno vi può garantire che quei valori che leggete si riferiscano ad una radioattività presente e non ad un campo elettrico o ad altro ancora.

Poi ho visto delle applicazioni che entrano nel cellulare dalla presa microfonica con degli impulsi audio che sono direttamente conseguenti ad un conteggio reale, eseguito da un reale tubo Geiger.
Qui la cosa è molto più seria, esiste un reale sensore, esiste un vero sistema di alimentazione per generare l’alta tensione necessaria e con la dovuta stabilità, vi è un circuito rivelatore che seleziona ed amplifica gli impulsi ricevuti, trasformandoli in impulsi audio validi per la successiva elaborazione del nostro smartphone.
Qui il vero problema è un altro, quello di rendere la sonda il più possibile miniaturizzata, rendendo minimo il volume occupato da elettronica e pila e, al contrario, rendere massima la superficie captante della radioattività.

Oggi mi è arrivata una nuova applicazione per il mio Samsung, si chiama Micro Geiger ed è stata progettata da una ditta italiana: [External Link Removed for Guests]
Ho acquistato questo strumento per pura curiosità, volevo vedere “quanto ci azzeccano” come diceva un noto magistrato dei tempi della caccia alle streghe.

La parte hardware è ridotta ad uno scatolino di 12x4x2 cm. con una fessura laterale per scoprire il tubo Geiger, un M4011 in vetro per beta e gamma.

1.JPG

Naturalmente non si può resistere senza guardare come è fatto “dentro”, per cui apriamo la scatolina e troviamo una unica misera piletta che alimenta il tutto. La circuiteria è tutta in tecnologia SMT per cui con la mia vista lascio perdere i particolari e mi fido, ma guardando anche con tre paia di occhiali, mi sembra tutto molto pulito ed ordinato

microgeiger-per-android-board-assemblata.jpg

Il software, prodotto dalla stessa ditta, è reperibile oltre che sul sito del progettista, anche sui normali distributori di software Android.

Nella immagine precedente si vede una fase della misurazione: il grosso quadrante indica i CPM rilevati e precisamente quelli della misura in corso con la lancetta rossa e quelli mediati (media progressiva) con la lancetta grigia.
Sotto al quadrante vi è una riga scorrevole che indica il tempo di campionamento e, ancora sotto, il valore della misurazione in CPM o, a scelta, in microSv.
Poi naturalmente vi sono disponibili grafici, dati, tempi di misurazione ed i tanti dati che l’utilizzo dello smartphone ci consente.

Ma la curiosità a questo punto impone di eseguire dei test sia sulla linearità di risposta della sonda utilizzata, sia sulla sua precisione a varie intensità di radiazione.
Il metodo che ho utilizzato è quello già ben collaudato delle mie “Prove su strada”, confrontando la curva ideale e teorica (linea blu) con quella reale dello strumento in prova (linea rossa).
Tanto più le due curve coincidono, migliore è la risposta della strumentazione in prova.

Linearità di risposta:

Linearità.jpg

Credo che il commento sia inutile: i valori ottenuti sono molto simili a quelli aspettati per cui, entro la gamma testata, la risposta del tubo Geiger è ottima.

Per oggi basta così, domani farò il test della precisione e le conclusioni

[marconmeteo]

Il progettista è iscritto al nostro forum: [Local Link Removed for Guests]
magari (anche se è dall'iscrizione che non frequenta) potrebbe dare qualche info in più.

Dario

[Enotria]

Ho testato la precisione dello strumentino e, come era da attendersi, la risposta della sonda è attenuata dalla schermatura del contenitore in plastica.
E' evidente che i test del costruttore si riferiscono alla sonda completamente libera da ogni ostacolo, situazione quindi molto diversa di quando è, per forza di cose, racchiusa in un contenitore.

Ho quindi provato, orrore degli orrori, a tagliare una bella fetta del contenitore, scoprendo così una maggiore superficie del tubo Geiger. Per fortuna il tubo è in vetro, per cui non vi è pericolo che la maggiore esposizione comporti pericolo di antipatiche scosse.

