RikamIno - Radon-Ionisationskammer Break-Out für den Arduino

[silfox]

Momentan ist für meine Versuche festzustellen, dass

a) die Temperaturmessung ("im Gartenhaus" mit starken Temperaturschwankungen) komplett zu trennen ist von
b) der Vergleichsmessung mit einem Radoneye mit erhöhter Radonaktivitätskonzentration (Eimer-Messung) - bevorzugt an einem Ort mit konstanter Temperatur (Innenraum).
c) Auch bei der Temperaturmessung ("Gartenhaus") sollte ein Radoneye parallel betrieben werden, um nur Situationen mit geringer Radonaktivitätskonzentration zu berücksichtigen (was ich für die aktuelle Variante der Temperaturkompensation auch getan habe). 

Momentan fehlt mir noch die Möglichkeit für b)

d) Ferner sollte die Temperaturmessung mit ausreichender Güte durchgeführt werden, was einen gesonderten Sensor (z.B. am RPi-Pico) erfordert. Ich sehe aktuell eine starke Hysterese und führe den Effekt darauf zurück, dass der in den Pico integrierte Temperatursensor verwendet wird (der eigentlich sehr ungenau ist). Da ich den BME280 bevorzuge, würde auch gleich die Luftfeuchte bestimmt werden.

Ich werde zunächst den BME280 in die Rikaminos integrieren und damit die Versuche fortsetzen.

Viele Grüße

[Radioquant98]

ich vermute auch den Einfluß von Feuchtigkeit.

Welchen Einfluss denkst Du denn, dass die Feuchtigkeit hat, und warum? Und welche Feuchte meinst Du, die relative oder die absolute?   
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ich vermute auch den Einfluß von Feuchtigkeit.

Welchen Einfluss denkst Du denn, dass die Feuchtigkeit hat, und warum? Und welche Feuchte meinst Du, die relative oder die absolute?   

Ich weiß es nicht, aber im Eimer könnte sich Dampf bilden. Ob und wie das direkt Auswirkungen auf das Kammerluft hat weiß ich nicht. Abgesehen vom Isolationswiderstand könnte auch die Kammerkapazität und deren Verlustfaktor steigen.

Viele Grüße
Bernd

[Radioquant98]

Komisch, oben ist mein Text nicht zu sehen


Ich weiß es nicht, aber im Eimer könnte sich Dampf bilden. Ob und wie das direkt Auswirkungen auf das Kammerluft hat weiß ich nicht. Abgesehen vom Isolationswiderstand könnte auch die Kammerkapazität und deren Verlustfaktor steigen.

Viele Grüße
Bernd

[opengeiger.de]

Ich weiß es nicht, aber im Eimer könnte sich Dampf bilden. Ob und wie das direkt Auswirkungen auf das Kammerluft hat weiß ich nicht. Abgesehen vom Isolationswiderstand könnte auch die Kammerkapazität und deren Verlustfaktor steigen.

Nun kommen wir zu einem ganz, ganz schwierigen Thema: die Luftfeuchte. Also erstmal müssen wir meiner Meinung nach unterscheiden zwischen rein gasförmigem Wasser in der Luft und feuchtem Wasserdampf. Die Luftfeuchte bezieht sich meinem Verständnis nach nur auf den Gehalt an rein gasförmigem Wasser in der Luft. Luft höherer Feuchte (höherer Gehalt an rein gasförmigem Wasser), die nicht speziell ionisiert wird, müsste meinem Verständnis nach sogar eine reduzierte (!) Leitfähigkeit aufweisen, da sich freie Elektronen an die Wassermoleküle anlagern und so die Bewegung behindert wird. Aber das gilt nur für das rein gasförmige Wasser. Dass rein gasförmiges Wasser die Elektronik beeinflusst, so wie die Temperatur das tut, davon weiß ich bisher nichts, es sei denn man baut einen Feuchtesensor, wo die gasförmigen Wassermoleküle gezielt dazu gebracht werden einen Ladungsfluss zu beeinflussen. Das würde bedeuten, dass man, was den Detektor anbelangt, normalerweise keinen Einfluss der Luftfeuchte fürchten muss.

