Alarmfunktion in Messgeräten

[DG0MG]

Ich möchte mal eine Diskussion zur Funktionsweise der Dosisleistungsalarme in verschiedenen Geräten anregen. Irgendwie bin ich damit - bei den Geräten, die ich so benutze - immer nicht so ganz glücklich.

Bei einem Großteil der kommerziellen Geräte und sicher auch bei Selbstbauten funktioniert das doch üblicherweise so:
Auf "irgendeine Weise" kommt ein Dosisleistungsmesswert zustande und dieser wird dann auf Überschreitung eines oder mehrerer vordefinierter Grenzwerte abgetestet und eine ja/nein-Entscheidung generiert, anhand derer dann weitere Aktionen (Alarmton, Vibrator) ausgelöst werden.

Nun kann man ja den Alarm in mindestens zwei Zwecke unterteilen:

• zum Einen die Feststellung eines ggü. dem Hintergrund erhöhten Dosisleistungslevels überhaupt,
• und zweitens die Überschreitung eines gesundheitlich wirklich bedenklichen Levels.

Die zweite Variante ist problemlos: Man stellt die Grenze nach Belieben auf einen Wert, den man in freier Wildbahn kaum jemals unerwartet antreffen wird: 25 µSv/h oder mehr.

Die erste Variante ist komplizierter. Auf was stellt man denn die Alarm-Grenze? Einerseits soll die Alarmauslösung empfindlich sein. Eine radioaktive Person in der S-Bahn auch aus größerer Entfernung gemeldet werden, nicht erst, wenn sie neben einem sitzt. Ein radioaktiver Transport auf der Straße sollte zeitig auffallen. Also muss der Grenzwert möglichst niedrig sein. Niedriger Grenzwert bedeutet hohe Wahrscheinlichkeit für Fehlalarme. Bei Geräten mit GM-Zählrohr noch mehr, als bei Szintillationsmessgeräten. Stellt man die Grenze höher, verliert man Empfindlichkeit.

Beim RADEX ONE gibts die von mir ursprünglich für eine Fehlfunktion gehaltene Option, den Alarm bspw. auf 0,3 µSv/h zu stellen und den Ticker einzuschalten. Das führt dann zu dem Verhalten, dass das Gerät im Normalfall still ist (unlogisch zwar, weil Ticker=ein), aber dann bei Überschreiten der Alarmschwelle tickt.

Beim Radiation Pager habe ich die Empfindlichkeit auf 3 oder 4 stehen, größtenteils ist das okay. Aber nicht immer: Gelegentlich findet in Zwickau auf dem Platz der Völkerfreundschaft ein für die hiesige Provinz großer Flohmarkt statt, den man natürlich gerne mal besucht. Der Platz wurde zu DDR-Zeiten vermutlich mit WISMUT-Schotter befestigt, an verschiedenen Stellen schlägt der Pager beim Überlaufen der Stellen an. Man kann den Alarm zwar kurz wegdrücken, aber nicht dauerhaft. Letztendlich muss man den Pager ausschalten und hat ihn daher umsonst mitgenommen. Der RadiaCode-101 zeigt an diesen Stellen etwa 0,35 µSv/h an.

Ich habe weiterhin einen "Polimaster PM1703M", das ist auch ein Pager, aber mit Display. Er zeigt in µR/h an, aber das ist egal. Den habe ich dauerhaft im Auto liegen. Bei ihm kann man keine zahlenmäßige Alarmschwelle einstellen, sondern man drückt den Knopf "CAL", dann macht er einige Sekunden eine Hintergrundbestimmung und legt dann die Grenze nach einem eigenen Algorithmus fest. Angezeigt werden kann diese Grenze nicht. Bei Überschreitung der Grenze wird aber nicht ein vorgefertigter Alarm ausgelöst (wie z.B. beim RadiaCode-101) sondern das Ding fängt an, in kurzen, lauten Signaltönen zu piepen. Die Tonhöhe bleibt gleich, aber die Abstände der Töne sind abhängig von der Dosisleistung: Es kann also mal ein einzelnes "pip" kommen, oder "pip" .... "pip" .... "pip" oder auch "pip"."pip"."pip".. wenn man näher an der Quelle dran ist. Etwa so, wie der Rückfahr-Piepser (Abstandswarner) beim Auto. Das ist ggü. einer einfachen Alarmauslösung schon ein erheblicher Fortschritt, weil das Signal zusätzliche Informationen enthält. Man braucht den Alarm auch nicht irgendwie zu löschen oder zurückzustellen. Wenn der Strahlungspegel sinkt, weil man sich wieder entfernt, ist sofort wieder Ruhe. Ein wenig habe ich manchmal auch den Eindruck, dass bei gleichbleibendem Strahlungslevel die Signalhäufigkeit abnimmt, sich also die Grenze automatisch nach oben bewegt. Aber das ist nicht immer so.
Bleibt man auf Gebiet mit erhöhtem Hintergrund, drückt man wieder "CAL" und der aktuelle Level wird als Hintergrund genommen - bei natürlich jetzt verringerter Empfindlichkeit. Ist man wieder in "normalem" Gelände, muss man selbst daran denken, mittels "CAL" die empfindlichkeit wieder zu erhöhen.  Auf meinem täglichen Weg zur und von der Arbeit schwankt die Anzeige zwischen 7 und 28 µR/h. 7 µR/h auf der neugebauten Landstraße, 28 µR/h auf der 100jährigen Kopfsteingranitpflasterstrecke am früheren Güterbahnhof. Je nachdem, wo ich nun vorher irgendwann "CAL" gedrückt habe, wird das Überfahren der Granitstrecke mal mit hektischem Piepen oder auch mit eisigem Schweigen quittiert. Das ist also irgendwie auch nicht das Optimum.