Il risultato direi che è migliorato di molto, la precisione è ancora un po' inferiore al reale, ma tant'è, non posso tagliare tutto e mettere il tubo allo scoperto !

Precisione_Modif.jpg

Anche mettendo a confronto il nostro micro Geiger con il ben più costoso Inspector, i risultati sono molto simili, pur con una differenza di costo di 1 a 10.

Confronto.JPG

[GuardianRay]

Ciao a tutti sono Maurizio della Azienda ElettronicaNet S.r.l., il progettista nonchè costruttore del piccolo Micro Geiger per Android.
([External Link Removed for Guests])

Innanzi tutto ritengo doveroso fare i miei sinceri complimenti ai gestori di questo interessantissimo forum e ad ad Enotria per la professionalità dimostrata nella sua accurata descrizione e sopratutto nella certosina esecuzione dei diversi test di misura che hanno messo a "nudo" nel bene e nel male le caratteristiche del mio piccolo geiger.

Quando iniziai la progettazione di questo piccolo strumentino non avevo ancora ben chiaro cosa effettivamente sarei riuscito effettivamente a realizzare, anche se già dall'inizio pensai che il nuovo progetto per essere veramente innovativo doveva distinguersi dai diversi concorrenti già esistenti i quali notai subito che non utilizzavano come sensore dei veri tubi geiger muller ma dei semplici e poco sensibili diodi pin a semiconduttore, quindi niente hanno a che vedere con un vero geiger counter .

Micro Geiger invece doveva essere flessibile e facilmente adattabile per poter supportare piu modelli di tubi geiger con tensioni anche superiori ai 500V, economico e nel contempo affidabile al pari di un buon geiger convenzionale che invece confrontato al piccolo Micro Geiger risulta quasi sempre molto più ingombrante e costoso. Ero fermamente convinto che il mio apparecchietto doveva assolutamente costare poco, avere ingombri estremamente ridotti e nel contempo possedere una discreta linearità e sensibilità.

All'inizio io stesso pensai "facile a dirsi", anni di esperienza in realizzazioni elettroniche mi hanno infatti insegnato che tra dire e il fare c'è sempre di mezzo il mare, anche se meraviglioso come quello della ns. bella isola di Sardegna

Poi cominciai a studiarci su e compresi fin da subiti che i problemi più importanti da risolvere erano almeno tre, ovvero:

- il circuito convertitore per l'alta tensione che doveva possedere un rendimento elevatissimo.

- la tensione di alimentazione di microgeiger che per ridurre gli ingombri del dispositivo doveva essere non superiore ad 1.5V così da potere utilizzare una piccola pila alcalina di tipo "AAA".

- il software di acquisizione e gestione sempre da me sviluppato appositamente per la piattaforma Android e che in pratica ha il compito di virtualizzare le funzioni di un buon geiger sfruttando le grandi risorse hardware che oggi dispongono gran parte degli smartphone Android

Riguardo la progettazione del circuito convertitore per l'alta tensione, questo era sicuramente il principale scoglio da superare, ovvero doveva essere minimale, consumare pochissimo in condizioni di riposo e nel contempo doveva adattarsi dinamicamente alla eventuale maggiore richiesta di corrente da parte della sonda quando questa si trovasse in presenza di elevati livelli di radioattività.

Infatti può capitare che le scariche elettriche nel gas rarefatto all'interno del tubo geiger possano divengono molto frequenti in presenza di livelli di radioattività medio alti, conseguentemente la richiesta di corrente verso la sezione di alimentazione ad alta tensione aumenta sensibilmente, e mentre molte configurazioni circuitali di uso comune in genere non sono adeguate per sostenere tale richiesta supplementare energia erogando in tale contesto tensioni inferiori a quelle nominali necessarie al corretto funzionamento del tubo, invece il convertitore DC/DC che dovevo cercare di realizzare avrebbe dovuto essere capace di erogare correnti via via crescenti secondo l'effettivo fabbisogno della sonda geiger e nel contempo consumare pochissimo a riposo.