Anders sieht das aus, wenn rein gasförmiges Wasser kondensiert. Abhängig von der Temperatur und dem Druck, nämlich bei hoher relativer Luftfeuchte, kann das rein gasförmige Wasser in der Luft kondensieren. Das heißt nur dann wird es flüssig und kleinste Tröpfchen lagern sich an feste Aerosolpartikel (Feinstaub und Ultrafeinstaub) an. Diese Aerosolpartikel im Nanometerbereich enthalten oft auch Salze und sind entsprechend hygroskopisch. So entsteht dann Nebel bzw. nasser Wasserdampf. Diese, um das flüssige Wasser angewachsene Partikelchen (feuchtes Aerosol) sind dann wegen des Salzgehalts auch elektrisch leitfähig und können sich auf Oberflächen niederschlagen und bilden dort einen leitfähigen Wasserfilm. Das ist dann tatsächlich der Killer für empfindliche Elektronik. Aber bei einer ,,normalen" relativen Luftfeuchte (50-60%) ist das nicht zu befürchten.

Jetzt müssen wir aber mal weg vom Detektor gehen und schauen, was in der Luft passiert, wenn man sie mit Radongas mischt und sich die Luftfeuchte ändert. Ändert nun der Gehalt an rein gasförmigem Wasser die Ionisierbarkeit von Luft? Ich denke schon. Denn jetzt hat es Wassermoleküle in der Luft, denen man auch die Elektronen wegnehmen kann. Vermutlich lagern sich auch Zerfallsprodukte des Radon an die gasförmigen Wassermoleküle an, dadurch ändert sich bestimmt auch der Gleichgewichtsfaktor F und die Ionenbeweglichkeit in der Luft. Damit würde sich auch der Ionisationsstrom im Detektor ändern. Dennoch, wir würden damit ziemlich genau das messen, was wir eigentlich messen wollen, nämlich die Folgen der Ionisation in der Luft durch die ionisierende Strahlung. Das bestimmt den Ionisationsstrom, den wir sehen. Nur sieht es der Gesetzgeber anders. Er hat einen Grenzwert für das Radon allein festgelegt, nicht für Radon zusammen mit seinen Zerfallsprodukten, also für die gesamte potenzielle Alphaenergie. Das ist das Dumme. Deswegen beißt man sich nun mit der einfachen Ionisationskammer als Detektor die Zähne aus beim Zurückrechnen aufs Radon allein. Das Zurückrechnen auf die Radon-Aktivitätskonzentration des Rn222 müsste eigentlich auch der RadonEye machen. Das gleiche Problem hat auch mein Sirad, der die Zerfallsprodukte auf dem elektrostatisch geladenen Detektor abscheidet. Er geht dabei einfach von F=0.5 aus. Die einzigen Detektoren, mit denen man näher an die Wahrheit kommt, sind die, die eine Alphaspektrometrie machen und so das Rn222 mehr oder weniger gut von seinen Zerfallsprodukten unterscheiden können. Ich glaube der DoseMan von Sarad, der sollte genau das können. Kost halt nur bissle was. 

(Ich hoffe ich hab es richtig verstanden, also alles ohne Gewehr  ).

[Flipflop]

Leider kann ich nicht mitbauen, 
Interessantes Projekt. 
Auf Wikipedia unter Radon/Literatur findet man etwas von Henning von Philipsborn: Radon und Radonmessung. Teil I. und II.

[opengeiger.de]

Ich hatte ja versprochen, ich schau nach einer geeigneten Radon-Exhalations-Referenz. Flossenbürger-Granit wäre sicher ein Kandidat, aber da das Erzeugen von Steinmehl aus Granit mit kontrollierter Korngröße etwas schwierig ist, denke ich ist das Superphosphat 18% von ICL Fertilizers (https://www.raiffeisen-duengershop.de/produkt/einzelnaehrstoffe/p-duenger/superphosphat-18/) sicher die bessere Wahl. Im Rahmen der RikamIno Messungen habe ich nun verschiedene Mengen getestet, in einer 73x110mm Konservenbüchse im 10 Liter Eimer.  Mein Vorschlag sind nun 250g. Damit schafft man die 1000Bq/m^3 in 1.5 Tagen. Die Exhalationsrate (Steigung der Pile-Up Kurve im Nullpunkt) betrug für die 250g Superphosphat in meinem Eimer 955Bq/m^3 pro Tag. Ich habe auch 100g gleich im Anschluss getestet, da denke ich, das ist ein bisschen zu wenig, damit komme ich nur auf 436Bq/(m^3 * Tag) und die Kurve sättigt unter 500Bq/m^3. Ich denke, bei den 100g geht auch viel durch Plate-Out an der Wand des Plastikeimers verloren. Von daher schlage ich eher die 250g Superphosphat vor. Allerding müsste man, wenn man es genau nimmt, auch noch den Eimer spezifizieren. Mein Eimer (mit Deckel) stammt von einem Streusalz (Quick-Tau Auftausalz, 10kg).

