Sensore per monitor congelatore ultralow (fino a -85 ° C)

Sto progettando di costruire una serie di unità di controllo della temperatura controllate da Arduino per una stanza piena di congelatori "Ultracold" -80 ° C. (Alla fine voglio convertire il segnale in un flusso seriale che si interfaccia con il mio sistema esistente.)

Finora ho trovato solo sensori a un filo e altri che sono classificati solo a -55 ° C. Nella mia applicazione trascorrevano la maggior parte del loro tempo intorno a -80 ° C. Ho solo bisogno di una precisione da 0,5 a 1 grado a quelle temperature.

Qualcuno conosce una fonte per un sensore a bassa temperatura che sarebbe compatibile con Arduino, affidabile e in grado di essere collocato alla fine di un filo (da passare nel congelatore attraverso una piccola porta)?

Piccolo aggiornamento di seguito.

La tensione ( ) di un diodo a una piccola corrente costante viene spesso utilizzata per misurare basse temperature (criogeniche). I diodi al silicio hanno un che è quasi una funzione lineare della temperatura in un ampio intervallo, con una pendenza di circa -2 mV / K. Esistono persino diodi appositamente costruiti standardizzati per specifiche curve vs. T. Se sei disposto a fare tu stesso una calibrazione a due o tre punti, puoi usare un normale diodo di segnale. Anche un 1N4148 può misurare accuratamente le temperature dell'azoto liquido se lo si calibra.V f V $V_f$$V_f$$V_f$

Puoi migliorare la precisione:

• utilizzando un'alimentazione di corrente costante stabile
• utilizzando coppie separate di fili per fornire corrente e misurare la tensione
• utilizzando cavi schermati a doppini intrecciati
• applicare una scala appropriata e compensare la tensione misurata prima di inviarla all'ADC

Una termocoppia di tipo T funziona bene fino a ~ -200C. Per rendere la vita un po 'più semplice, la termocoppia può essere interfacciata con un chip AD595 o simile che fornisce una compensazione del giunto freddo e amplifica l'uscita di tensione. Tuttavia, è necessario prestare attenzione con una termocoppia di tipo T poiché questi dispositivi sono realizzati principalmente per il tipo K. La scheda tecnica elenca alcune considerazioni speciali da utilizzare con il tipo T. L'output dell'AD595 potrebbe quindi essere letto con l'AD del proprio arduino e ridimensionato in modo appropriato.

Usiamo molti diodi Schottky SR106 per misurare la temperatura dell'elio liquido (4K-20K) dove lavoro. Sono fantastici ed economici da morire.

Hai bisogno di una fonte di corrente costante (usiamo 10 o 100 uA, principalmente per ridurre il riscaldamento e il boiloff) e davvero, dovresti davvero usare connessioni a 4 fili , ma tutto ciò di cui hai veramente bisogno per l'elettronica sono il diodo e l'amplificatore operazionale per la sorgente attuale, un amplificatore di strumentazione per la lettura della tensione e una manciata di elementi passivi.

Il punto difficile è la calibrazione, ma supponendo che tu abbia un misuratore di temperatura che funziona a quella temperatura, puoi semplicemente usarlo come standard di trasferimento.

In realtà abbiamo alcuni dei fantasiosi, costosi diodi crio-specifici come @ user16653 menzionati nei commenti alla risposta di @ Theran, e non sono davvero distinguibili dai sensori economici fatti in casa che sono solo un SR106 epossidato in un piccolo blocco di rame , per semplificare il collegamento termico del dispositivo in prova.
Il vantaggio principale dei sensori commerciali di diodi criodici è che sono calibrati, ma se ne hai uno calibrato, puoi semplicemente usarlo come standard di trasferimento per calibrare abbastanza facilmente tutti gli altri sensori fatti in casa e, a quel punto, funzionano tutti lo stesso.

Questo circuito è una sorgente di corrente di precisione per pilotare un diodo in un sistema criogenico.

Fondamentalmente, c'è un riferimento di precisione -10V (non mostrato. Notare che il riferimento è negativo ) che arriva sulla destra. È diviso in VR1 e bufferizzato attraverso U1B.

Ora, U1A si impegnerà a mantenere la tensione ai suoi ingressi uguali, dal momento che l'uscita è collegata nuovamente all'ingresso negativo (attraverso il diodo).
Ciò significa che la tensione sul pin 2 di U1 verrà mantenuta molto, molto vicino a 0 V. Tuttavia, nessuna * corrente può fluire dentro o fuori dall'ingresso dell'amplificatore operazionale (sono ad alta impedenza) e nessuna corrente può fluire attraverso C1, quindi sostanzialmente l'unico percorso per la corrente a fluire nel nodo sommatore negativo dell'op-amp U1A è attraverso il diodo.