Beim Radiation Pager der neueren Version hatten wir die Funktion gefunden, bei Alarmauslösung durch Quittieren dieses auf die nächsthöhere Ansprechschwelle (also unempfindlicher) zu schalten. Aber wie kommt man da wieder runter?

Was gibts denn für Lösungen oder Denkansätze für dieses Problem?

Könnte man die Schwelle für das Alarmansprechen nicht irgendwie gleitend gestalten, also immer möglichst niedrig?
Und nicht nur das absolute Überschreiten der Schwelle auswerten, sondern auch die Geschwindigkeit, in der das passiert: Ein schneller Anstieg sollte eher zu einer Signalisierung führen als ein langsamer? Und natürlich muss es trotzdem Parameter geben, um das Verhalten an die eigenen Anforderungen anzupassen.
Und der Alarm selbst? Kann man nicht von der althergebrachten Vorstellung "Alarm ausgelöst" ==> "geht 10 Sekunden lang oder muss vorher quittiert werden" abgehen? Da ist die Lösung des Polimasters schon ein richtiger Weg.

So richtg fällt mir nichts weiter dazu ein.

Außer, das ich im RadiaCode-101 gerne einen DRITTEN ALARM hätte, der da "Automatic" heisst. 

[Henri]

Das Problem bei den Alarmen ist ja, dass das Gerät nicht wissen kann, was der Bediener gerade mit ihm macht.

Hast Du es auf dem Tisch liegen und ändert sich die alarmauslösende Bedingung nur langsam, kann es sehr lange zählen und dadurch auch geringe, langsam eintretende  Abweichungen mit der nötigen statistischen Signifikanz nachweisen.
Hast Du es am Gürtel und möchtest damit Leute finden, die radioaktive Quellen in ihrer Aktentasche schmuggeln, muss es sehr schnell reagieren, darf aber auch nicht zu viel Fehlalarme erzeugen. Bleibst Du hierbei an Deinem Zoll-Schalter, ändert sich Dein Hintergrund nicht. Man kann hier also sehr lange den Hintergrund bestimmen. Aber gehst Du damit durch die Innenstadt, ändert sich auch der Strahlungshintergrund ständig. Der muss dann entsprechend nachgeführt werden. Aber wie soll das Gerät wissen, dass es der natürliche Hintergrund ist, der sich ändert, und nicht das, was Du aufspüren möchtest?



Man könnte als Kompromiss z.B. folgendes machen:

Man hat einen gleitenden Mittelwert über mehrere Minuten. Und dann kürzere "Momentanwerte", die aber eine bestimmte Anzahl von Impulsen enthalten müssen. Da es bei der Berechnung der statistischen Signifikanz nur darauf ankommt, wie viel Impulse registriert wurden, nicht aber in welchem Zeitraum, müsste sowohl der Mittelwert als auch der Momentanwert adaptiv sein, bzw. der Mittelwert darf (je nach Szenario, s.o.), der Momentanwert muss. Dann kann man rechnerisch einfach festlegen, bei welcher Überschreitung (1-sigma, 2-sigma, 3-sigma... Alarm ausgelöst werden soll. Dabei geht es rein um die Zahl der Fehlalarme, die man tolerieren möchte. Weniger Fehlalarme heißt dann aber auch längere Momentanwert-Messintervalle. Und das Gerät passt dann automatisch seine Messintervalle an die Statistik an: z.B. indem immer 100 Impulse gezählt werden. Bei niedrigem Hintergrund (eher uninteressant) misst es dafür 20 Sekunden, aber bei hohen Pegeln vielleicht nur Sekundenbruchteile. Das heißt, wenn es "spannend" wird, kann es sehr schnell reagieren.