[Radioquant98]

Sagt mal, ist das Ausströmen von Radon eventuell selbst von der Temperatur abhängig ?

Viele Grüße
Bernd

[grovea]

Hallo in die Runde,
einige Zeit lese ich schon mit. Das System nachzubauen, habe ich mich bisher noch nicht entschlossen. Somit kann ich dazu keinen direkten Beitrag leisten. Aber basierend auf meine Erfahrungen mit Radon-Impuls-Ionisationskammern hier einige Anmerkungen:
1. Bei einer relativen Luftfeuchte über 80% versagt die Ladungsträgersammlung. Dies trifft mutmaßlich auch für die beschriebenen (integrierenden) Systeme zu. Hier ist eine Vortrocknung notwendig. Im einfachen Fall mittels Silikagel, oder komfortabler mit Peltierelementen.
2. Der Luftdruck ändert natürlich nicht die Geschwindigkeit der Zerfallskette. Oft emaniert das Radon aber aus porösen Materialien. Ein Luftruckabfall kann u.U. dazu führen, daß mehr Radon aus dem festen Material entweicht und natürlich auch in der Umkehr.
3. Gemessen wird nicht nur die Alphastrahlung des Rn222 (Thoron lasse ich jetzt mal außen vor), sondern auch die Folgezerfallsprodukte Po218 und Po214, welche auch Alphastrahler sind. Das Ergebnis ist somit eine Summensignal. Da man die Effizienz der Meßkammer für die einzelnen Alphastrahler nicht kennt, ist ein Rückschluß auf die tatsächliche Radonkonzentration problematisch.
Gruß grovea
   

[opengeiger.de]

Sagt mal, ist das Ausströmen von Radon eventuell selbst von der Temperatur abhängig ?

Ich weiß jetzt nicht wie die Frage gemeint war, weil wir es ja davon hatten wie genau die Messung ist. Ich denke man muss die Freisetzung des Radon aus der Gesteinsmatrix (Emanation) die Diffusion durch den Porenraum des Bodens und das Entweichen aus dem Boden (Exhalation) unterscheiden, von dem was dann danach in der freien Atmosphäre geschieht. Meinem Gefühl nach ist das schrecklich komplex und es gibt fast keinen physikalischen Parameter auf der Erde, von dem das Geschehen nicht abhängig wäre. Was ich bisher verstanden habe ist, dass das Radon, solange es sich noch im Porenraum des Bodens befindet, sich entweder im Wasser des Bodens lösen oder gasförmig entweichen kann. Die Löslichkeit von Radon im Wasser ist relativ hoch, deswegen findet man in den Oberflächengewässen über uranhaltigem Gestein auch relativ viel Radon in den Fließgewässern (das wird auch zur Prospektion genutzt). Da aber die Löslichkeit auch wieder kräftig von der Temperatur abhängt und Wasser auch temperaturabhängig verdunstet kann, laufen diese Prozesse parallel und je nach Temperatur verlagert sich das mehrheitlich vom einen auf den anderen Prozess. Und das im Wasser gelöste Radon kann man natürlich in der Luft nicht mehr messen.