Pertanto, la corrente che fluisce attraverso R6 è uguale ** alla corrente che fluisce attraverso il diodo. Poiché conosciamo la tensione sul pin (funzionalmente è 0 V), possiamo facilmente calcolare la corrente del diodo, poiché conosciamo la tensione su TPC e la resistenza di R6.

C1 riduce la larghezza di banda del loop, per mantenere stabile il circuito. Potresti ridurre sperimentalmente il suo valore fino a quando il circuito oscilla, se hai bisogno di molta larghezza di banda, ma ciò sembra improbabile per un'applicazione termica.

R10 è proprio lì per proteggere l'amplificatore operazionale in caso di qualcosa di stupido, come se i cavi di uscita venissero messi in corto circuito.

Si noti che è necessario un riferimento di tensione negativa abbastanza decente, poiché la deriva nel riferimento di tensione negativa provocherà direttamente una deriva nella corrente di polarizzazione, causando misurazioni errate.

Dovresti anche usare un resistore tempco decentemente basso per R6 (almeno una pellicola metallica).

Nelle applicazioni del mondo reale, ho semplicemente bloccato un amperometro di precisione al posto di D1, e messo a punto il piatto per ottenere la corrente che volevo, piuttosto che preoccuparmi di calcolarlo fuori dalla matematica, ma entrambi gli approcci avrebbero funzionato.

Dovresti anche usare un amplificatore operazionale decente, con offset basso e corrente di polarizzazione bassa. I dispositivi analogici fanno molte belle parti.

* tecnicamente, una corrente estremamente piccola fluisce dentro o fuori dagli ingressi di tutti gli op-amp del mondo reale. Se stai usando un moderno amplificatore operazionale a corrente di polarizzazione bassa, è abbastanza piccolo da ignorarlo qui.

** vedere la nota sopra sulle correnti di polarizzazione dell'ingresso dell'amplificatore operazionale.

Il modo convenzionale per misurare temperature molto basse o molto alte è usare le termocoppie. Questi possono essere eseguiti in remoto a una distanza ragionevole dalla posizione in cui si trova l'interfaccia della termocoppia.

Dovresti provvedere ai circuiti di condizionamento necessari per convertire la tensione sui fili in un formato che può essere adattato da Arduino. Un modo per provare questo approccio è utilizzare la scheda breakout per termocoppia di Adafruit. Questa piccola scheda potrebbe connettersi ad Arduio tramite una connessione SPI al chip di controllo integrato. Per supportare molte di queste schede è possibile selezionare la scheda con cui parlare sulla SPI utilizzando alcuni registri a scorrimento esterni per supportare la selezione di un numero maggiore.

Un'opzione che potresti prendere in considerazione, se l'uso di diodi sensibili alla temperatura o la giunzione Vbe di un transistor NPN a basso costo ti sembra attraente, è quello di guardare un chip come ADT7476 di On Semiconductor . Questo dispositivo consente il collegamento di due sensori a diodi remoti e converte il valore della temperatura in valori digitali nei registri interni. L'intervallo di lettura del registro dalla scheda tecnica sembra che se potesse estendersi fino all'intervallo di interesse per te, a condizione che il pacchetto IC non sia così freddo.

La parte presenta una comoda interfaccia I2C sul lato bus.

Queste parti hanno un prezzo abbastanza ragionevole e possono essere acquistate da Mouser Electronics .

Se hai deciso di provare questo approccio, ti consiglio di mettere i diodi remoti nel congelatore e di collegarli con una coppia intrecciata a 2 fili attraverso un cavo schermato con pellicola GND. I cavi si ricollegherebbero a un pezzo di elettronica per ambienti caldi che dovresti costruire che includesse qualsiasi numero degli ADT7476 di cui avevi bisogno e le connessioni a cui Arduino si legasse.

AGGIORNAMENTO : Abbiamo funzionato con questa termocoppia di tipo K , sebbene non sia la gamma ottimale. Abbiamo provato un tipo J, che dovrebbe funzionare meglio a quelle temperature, ma non è stato possibile ottenere la corretta calibrazione della scheda dell'amplificatore . Ancora un progetto rovente. Potremmo anche voler trovare un tipo T associato come raccomandato da @Mark.

Ho provato a invasare la termocoppia con Sugru e ad incorporare un magnete per fissarlo nel frigorifero. Questo ha funzionato abbastanza bene e ha dato un po 'di inerzia termica al sensore.

Durante i nostri test a lungo termine, la termocoppia intrecciata ha subito danni da umidità e la manica si è consumata. Inoltre, sembra aver creato delle perdite e della condensa per superare la guarnizione della porta, quindi dovremo trovare una porta passante.