Bleibt man in einem Strahlungsfeld, das so weit erhöht ist, dass Alarm ausgelöst wird, gleicht sich der Mittelwert dem natürlich auch allmählich an. Das heißt, wenn ich mich aus dem Strahlungsfeld wieder entferne (nicht aber wenn ich mich annähere), sollte z.B. bei einer Unterschreitung um einen statistisch signifikanten Betrag der Langzeit-Mittelwert komplett neu initialisiert werden. So ist das Gerät dann sehr schnell wieder "scharf". Und wenn man diese Neu-Initialisierung noch per Taster hervorrufen kann wie beim Polimaster, kann man das Gerät sehr schnell auf einen neuen Hintergrund wie z.B. die granitbepflasterte Strasse anpassen.
Mit etwas "Intelligenz" könnte es sogar lernen, in welchem Bereich sich die normale Hintergrundstrahlung bewegt, in der es normalerweise mitgeführt wird, oder etwas weniger intelligent, mit einem Mittelwert seit Einschalten, einem gleitenden Mittelwert über x Minuten, und dem "Momentanwert".


Das Optimum wäre natürlich ein Alarm, der auf "Natural Background Reduction" basiert, oder halt auf Spektrometrie. Alarm wird nur ausgelöst, wenn künstliche Nuklide erfasst werden, oder sich das natürliche Verhältnis von NORM signifikant verschiebt. Mit dem RadiaCode ließe sich so ein hochempfindlicher Alarm realisieren, der zudem kaum von Fehlalarmen betroffen wäre, die technischen Voraussetzungen sind ja gegeben.

Beim Radiation Pager besteht halt das Problem der festen Alarmschwelle und der kurzen Integrationszeit von unter 1s, damit das Gerät schnell genug reagieren kann. Um Fehlalarme zu vermeiden, muss man die Alarmschwelle dann entsprechend hoch setzen. Das Prinzip vom Polimaster finde ich schon ganz gelungen eigentlich...

Viele Grüße!

Henri

[Radeye]

Das Optimum wäre natürlich ein Alarm, der auf "Natural Background Reduction" basiert, oder halt auf Spektrometrie. Alarm wird nur ausgelöst, wenn künstliche Nuklide erfasst werden, oder sich das natürliche Verhältnis von NORM signifikant verschiebt. Mit dem RadiaCode ließe sich so ein hochempfindlicher Alarm realisieren, der zudem kaum von Fehlalarmen betroffen wäre, die technischen Voraussetzungen sind ja gegeben

Genau so wird es in diesem Szenario (wechselnder Hintergrund, sicherer Alarm bei gleichzeitig wenig Fehlalarmen) auch gemacht. Umgesetzt durch Thermo im Radeye PRD, PRD-ER oder der Kombination aus FH 40 G/G-L und FHZ 672, welche auch auf den deutschen CBRN-Erkundern verlastet ist.

Eine Umsetzung bei Szintillatorgeräten wäre zwar generell immer möglich, allerdings hat Thermo das Patent auf diese Technologie. Ginge also bei kommerziell vertriebenen Geräten nur über Lizensierung und entsprechende Gebührenzahlungen.

Gruß,
Radeye

[DG0MG]

Was interessiert mich Mathematik und Statistik, eine Lösung muss her! 

Nein, ist natürlich klar, dass das nicht so einfach ist, sonst hätte es schon jemand anders gemacht. Mir geht es auch mehr um praktikable Vorschläge, die das Problem erstmal nur auf kleinem Level angehen, aber trotzdem einen Mehrwert bieten.

Sagen wir, eine Funktion "temporäre Erhöhung der Alarmschwelle". Löst der "kleine" Alarm aus und quittiert ihn der Benutzer, würde die Alarmschwelle auf  z.B. 150% des aktuell eingestellten Wertes erhöht. Und das für einen zu definierenden Zeitraum x (vielleicht auch einstellbar, Größenordnung Minuten). Wird der Alarm erneut ausgelöst und quittiert: Wiederum Erhöhung auf 150% und Rücksetzen des Timers auf x. Kommt kein weiterer Alarm innerhalb der Timeout-Zeit, läuft die Alarmschwelle langsam (oder schlagartig?) wieder bis zum ursprünglich eingestellten Wert herunter.
Oder man kombiniert die Akustik mit Rückfahrwarner-Piepsen wie oben beschrieben.