Wenn sich das Radon dann aber in der freien Atmosphäre befindet, dann gehts mehr um das Gleichgewicht des Radon mit seinen Zerfallsprodukten. Da spielt dann mehr die relative Feuchte eine Rolle, weniger die Temperatur. Aber wie gesagt, das ist ja auch oft das, was man messen möchte, das ist dann kein Detektorproblem. Und genau ist man da wohl nur, wenn man mit Alphaspektroskopie die einzelnen Beiträger zur gesamten Alphaenergie unterscheiden kann. Und ich vermute stark, dass es daran liegt, dass man sich beim Detriment des geogenen Radon nicht recht einigen kann, dass wir immer noch die Rn222 Aktivitätskonzentration messen müssen und die Grenzwerte daran festgemacht werden und nicht die Sieverts aus dem Radon und seinen Zerfallsprodukten wie bei den anderen Radionukliden. Aber beim Geschehen in der freien Atmosphäre spielt die Temperatur wohl eine eher untergeortnete Rolle. Das zeigt auch diese Grafik:

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aus Kamsali et al., Atmospheric electrical conductivity measurements and modeling for application to air pollution studies, https://downloads.psl.noaa.gov/BLO/Air-Sea/ASAP/AOA_2015/papers/kamsali_radonConductivity_1-s2.0-S0273117709003743-main.pdf

Man sieht hier deutlich, wie die messbaren Zerfallsprodukte gegen über dem Radon abnehmen, wenn die Feuchte über 50% geht. Wenn die Temperatur dagegen mal über 30° geht, das wirkt sich so gut wie nicht aus. Aber klar, wenn die rel. Feuchte dann noch höher auf über 80% geht, dann beginnt die Kondensation, da bekommt so eine Ionisationskammer natürlich schon Probleme beim Messen, weil mit flüssigem Wasser in der Luft die gute Isolation der Luft einfach schlagartig aufhört. Und dann bekommt man einen gewaltigen Leckstrom durch den flüssigen Wasseranteil, der ja auch die Salze im Feinstaub löst. Aber dieses Problem hatte ich jetzt mit dem Eimer draußen bisher noch nicht. Zur Zeit ist in unseren Breitengraden die Lufttfeuchte noch weit von 80% weg, wenn es nicht grade mal wieder dauerregnet. Was dagegen in Innenräumen bei normaler Feuchte wieder eine Temperaturabhängigkeit erzeugen könnte, ist der Plate-out und der Recoil, also die Anlagerung und das Wiederablösen von z.B. Kunstoffoberflächen an Möbeln usw. durch die Rückstoßenergie der Zerfallsprodukte im weiteren Verlauf des Zerfalls. Dieser Mechanismus ist auch wieder höllisch kompliziert.

Was ich aber an der obigen Veröffentlichung ganz spannend finde, ist die Aussage, dass die Leitfähigkeit der Luft in der Atmosphäre eigentlich fast vollständig durch die elektrisch geladenen Radonzerfallsprodukte zustandekommt (also Rn222 und Rn220). In anderen Worten, gäbs kein Radon, wär die Luft ein perfekter Isolator . Oder noch anders formuliert, man muss eigentlich nur die Leitfähigkeit der Luft richtig messen können, dann kennt man die Konzentration der Zerfallsprodukte. Aber das ist ja im Prinzip das, was der RikamIno macht. 

Wo die Temperatur aber auf ganz triviale Weise Ärger macht, ist im Detektor selbst, und das führt dann zu echten Fehlmessungen. Der Leckstrom im JFET, der ist sehr stark temperaturabhängig (das kann man auch an jeder Diode sehen). Deswegen nimmt man oft auch pn-Übergänge als Temperatursensor, zumindest auf großen ICs zur Überwachung der Sperrschichttemperatur. Aber das hat dann wieder nix mit dem Radon zu tun. Man bekommt also schon gelegetlich einen Knoten ins Hirn, wenn man so ein Radonmessgerät bauen will und nicht recht versteht, wie die Messkurve zustande kommt. Man sieht das aber auch an den vielen Veröffentlichungen, die es dazu gibt und aus der Tatsache, dass diese Forschung noch lange nicht am Ende ist.

[Flipflop]

Wie Deutschland weisst auch die Schweiz neben der Strahlung die Niederschlagsmenge aus, vermutlich Schwierig die Radonmenge während einem Gewitter zu bestimmen. Da geht es einfacher über die Radontöchter.