In pratica il rendimento energetico del mio converter doveva avvicinarsi ad oltre il 90% cosicchè l'alta tensione erogata potesse rimanere costante a prescindere dalla corrente assorbita. Dopo tantissime ed estenuanti prove quando dopo diversi tentativi andati a vuoto cominciavo a perdere ogni speranza, alla fine invece sono riuscito ad individuare la soluzione progettuale più idonea ad ottenere i risultati che mi ero prefisso. Si tratta di un convertitore DC/DC alimentato a soli 1.5V che a riposo assorbe meno di 0.5mA, e che quando la richiesta di corrente da parte della sonda diventa importante può anche incrementare il suo assorbimento di oltre 20 volte pur di mantenere l'alta tensione costante verso il tubo geiger.

La configurazione circuitale adottata è risultata molto semplice ma efficace si tratta di un oscillatore autorisonante di tipo semi bloccato, in pratica non oscilla costantemente ma ad intervalli di tempo prefissati che inoltre cambiano in funzione della corrente erogata sul lato alta tensione. il circuito è cosi performante che addirittura è possibile misurare direttamente e con una buona precisione utilizzando un comune multimetro a media impedenza, l'alta tensione erogata all'uscita del raddrizzatore ai capi del condensatore del primo stadio di filtraggio, quindi prima dell'unico stadio duplicatore di tensione presente. Se provate invece a fare misure analoghe su altri converter DC/DC noterete con molta probabilità che senza usare uno speciale voltmetro ad altissima impedenza, la tensione misurata sarà meno della meta di quella che vi potreste aspettare. Questo perchè le piccole correnti erogate da questi converter tradizionali spesso sono statiche e molto limitate.



La sezione di alimentazione di Micro Geiger per Android è stata realizzata utilizzando 2 soli transistor per lo stadio oscillatore vero e proprio, un solo transistor e un fet per la realizzazione di un circuito di feedback di tipo "attivo" che provvede a spegnere automaticamente per un cero periodo l'oscillatore qualora la tensione in uscita superi il valore prefissabile da due o tre zener inseriti nello stesso circuito. Dalle prove svolte ho notato che variando la tensione di breakdown degli zener si possono ottenere correnti discrete e tensioni elevatissime con voltaggi anche nettamente superiori ai 500V, che è il limite massimo attualmente prefissato nel progetto. Insomma si tratta di un vero "signor converter".

Per adesso mi fermo quì, i crampi della fame prendono il sopravvento, ma a breve continuerò la mia esposizione .. a presto.

[marconmeteo]

Ottima esposizione, non cè che dire, anche supportata da schemi elettrici che chiariscono i principi di funzionamento.
Grazie delle delucidazioni.

[GuardianRay]

Ringrazio marconmeteo per gli apprezzamenti e proseguo con introdurre i principi ispiratori del software per dispositivi Android che ho sviluppato appositamente per Micro Geiger.

Allora innanzitutto va detto che ci sono tre possibili strade che possono essere percorse per interfacciare un qualsivoglia dispositivo hardware ad un o smartphone Android, ovvero:

A) per mezzo della porta usb del telefonino il cui firmware supporti la modalità USB-HOST oggi anche comunemente chiamata USB-OTG, dotando l'harware esterno di un microcontrollore con interfaccia USB client nativa come ad esempio il PIC 18F2550 / 18F7J53 etc o in alternativa scegliendo una strada più semplice di un chip convertitore da seriale RS232 a CDC USB che emula una porta seriale standard.

B) per mezzo di una connessione Bluetooth e qindi dotando l'hardware esterno di un modulo wireless compatibile e di un microcontrollore con un apposito firmware di gestione della comunicazione con il dispositivo Android.

C) una stupidissima connessione audio in bassa frequenza sfruttando l'ingresso audio/microfono insito ormai in qualunque smartphone.



