Automatisierung von Ionisationskammermessungen

"Neben Messung und Auswertung zur Bestimmung der Radonaktivität können auch Kalibriermessungen sowie Überprüfungsmessungen der Kalibrierfaktoren der Apparatur vorgenommen werden."

- B. Ing. Simon Seyfferth, Universität Salzburg, Fachbereich Materialforschung & Physik, Abt. Physik & Biophysik

The Challenge:

Für das radiologische Messlabor des Landes Salzburg wurde innerhalb einer Abschlussarbeit des Joint-Degree-Bachelorstudiums Ingenieurwissenschaften (PLUS und TUM) eine Software zur Automatisierung von Ionisationskammermessungen entwickelt.

The Solution:

Für die Messung der geringen Ionisationsströme wurde mit einem Elektrometer Keithley 6514 gearbeitet. Neben Messung und Auswertung zur Bestimmung der Radonaktivität können auch Kalibriermessungen sowie Überprüfungsmessungen der Kalibrierfaktoren der Apparatur vorgenommen werden.

Author(s):

B. Ing. Simon Seyfferth - Universität Salzburg, Fachbereich Materialforschung & Physik, Abt. Physik & Biophysik
Dr. Paolo Sereni - Universität Salzburg, Fachbereich Materialforschung & Physik, Abt. Physik & Biophysik

Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2015 des Technologie- und Anwenderkongresses „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ veröffentlicht.

Eingesetzte Produkte: NI LabVIEW

Die Abbildungen der Kundenlösung finden Sie in der Galerie und im Fließtext. In der Galerie können Sie die Bilder in größerer Auflösung ansehen.

 

 

Kurzfassung

Für das radiologische Messlabor des Landes Salzburg wurde innerhalb einer Abschlussarbeit des Joint-Degree-Bachelorstudiums Ingenieurwissenschaften (PLUS und TUM) eine Software zur Automatisierung von Ionisationskammermessungen entwickelt. Für die Messung der geringen Ionisationsströme wurde mit einem Elektrometer Keithley 6514 gearbeitet. Neben Messung und Auswertung zur Bestimmung der Radonaktivität können auch Kalibriermessungen sowie Überprüfungsmessungen der Kalibrierfaktoren der Apparatur vorgenommen werden. Das Anlegen eines Archivs für Rohdaten und Kalibrierungsmessungen wurde ebenso implementiert wie eine Ergebnisausgabe sowohl als Spreadsheet als auch im PDF-Format. Besonderen Wert wurde neben der Qualität der Messung auf die Sicherheit des Messinstruments, geringe Fehleranfälligkeit und intuitive Bedienbarkeit für den Benutzer gelegt.

 

Einführung

Das Radiologische Messlabor des Landes Salzburg (RMLS) wurde an der Abteilung für Physik und Biophysik des Fachbereichs Materialforschung und Physik der Paris-Lodron Universität Salzburg (PLUS) infolge der Tschernobyl-Katastrophe des Jahres 1986 gegründet. Zu den Aufgaben des RMLS gehören auch systematische Routinearbeiten sowie laufende Messungen, wie die Überwachung der Luftqualität. Die Konzentration von Radon in der Luft soll regelmäßig kontrolliert werden, weil hohe Radonkonzentrationen das Lungenkrebsrisiko erhöhen.

 


Ziel dieses Beitrags ist, ein Abschlussarbeit des JDS-Bachelors Ingenieurwissenschaften zu präsentieren, in dem die Erfassung der Daten aus einer Ionisationskammer, deren Auswertung und Archivierung automatisiert worden ist.

 

Realisierung

Eine Ionisationskammer ist eine Messapparatur, welche zum Nachweis der ionisierenden Strahlung (α, β und γ) verwendet wird. Im Wesentlichen besteht eine Ionisationskammer aus einem mit Gas gefüllten, geladenen Kondensator. Wird das Gas im Kondensator ionisiert, so entstehen geladene Ionisationspaare, die als Spannungsdifferenz an der Elektrode gemessen werden können.