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https://www.naz.ch/aktuell/zeitverlauf#THU

[opengeiger.de]

Ihr erinnert Euch doch noch an den Versuch mit dem im Garten eingegrabenen ,,Anreicherungs-Eimer" in Anlehnung an die ,,Anreicherungs-Box" der Wismut (https://www.fs-ev.org/fileadmin/user_upload/04_Arbeitsgruppen/07_Natuerliche_Radioaktivitaet/02_Dokumente/Stellungnahmen_Veroeffentlichungen/Radon/H_6_Messung_der_Radonexhalation_diskutierteEndfassung_140912.pdf), den ich hier gepostet hatte (https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php?msg=30620). Dieses Experiment habe ich nun nach etwa 10 Tagen beendet und ausgewertet. Es kam auch so raus wie erwartet, zunächst einmal sieht man im RikamIno-Signal eine deutliche Bewegung, die Tag für Tag auftritt und der Temperatur sehr stark ähnelt.

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Plottet man nun dann das RikamIno Signal als Korrelationsplot über der Temperatur, dann sieht man die Korrelation auch ganz eindeutig.

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Hundertprozent ist die Korrelation aber auch nicht. Dennoch kann man nun versuchen den Temperatureinfluss zu kompensieren, in dem man RikamInoTempKorr = RikamIno – k*Temperatur setzt und k so optimiert, bis der Temperaturgang im Mittel am geringsten ist. Dieses Minimum findet man für k=0.28. Danach ist der Temperaturgang im Signal stark unterdrückt aber nicht ganz Null. Aber man sieht nun ganz deutlich, dass jetzt der Mittelwert des Signals bei etwa Null Zyklen/h rauskommt und das korrigierte Signal im Mittel bei Null flach verläuft.

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Das reicht aber, um jetzt sagen zu können, da exhaliert kein Radon aus dem Oberboden, was eine Pile-Up Kurve darstellen würde. Für mich bedeutet das, die Ecke wo ich wohne, hat einen unkritischen Oberboden und ich muss mir weiterhin mit etwas Superphosphat helfen, wenn ich auch draußen einen Pile-Up im RikamIno Signal sehen will. Was man aber auch sieht, ohne Temperaturkompensation sind Messungen mit dem RikamIno im Außenbereich nicht sonderlich sinnvoll.

PS: was ich noch zu der Messung mit der Anreicherungsbox erwähnen sollte: Es hatte auch ab und zu mal geregnet und mir kommt es so vor, wie wenn im Fall dass der Regen die Radonzerfallsprodukte aus der Luft runterwäscht (und vielleicht auch Radon in Lösung geht) und der Boden von diesem Wasser feucht wird, sich dann kurzfristig auch ein Signal zeigt (der berühmte Regenpeak, den man auch mit der Gamma-ODL Sonde sieht). Ganz am Ende der Messung könnte dieser Effekt deutlich sichtbar sein.

[DL8BCN]

Leider stelle ich gerade fest, das mein Eigenbau des "RikamIno" nicht so erfolgreich ist, wie gedacht.
Die Zyklenzeiten und damit die errechneten Bequerelwerte schwanken stark.
Es geht sogar teilweise in den Minusbereich.
Bei ca. 55 Bq/m³ was mein RadonEye mir zeigt, steht  der Selbstbau 10cm daneben.
Dann habe ich folge Messreihe:

Datum;Sekunden ab Start;Dauer 1 Zyklus;Zyklen pro Stunde;Bequerel pro m³
2024-06-17 16:05:40;673;669,51;5,38;61,44;
2024-06-17 16:16:47;1340;663,26;5,43;66,00;
2024-06-17 16:27:34;1986;643,48;5,59;81,01;
2024-06-17 16:38:56;2668;678,88;5,30;54,76;
2024-06-17 16:59:14;3886;1214,07;2,97;-155,63;
2024-06-17 17:10:32;4563;673,67;5,34;58,45;
2024-06-17 17:22:14;5264;698,66;5,15;41,24;
2024-06-17 17:35:10;6040;772,59;4,66;-3,13;
2024-06-17 17:47:58;6808;764,26;4,71;1,44;
2024-06-17 18:00:20;7549;738,23;4,88;16,39;
2024-06-17 18:12:41;8289;737,19;4,88;17,01;
2024-06-17 18:24:24;8992;699,70;5,15;40,55;
2024-06-17 18:36:04;9692;696,58;5,17;42,63;
2024-06-17 18:49:05;10472;776,75;4,63;-5,38;
2024-06-17 19:01:40;11227;751,77;4,79;8,49;
2024-06-17 19:13:59;11965;735,10;4,90;18,25;
2024-06-17 19:26:01;12687;718,45;5,01;28,47;

Das kann man leider komplett vergessen
Keine Ahnung, was da schief gegangen ist.
Das hat ja gar nichts mehr mit irgendwelchen Kalibrierfaktoren zu tun, sondern ist ja nur der Zyklenrate geschuldet.

