Датчик монітора морозильної камери ультранизький (до -85 ° C)

Я планую побудувати серію одиниць з контрольованою температурою Arduino для приміщення, повного морозильних камер «Ultracold» -80 ° C. (Я в кінцевому рахунку хочу перетворити сигнал в послідовний потік, який буде взаємодіяти з моєю існуючою системою.)

Поки що я знайшов лише однопровідні та інші датчики, які оцінюються лише до -55C. У моєму застосуванні вони витратили б більшу частину свого часу близько -80 ° C. Мені потрібно лише від 0,5 до 1 градуса точності при цих температурах.

Хтось знає джерело низькотемпературного датчика, який був би сумісний з ардуїно, надійним і міг би бути розміщений в кінці дроту (передаватися у морозилку через невеликий порт)?

Невелике оновлення нижче.

напруга ( ) діода при малому постійному струмі часто використовується для вимірювання низьких (кріогенних) температур. Кремнієві діоди мають що є майже лінійною функцією температури в широкому діапазоні, з нахилом приблизно -2 мВ / К. Існують навіть спеціально вбудовані діоди, стандартизовані на конкретні та T. Якщо ви готові самостійно здійснити дво- або триточкову калібрування, тоді ви можете використовувати звичайний сигнальний діод. Навіть 1N4148 може точно виміряти температуру рідкого азоту, якщо його відкалібрувати.$V_f$$V_f$$V_f$

Ви можете підвищити точність:

• з використанням стабільного постійного живлення струму
• використовуючи окремі пари проводів для подачі струму і вимірювання напруги
• використовуючи екрановані кабелі з крученою парою
• застосовуючи відповідну шкалу та зсув до вимірюваної напруги перед подачею її на АЦП

Термопара типу T працює добре до ~ -200С. Щоб полегшити життя, термопару можна поєднати з мікросхемою AD595 або подібною мікросхемою, яка забезпечує компенсацію холодного переходу і підсилює вихідну напругу. Однак слід бути обережним з термопарою типу T, оскільки ці пристрої в основному зроблені для типу K. В описі даних наведено деякі особливі міркування щодо використання типу T. Вихід з AD595 може бути прочитаний разом з AD вашого arduino і масштабується відповідним чином.

Ми використовуємо безліч звичайних діодів Шотткі SR106 для вимірювання температури гелію рідкого (4K-20K), де я працюю. Вони чудові, і дешеві, як пекло.

Вам потрібне постійне джерело струму (ми використовуємо 10 або 100 мкА, в основному для зменшення нагріву і кипіння), і ви дійсно, дійсно повинні використовувати 4-провідні з'єднання , але все, що вам дуже потрібно для електроніки - це діод і оп-підсилювач для джерела струму, підсилювальний прилад для зчитування напруги назад та жменьку пасивів.

Хитрий біт - це калібрування, але якщо припустити, що у вас є вимірювач температури, який працює при цій температурі, ви можете просто використовувати це як стандарт передачі.

Насправді у нас є декілька фанчіпантів, дорогих кріоспецифічних діодів, таких як @ user16653, згаданих у коментарях до відповіді @ Theran, і вони насправді не відрізняються від дешевих, саморобних датчиків, які є просто SR106 епоксидованим у маленький мідний блок , щоб полегшити термічну прив’язку до тестуваного пристрою.
Основна перевага комерційних датчиків кріо-діода полягає в тому, що вони відкалібровані, але якщо у вас є калібрований, ви можете просто використовувати його як стандарт передачі для калібрування всіх інших саморобних датчиків досить легко, і в цей момент усі вони працюють так само.

Ця схема є точним джерелом струму для керування діодом в кріогенній системі.

В основному, є посилання на точність -10 В (не показано. Зауважте, що посилання є від'ємним ), що надходить праворуч. Він розділений на VR1 та завантажений через U1B.

Тепер U1A буде прагнути підтримувати напругу на входах рівними, оскільки у нас вихід підключений до негативного входу (через діод).
Це означає, що напруга на штирі 2 U1 буде підтримуватися дуже, дуже близько до 0V. Однак жоден * струм не може надходити або виходити з вхідного підсилювача (вони високого опору), і жоден струм не може протікати через С1, тому в основному єдиний шлях струму впадає в негативний підсумовуючий вузол оп-підсилювача U1A - через діод.