Ob eine NBR-Funktionalität für uns überhaupt sinnvoll wäre?
Gerade Radium und Thorium sind doch das, was man am ehesten und am meisten detektiert - und das auch WILL. Die F-18 und I-131-Patienten sind ja nicht so häufig und Cs-137 liegt auch nur in Berlin auf der Straße herum.
Wie gut detektiert denn eine NBR-Sonde z.B. einen Radiumtrinkapparat? Ab wann ist das denn dann nicht mehr "ausgeblendeter Hintergrund"?

[Na-22]

...
Ich habe weiterhin einen "Polimaster PM1703M", das ist auch ein Pager, aber mit Display. Vorstellung kommt demnächst mal noch. Er zeigt in µR/h an, aber das ist egal. Den habe ich dauerhaft im Auto liegen. Bei ihm kann man keine zahlenmäßige Alarmschwelle einstellen, sondern man drückt den Knopf "CAL", dann macht er einige Sekunden eine Hintergrundbestimmung und legt dann die Grenze nach einem eigenen Algorithmus fest. Angezeigt werden kann diese Grenze nicht. Bei Überschreitung der Grenze wird aber nicht ein vorgefertigter Alarm ausgelöst (wie z.B. beim RadiaCode-101) sondern das Ding fängt an, in kurzen, lauten Signaltönen zu piepen. Die Tonhöhe bleibt gleich, aber die Abstände der Töne sind abhängig von der Dosisleistung: Es kann also mal ein einzelnes "pip" kommen, oder "pip" .... "pip" .... "pip" oder auch "pip"."pip"."pip".. wenn man näher an der Quelle dran ist. Etwa so, wie der Rückfahr-Piepser (Abstandswarner) beim Auto. Das ist ggü. einer einfachen Alarmauslösung schon ein erheblicher Fortschritt, weil das Signal zusätzliche Informationen enthält. Man braucht den Alarm auch nicht irgendwie zu löschen oder zurückzustellen. Wenn der Strahlungspegel sinkt, weil man sich wieder entfernt, ist sofort wieder Ruhe. Ein wenig habe ich manchmal auch den Eindruck, dass bei gleichbleibendem Strahlungslevel die Signalhäufigkeit abnimmt, sich also die Grenze automatisch nach oben bewegt. Aber das ist nicht immer so.
Bleibt man auf Gebiet mit erhöhtem Hintergrund, drückt man wieder "CAL" und der aktuelle Level wird als Hintergrund genommen - bei natürlich jetzt verringerter Empfindlichkeit. Ist man wieder in "normalem" Gelände, muss man selbst daran denken, mittels "CAL" die empfindlichkeit wieder zu erhöhen.  Auf meinem täglichen Weg zur und von der Arbeit schwankt die Anzeige zwischen 7 und 28 µR/h. 7 µR/h auf der neugebauten Landstraße, 28 µR/h auf der 100jährigen Kopfsteingranitpflasterstrecke am früheren Güterbahnhof. Je nachdem, wo ich nun vorher irgendwann "CAL" gedrückt habe, wird das Überfahren der Granitstrecke mal mit hektischem Piepen oder auch mit eisigem Schweigen quittiert. Das ist also irgendwie auch nicht das Optimum.

Beim Radiation Pager der neueren Version hatten wir die Funktion gefunden, bei Alarmauslösung durch Quittieren dieses auf die nächsthöhere Ansprechschwelle (also unempfindlicher) zu schalten. Aber wie kommt man da wieder runter?

Was gibts denn für Lösungen oder Denkansätze für dieses Problem?

Könnte man die Schwelle für das Alarmansprechen nicht irgendwie gleitend gestalten, also immer möglichst niedrig?
Und nicht nur das absolute Überschreiten der Schwelle auswerten, sondern auch die Geschwindigkeit, in der das passiert: Ein schneller Anstieg sollte eher zu einer Signalisierung führen als ein langsamer? Und natürlich muss es trotzdem Parameter geben, um das Verhalten an die eigenen Anforderungen anzupassen.
Und der Alarm selbst? Kann man nicht von der althergebrachten Vorstellung "Alarm ausgelöst" ==> "geht 10 Sekunden lang oder muss vorher quittiert werden" abgehen? Da ist die Lösung des Polimasters schon ein richtiger Weg.