[Radioquant98]

Hallo Opengeiger,

"Sagt mal, ist das Ausströmen von Radon eventuell selbst von der Temperatur abhängig ?"

Ich meinte damit, daß die Schwankungen in Wirklichkeit da sind und nicht nur die Temperaturabhängigkeit des FET ist.

Viele Grüße
Bernd

[opengeiger.de]

Ich habe nun nochmal eine weitere Messung im Außenbereich gemacht, allerdings habe ich wieder einen ,,virtuell" kontaminierten Boden mit Superphosphat erzeugt, dieses Mal mit 250g, als Anreicherungsgefäß habe ich wieder den 10Liter Eimer verwendet. Interessant an den Wetterbedingungen war, dass während dieser Messperiode einmal kräftiger Wind aufkam und das sieht man sehr deutlich sowohl mit dem RadonEye wie auch mit dem RikamIno nachdem dieser temperaturkompensiert war (siehe Tag 5). Ich vermute mal stark, dass durch die Luftströmung über dem Deckel der Druck absinkt und weil der Eimer nicht ganz dicht ist, saugt das das Radon aus dem Eimer wie eine Wasserstrahlpumpe. Das ist ein schöner Beweis, dass das Ganze funktioniert.

Für die Temperaturkompensation habe ich dieses Mal allerdings ein anderes Optimierungskonzept benutzt, das mir besser geeignet erscheint und nun auch recht zufriedenstellende Resultate liefert. Ich habe zwar wieder einen zur Temperatur proportionalen Kompensationswert abgezogen, aber die Proportionalitätskonstante k für die Kompensation habe ich dadurch gewonnen, dass ich das k solange verdreht habe (mit dem Solver in Excel), bis 1-R^2  minimal war. R^2 ist das Quadrat des Korrelations-Koeffizienten und heißt in MS Excel ,,Bestimmtheitsmass".

Die Rohdaten des RikamIno zeigten dieses Mal enorme Temperaturpeaks, weil die Temperatur im Eimer auf über 35°C hochging, als die Sonne draufscheinte. Diese Peaks lassen sich nun mit dieser Art der Temperatur-Kompensation dann ganz gut unterdrücken. Der RadonEye zeigt eine solche Temperaturabhängigkeit nicht, das ist sehr erfreulich. Die Kalibration des RikamIno auf den Radon Eye habe ich dann wie bisher gemacht, d.h. ich habe einen Korrelationsplot erzeugt und zwar zwischen den Bq/m^3, die der RadonEye anzeigt und den Zyklen/h, die der RikamIno liefert. In die langgestreckte Korrelationswolke lässt sich sehr gut eine Regressionsgerade einpassen, welche dann die Kalibrierkoeffizienten liefert. Anbei die Grafiken zu der MS Excel Rechnung.

Damit schließe ich nun die Außenmessungen ab, ich denke damit kann man jetzt ganz gut arbeiten, wenn auch die Genauigkeit der Ergebnisse nicht ganz so gut ist wie in Innenräumen. Allerdings würde ich dennoch versuchen, ein Anreicherungsgefäß immer in den Schatten zustellen. Wenn das nicht geht, dann sollte man auf jeden Fall ein Gefäß mit weißer Oberfläche nutzen oder es sogar mit einer reflektierenden Folie abdecken, damit sich die Luft im Innern nicht so sehr aufheizt. Dann muss man auch nicht so wild kompensieren. 

Hier die Rohdaten:
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Und hier nach der Temperaturkompensation und der Kalibration auf den RadonEye:
Sie dürfen in diesem Board keine Dateianhänge sehen.

[Radioquant98]

Hallo opengeiger,

womit und wo mißt Du die Temperatur?

Viele Grüße
Bernd