Тому струм, що протікає через R6, дорівнює ** струму, що проходить через діод. Оскільки ми знаємо напругу на штифті (функціонально це 0В), ми можемо легко обчислити діодний струм, оскільки ми знаємо напругу на TPC та опір R6.

C1 зменшує пропускну здатність петлі, щоб підтримувати ланцюг стабільним. Ви можете експериментально зменшити його значення до тих пір, коли ланцюг коливатиметься, якщо вам потрібно багато пропускної здатності, але це виглядає малоймовірним для теплового застосування.

R10 якраз є для того, щоб захистити підсилювач у випадку чогось дурного, як-от коротких вихідних кабелів.

Зауважте, що вам потрібна досить пристосована негативна напруга, оскільки дрейф у вашій відмінці негативної напруги безпосередньо призведе до дрейфу вашого струму зміщення, викликаючи неправильні вимірювання.

Також слід використовувати пристойно низький резистор tempco для R6 (металева плівка як мінімум).

У реальному застосуванні я просто поклав на D1 точний амперметр і налаштував горщик, щоб отримати потрібний струм, а потім не намагався обчислити його з математики, але будь-який підхід спрацює.

Ви також повинні використовувати пристойний низький зміщення та низький зміщення струму змінного струму. Аналогові пристрої створюють безліч приємних деталей.

* технічно надзвичайно малий струм надходить на входи або на входи всіх реальних АМП. Якщо ви використовуєте сучасний оптичний підсилювач з низьким ухилом струму, це досить мало, що ми тут його ігноруємо.

** див. вище примітку про вхідні струми зміщення оп-підсилювачів.

Умовний спосіб вимірювання дуже низьких або дуже високих температур - використання термопар. Їх можна пропустити на відстані розумної відстані від місця, де розташований інтерфейс термопари.

Вам доведеться передбачити схему кондиціонування, необхідну для перетворення напруги на провідниках у формат, який може вмістити Arduino. Один із способів ви можете спробувати цей підхід - використовувати плату розриву термопари від Adafruit. Ця невелика плата могла підключитися до Arduio через з'єднання SPI до вбудованого мікросхеми борту. Для підтримки багатьох із цих дощок ви можете обрати дошку, з якою можна спілкуватися на SPI, використовуючи деякі зовнішні регістри зсуву для підтримки вибору більшої кількості.

Один з варіантів, який ви можете розглянути, якщо використання діодів зондування температури або перехід Vbe низькоцінного транзистора NPN виглядає привабливим для вас, - це поглянути на мікросхему типу ADT7476 від On Semiconductor . Цей пристрій дозволяє підключати два дистанційних датчика діода і перетворює значення температури в цифрові значення у внутрішніх регістрах. Діапазон зчитування реєстру з інформаційного аркуша здається, що якщо ви могли б поширюватися вниз, щоб бути в діапазоні, що цікавить вас, за умови, що пакет IC не такий холодний.

У частині представлений зручний інтерфейс I2C на шині.

Ці деталі досить недорогі і їх можна придбати у Mouser Electronics .

Якщо ви вирішили спробувати цей підхід, я рекомендую покласти віддалені діоди у морозильну камеру та з'єднатись з двопроводною крученою парою через екранований фольгованим екранованим кабелем GND. Кабелі з'єднатимуться з частиною теплої електроніки кімнати, яку вам доведеться побудувати, яка включала б у себе будь-який номер ADT7476, який вам потрібен, і з'єднання, до яких Arduino потрібно приєднати.

ОНОВЛЕННЯ : Ми працювали з цією термопарою типу K , хоча це не оптимальний діапазон. Ми спробували J-тип, який повинен працювати краще при тих температурах, але не зміг отримати плату підсилювача для належної калібрування. Все ще проект, що згорів. Ми також можемо знайти парний тип Т, як рекомендується @Mark.

Я спробував заповнити термопару Сугру і вставити магніт для закріплення її всередині холодильника. Це спрацювало досить добре і дало деяку теплову інерцію датчику.

За час тривалого тестування плетена термопара отримала пошкодження вологи, а рукав зносився. Крім того, здавалося, це створило протікання та конденсацію, щоб пройти через ущільнення дверей, тому нам доведеться знайти прохідний порт.