So richtg fällt mir nichts weiter dazu ein.

Außer, das ich im RadiaCode-101 gerne einen DRITTEN ALARM hätte, der da "Automatic" heisst. 

Hier ein kurzer Ausschnitt aus dem Polimaster PM1401K Handbuch:

The autocalibration function is intended for automatic adjustment of the instrument to
the variable γ-background. The instrument will autocalibrate considering the background values
averaged over 10 minutes and set value of the coefficient n( ), if neither the count rate has changed
during the last 10 minutes nor the threshold has been exceeded in the search mode. The autocalibration
is executed every 10 minutes.

Das Gerät lernt also mit. Bei sehr langsamer Änderung wird kein Alarm ausgelöst.

[DG0MG]

Das ist beim PM1703M definitiv nicht so, aber die Verfahrensweise klingt, als könnte sie mir gefallen

Ist das beim PM1401K auch so, wie oben beschrieben, dass bei Überschreitung der Alarmschwelle so ein "Rückfahrwarner"-Piepser losgeht?

[Na-22]

Das ist beim PM1703M definitiv nicht so, aber die Verfahrensweise klingt, als könnte sie mir gefallen

Ist das beim PM1703K auch so, wie oben beschrieben, dass bei Überschreitung der Alarmschwelle so ein "Rückfahrwarner"-Piepser losgeht?

Ja, beim PM1401K piept es auch immer schneller, wenn die Zählrate nach dem Alarm weiter zunimmt. Man könnte meinen, dass nach dem Alarm einfach die untersetzte Zählrate ausgegeben wird.

[Na-22]

Der Thermo Radeye SPRD passt auch die Warnschwelle dynamisch an. Hier allerdings innerhalb einer Minute. In den technischen Daten zum SPRD findet sich folgendes dazu:

Averaging filters:
ADF (Advanced Digital Filter) for count rate and dose rate. Digital RC-Filter with time constant 1s.....100s, depending on count rate and dose rate changing.
cycle time: 0.5s

Background filter type: digital RC- filter.
Limited to 100 cps: 64s
cycle time: 1s

For determination of sigma thresholds NBR-ratio filter type: RC: 10s
cycle time: 1s

[DG0MG]

Ja, beim PM1401K piept es auch immer schneller, wenn die Zählrate nach dem Alarm weiter zunimmt. Man könnte meinen, dass nach dem Alarm einfach die untersetzte Zählrate ausgegeben wird.

Ja, das ist bestimmt so. Die teilen durch 20, durch 50 - irgendsoetwas.
Das hat ja der ATOM FAST (mit Teiler 1:10) und der RAYSID (mit wählbaren Teilern) auch. Dort ist es aber jeweils an die Tickerfunktion angebunden und hat mit dem Alarm nichts zu tun (denke ich).

Das wär natürlich auch eine sinnvolle, vmtl. einfach umzusetzende Ergänzung:

• Wenn der Alarm 1 losgeht ==> Ticker einschalten    oder
• Wenn der Alarm 1 losgeht ==> Ticker + konfigurierbaren Teiler (:10,:25) einschalten
• Bei Quittierung oder Unterschreitung wieder aus.

[miles_teg]

Der RAYSID hat eine dynamische Alarmfunktion für die Zählrate (nicht für die Dosisleistung). Alex hatte mir das mal erläutert, ich habe die Details aber nicht mehr im Kopf.
Edit: Sobald die Zählrate signifikant (Schwelle) über dem gleitenden Mittelwert liegt, gibt es einen Alarm. Das funktioniert recht gut, auch beim Suchen in Bodennähe. Solange sich das Strahlenfeld sehr langsam erhöht, bekommt man keinen Zählratenalarm, wohl aber einen Dosisalarm, wenn die eingestellte Grenze überschritten wird.
Der RAYSID ist da recht flexibel, d.h. wie schon beschrieben, kann man einstellen ob das Gerät piepst, vibriert oder den Ticker einschaltet. Durch die Benachrichtigung unter Android landet diese dann auch auf meiner Smartwatch.
Für mich bisher das wirklich sinnvollste System. Auf Arbeit muss ich aber die Dosisleistungsschwelle für den ATOM Fast immer per Hand anhaben, ansonsten bekomme ich einfach zu viele Alarme auf dem Telefon und der Uhr. :-D