Riguardo le prime due soluzioni (A e B), posso tranquillamente affermare che sono sicuramente quelle più tecnologicamente sofisticate ed avanzate, infatti grazie aloro posso inviare qualunque dato allo smartphone (HOST) semplicemente codificandolo in modo oppurtuno nel rispetto del protocollo d comunicazione utilizzato. Però è altrettanto evidente che il costo economico e lo sforzo di implementazione in questo caso diverrebbero molto onerosi, Infatti sempre facendo riferimento a Micro Geiget, ammesso di volervi implementare questo tipo di interfaccie, dovrei innanzi tutto dotarlo di hardware aggiuntivo, ovvero di almeno un micrcontrollore ed addirittura nel caso optassi anche per la comunicazione wireless verso lo smartphone, anche di un costoso modulo Bluetooth. Gli svantaggi che ne deriverebbero per Micro Geiger, a mio parere sarebbero comunque superiori ai vantaggi, poichè in primis i consumi dell'apparato aumenterebbero di almeno 5/6 volte, inoltre la stessa fonte di alimentazione passerebbe dalla attuale misera piletta da 1.5V ad almeno 3 delle stesse messe in serie per raggiungere cosi i 4.5 Volts, perchè va considerato che il microcontrollore e il modulo bluetooth hanno bisogno per funzionare con almeno una tensione stabilizzata di 3.3 Volts. Ad esempio non a caso la soluzione con la porta USB nativa l'ho già implementata sui geiger della serie "Guardian Ray" che oltre ad essere evidentemente di dimensioni maggiori rispetto a Micro Geiger e sono anche dotati di un accumulatore ricaricabile ai ioni di litio da 3.8-4.2 Volt DC. Cio nonostante l'autonomia di Microgeiger con la sua sola e piccola piletta può tranquillamente superare le 400 ore di autonomia contro le 38/48ore di Guardian Ray per ogni ricarica del suo accumulatore.

Ecco perchè sulla base di queste considerazioni ho pensato ancora una volta che la semplicità, l'economicità e l'affidabilità del progetto dovessero essere la via principale da seguire e quindi l'ho vista divenire una scelta praticamente obbligata per me. Allora ho deciso definitivamente di interfacciare il mio piccolo geiger sfruttando l'ingresso audio microfononico presente ormai in tutti gli smartphone di ultimagenerazione.

Va detto però che questa ultima soluzione presenta comunque anche degli svantaggi che sono dovuti alle limitate capacità di campionamento da parte dell'hardware del telefonino che non si presta benissimo a trattare segnali che in genere hanno una durata del fronte di salita non sempre costante e comunque veramente molto stretti, (circa 50uSec). Inoltre la gestione del campionamento da parte del compilatore android avviene ad alto livello e non sulla base di un codice direttamente ottimizzato in assembler come ad esempio avviene in un programma fatto per girare su di un microcontrollore embedded. Questa situazione introduce dei ritardi importanti nella gestione del campionamento stesso dei segnali e paradossalmente anche delle difficoltà di organizzazione del codice quando capita di dover campionare impulsi molto rapidi e con frequenze bassissime nell'ordine di 0.2 / 0.3 Hz, come si verifica ad es. quando leggo il valore del fondo naturale che su Micro Geiger batte una media di 18 CPM

Per adesso mi fermo qui, ma continuero a breve....

[Francesco]

Grazie per la dettagliata e ben fatta descrizione di questa realizzazione.
[External Link Removed for Guests]

[lello98]

Scusate se rianimo un thread vecchio di mesi, ma qualcuno sa che versione minima di Android è richiesta per l'app del Micro Geiger ?
Su una 2.2.2 (lo so è scandalosamente vecchia, ma ho rianimato un vecchio smartphone che ho trovato in giro per casa!) all'avvio si blocca e mi dice "Interruzione imprevista dell'applicazione".

Grazie

[marconmeteo]

Purtroppo credo che l'unico che possa risponderti sia Maurizio, il progettista del dispositivo e del software. Ogni tanto passa a trovarci, speriamo lo faccia presto. Oppure prova nel suo sito, mi pare ci sia la mail per contattarlo e forse anche il telefono.

[lello98]

Eh, non voglio disturbarlo per un inezia del genere...Aspetto un po', poi magari gli mando una mail sull'indirizzo indicato sul sito.
Grazie del suggerimento!