 

Für die Messung der relativ geringen (∼ pA) Ionisationsströme wurde das programmierbare Electrometer 6514 der Firma Keithley gewählt, welches einen Messbereich von 10 fC bis 20 C umfasst. Das Elektrometer kann sowohl durch eine RS-232- als auch eine IEEE-488-Schnittstelle programmiert werden. Zusätzlich bietet der Hersteller des Geräts einen Treiber für LabVIEW, welcher erlaubt, die Steuerung des Elektrometers in einem LabVIEW-Programm zu übernehmen.

 

Die übergeordnete Struktur besteht aus zwei Programmen, welche die zeitlich getrennten Aufgaben des Mess- und Auswertvorgangs erfüllen. Die Datenübergabe zwischen den Programmen erfolgt über abgespeicherte Spreadsheet-Dateien. Dies ermöglicht, dass unabhängig vom Zeitpunkt der Erzeugung die Daten immer wieder ausgewertet werden können. Außerdem bietet sich in dieser Übergabeform das Anlegen eines Messarchivs mit Rohdaten an. Das Messarchiv kann vom Benutzer im Windows Explorer durch Ordner strukturiert und verwaltet werden.

 

Messprogramm

Das Messprogramm ist als Zustandsmaschine konstruiert und kann drei verschiedene Messvorgänge ausführen (Bild 1).

 

 

 

Um Fehler zu vermeiden, ist es dem Benutzer nur möglich, im Initialize-Zustand Eingaben zu machen, in den stets automatisch zurückgewechselt wird. Die Eingabeobjekte konnen vom Benutzer von oben nach unten systematisch mit Werten belegt werden. Je nach Vorgangswahl werden spezifische Daten verlangt und mit einem OK-Button kann die Messung gestartet werden. Das Programm beginnt stets mit dem Zustand Initialize, welcher wesentlich die Kontrolle der Objekte der Benutzeroberfläche und die Ausgabe von Daten unter Verwendung einer Eventstruktur übernimmt. Wird die Messung gestartet, so werden alle Eingabeobjekte auf der Benutzeroberfläche ausgegraut und gesperrt, und ein SubVI initialisiert unter Verwendung der Keithley-Treiber das Elektrometer. Dabei wird der interne Fehlerspeicher geklärt, das Messgerät genullt und zum Schutz vor Überspannung vom Stromkreis angekoppelt.

 

In den Messzuständen wird jeweils mit zwei SubVIs zum Aufzeichen der Messwerte und Zusammensetzen der Spreadsheets gearbeitet.

 

Unter Verwendung von Keithley-Treibern werden der Messbereich, verschiedene Filter und die Anzahl an Daten bzw. die Messdauer eingestellt. Sobald das Messgerät beginnt, die Messwerte aufzuzeichnen, werden diese auf dem Display des Elektrometers für den Nutzer angezeigt. Der integrierte Speicher des Messgeräts wird zum Zwischenspeichern der Daten verwendet und dieses so konfiguriert, dass es die Messung selbstständig duchführt. Trotz PC-Problemen kann somit die Messung weiterlaufen und Daten werden weiter aufgezeichnet. Nach dem Auslesen des Speichers wird das Gerät zum Schutz wieder vom Stromkreis getrennt. Die Messdaten werden dem zweiten SubVI übergeben und vorgangsspezifisch in ein Spreadsheet eingeordnet. Ein standardisierter Name und Speicherort werden vorgeschlagen, um ein einheitliches Messarchiv zu gestalten.

 

Auswerteprogramm

Das Auswerteprogramm ist analog als Zustandsmaschine konstruiert, in der immer wieder zurück in den „Init“-Zustand gewechselt wird (Bild 2).

 

 

 

Über eine Enum-Auswahl wird entschieden, welcher Vorgang durchgeführt werden soll. Je nach Wahl stellt das Frontpanel verschiedene Ein- und Ausgabeobjekte dar.

 

Vom Benutzer müssen nur die Speicherorte der benötigten Spreadsheets, die vom Messprogramm erstellt wurden, ausgewählt werden. Aus diesen werden alle Daten ausgelesen und nach den Berechnungen als Spreadsheet ausgegeben. Dieses enthält auch alle Rohdaten der Messfiles. Weiterhin stellt ein Graph die Ergebnisse dar. Die Auswertung kann sowohl als PDF-Bericht (Bild 3) als auch als Spreadsheet abgespeichert werden, damit die Daten mit Tabellenkalkulationsprogrammen weiterbearbeitet oder als unveränderlicher Bericht weitergegeben werden können.

 

 

 

Der Zustand Init übernimmt über eine Eventstruktur die Ergebnisausgabe, die Kontrolle des Frontpanels, das Abspeichern der Spreadsheets und PDFs und die Benutzereingaben. Diese stellt das Frontpanel entsprechend zu Benutzereingaben um und löst sowohl das Abspeichern der Spreadsheets und PDFs als auch das Wechseln der Zustände aus. Dabei werden PDF Addons der Firma Carya Automatisering verwendet, und der grundsätzliche Aufbau wurde vom Programmbeispiel PDF Report.vi übernommen, jedoch für die konkrete Anwendung adaptiert. In den anderen Zuständen finden lediglich die zugehörigen Berechnungen statt.

 

Zusammenfassung

Durch die direkte und enge Zusammenarbeit mit den Nutzern konnte ein funktionierendes Programm entwickelt werden, welches einen automatisierten und erleichterten Messprozess ermöglicht. Die Entwicklung eines Programms ist im weiten Sinne nie vollständig abgeschlossen, da viele Fehlerquellen und Nutzungsdetails erst im regelmäßigen Gebrauch ersichtlich werden. Jedoch ist das primäre Ziel einer Softwareentwicklung aus ingenieurtechnischer Sicht dann erreicht, wenn der Abnehmer wie hier die geforderten Details vorfindet und seine Erwartungen erfüllt sieht. Die Abstraktion des Messprozesses für die Automatisierung gelang sehr schnell. Um die konkreten Anforderungen an das Programm für das Auswerten der Messungen und das Berechnen der Kalibrierfaktoren zu erfragen, brauchte es aber eine enge Zusammenarbeit und viel Kommunikation mit dem Anwender. Der Grund dafür war, dass viele softwarerelevante Details selbstverständlich und nicht bewusst wahrgenommen werden. Aus den unterschiedlichen Expertisen von Nutzern und Entwicklern ergaben sich insgesamt jedoch eher synergetische Effekte, was vor allem dadurch entstand, dass man im selben Raum arbeitete und entwickelte und so kurze Wege und schnelle Absprachen ermöglichte. Daraus ergab sich auch, dass der Kompromiss zwischen Komplexität und Einfachheit in Bezug auf die Einstellungsmöglichkeiten gefunden werden konnte, ohne dass der Benutzer nun überfordert oder entmündigt wäre.

 

Danksagung

Die Autoren möchten sich bei Herrn Dr. A. Hubner, Prof. H. Lettner und Ing. A. Strobl der Abteilung für Physik und Biophysik des FB Materialforschung und Physik der PLUS (bzw. des RMLS) für ihre ausführliche Unterstützung bedanken.

 

Author Information:

B. Ing. Simon Seyfferth
Universität Salzburg, Fachbereich Materialforschung & Physik, Abt. Physik & Biophysik
Hellbrunnerstr. 34
Salzburg 5020
Austria
simon.seyfferth@googlemail.com

Bild 1: Übersicht der Zustände des Messprogramms
Bild 2: Übersicht der Zustände des Auswerteprogramms
Bild 3: Beispiel für einen PDF-Bericht