Czujnik ultralekkiego (do -85 ° C) monitora zamrażarki

Planuję zbudować serię kontrolowanych przez Arduino jednostek raportowania temperatury dla pomieszczenia pełnego zamrażarek „Ultracold” -80 ° C. (Ostatecznie chcę przekonwertować sygnał na strumień szeregowy, który będzie łączyć się z moim istniejącym systemem.)

Do tej pory znalazłem tylko czujniki jednoprzewodowe i inne, które są oceniane tylko do -55C. W mojej aplikacji spędzają większość czasu około -80 ° C. Potrzebuję tylko około 0,5 do 1 stopnia dokładności w tych temperaturach.

Czy ktoś zna źródło czujnika niskotemperaturowego, który byłby kompatybilny z arduino, niezawodny i mógł być umieszczony na końcu drutu (przechodzącego do zamrażarki przez mały port)?

Mała aktualizacja poniżej.

Napięcie ( ) diody przy małym stałym prądzie jest często wykorzystywane do pomiaru niskich (kriogenicznych) temperatur. Diody krzemowe mają która jest prawie liniową funkcją temperatury w szerokim zakresie, o nachyleniu około -2 mV / K. Istnieją nawet specjalnie zbudowane diody znormalizowane dla określonych krzywych vs. T. Jeśli chcesz samodzielnie wykonać kalibrację dwu- lub trzypunktową, możesz użyć zwykłej diody sygnałowej. Nawet 1N4148 może dokładnie zmierzyć temperaturę ciekłego azotu, jeśli go skalibrujesz.V f V $V_f$$V_f$$V_f$

Możesz poprawić dokładność poprzez:

• przy użyciu stabilnego stałego zasilania prądem
• za pomocą oddzielnych par przewodów do zasilania prądem i pomiaru napięcia
• za pomocą ekranowanego skrętki komputerowej
• zastosowanie odpowiedniej skali i przesunięcie do mierzonego napięcia przed podaniem go do ADC

Termopara typu T działa dobrze do ~ -200 ° C. Aby ułatwić życie, termoparę można połączyć z AD595 lub podobnym układem, który zapewnia kompensację zimnego złącza i wzmacnia napięcie wyjściowe. Należy jednak zachować ostrożność przy użyciu termopary typu T, ponieważ urządzenia te są przede wszystkim wykonane dla typu K. Karta danych zawiera pewne specjalne uwagi dotyczące użycia z typem T. Dane wyjściowe z AD595 można następnie odczytać z AD twojego arduino i odpowiednio skalowane.

Używamy wielu zwykłych diod Schottky'ego SR106 do pomiaru temperatur ciekłego helu (4K-20K) tam, gdzie pracuję. Są świetne i tanie jak diabli.

Potrzebujesz stałego źródła prądu (używamy 10 lub 100 uA, głównie w celu zmniejszenia nagrzewania i gotowania), i naprawdę, naprawdę powinieneś używać połączeń 4-przewodowych , ale wszystko, czego naprawdę potrzebujesz do elektroniki, to dioda i wzmacniacz operacyjny dla źródła prądu, wzmacniacza oprzyrządowania do odczytu napięcia z powrotem i garści elementów pasywnych.

Trudna jest kalibracja, ale zakładając, że masz miernik temperatury, który działa w tej temperaturze, możesz po prostu użyć go jako standardu transferu.

W rzeczywistości mamy kilka fantazyjnych, drogich diod specyficznych dla krio, takich jak @ user16653 wymienionych w komentarzach do odpowiedzi @ Theran, i tak naprawdę nie można ich odróżnić od tanich, domowych czujników, które są po prostu epoksydowane SR106 w mały miedziany blok , aby ułatwić przymocowanie termiczne do testowanego urządzenia.
Główną zaletą komercyjnych czujników krio diodowych jest to, że są one skalibrowane, ale jeśli masz taki, który jest skalibrowany, możesz po prostu użyć go jako standardu przesyłania, aby dość łatwo skalibrować wszystkie inne domowe czujniki, i w tym momencie wszystkie pracują to samo.

Obwód ten jest precyzyjnym źródłem prądu do napędzania diody w układzie kriogenicznym.

Zasadniczo istnieje precyzyjne odniesienie -10V (nie pokazano. Należy zauważyć, że odniesienie jest ujemne ), które pojawia się po prawej stronie. Jest podzielony na VR1 i buforowany przez U1B.

Teraz U1A będzie dążyć do utrzymania napięcia na wejściach równych, ponieważ mamy wyjście podłączone z powrotem do ujemnego wejścia (przez diodę).
Oznacza to, że napięcie na pinie 2 U1 będzie utrzymywane bardzo, bardzo blisko 0 V. Jednak żaden * prąd nie może wpływać ani wychodzić z wejścia wzmacniacza operacyjnego (mają wysoką impedancję) i żaden prąd nie może przepływać przez C1, więc w zasadzie jedyna ścieżka przepływu prądu do ujemnego węzła sumującego wzmacniacza operacyjnego U1A przechodzi przez diodę.

Dlatego prąd przepływający przez R6 jest równy ** prądowi przepływającemu przez diodę. Ponieważ znamy napięcie na pinie (funkcjonalnie jest to 0 V), możemy łatwo obliczyć prąd diody, ponieważ znamy napięcie na TPC i rezystancję R6.

C1 zmniejsza szerokość pasma pętli, aby utrzymać stabilność obwodu. Możesz eksperymentalnie zmniejszyć jego wartość, dopóki obwód nie oscyluje, jeśli potrzebujesz dużo pasma, ale wydaje się to mało prawdopodobne w przypadku zastosowania termicznego.

R10 jest po to, aby chronić wzmacniacz operacyjny w przypadku głupoty, na przykład w przypadku zwarcia przewodów wyjściowych.

Zauważ, że potrzebujesz dość przyzwoitego ujemnego napięcia odniesienia, ponieważ dryft w ujemnym napięciu odniesienia spowoduje bezpośrednio dryfowanie prądu polaryzacji, powodując nieprawidłowe pomiary.

Powinieneś również użyć przyzwoicie niskiej rezystora tempco dla R6 (przynajmniej metalowa folia).

W rzeczywistych aplikacjach po prostu umieściłem precyzyjny amperomierz w miejsce D1 i dostroiłem pulę, aby uzyskać prąd, którego chciałem, zamiast męczyć się z obliczeniem go z matematyki, ale każde z tych podejść byłoby skuteczne.

Powinieneś również użyć przyzwoitego wzmacniacza operacyjnego o niskim przesunięciu i niskim odchyleniu. Urządzenia analogowe tworzą wiele fajnych części.

* technicznie bardzo mały prąd wpływa lub wypływa z wejść wszystkich rzeczywistych wzmacniaczy operacyjnych. Jeśli używasz nowoczesnego wzmacniacza operacyjnego o niskim natężeniu prądu, jest on na tyle mały, że go tutaj ignorujemy.

** patrz powyższa uwaga na temat prądów polaryzacji wejścia wzmacniacza operacyjnego.

Konwencjonalnym sposobem pomiaru bardzo niskich lub bardzo wysokich temperatur jest użycie termopar. Można je uruchomić zdalnie w rozsądnej odległości od miejsca, w którym znajduje się interfejs termopary.

Trzeba by zapewnić obwody kondycjonujące potrzebne do przekształcenia napięcia na przewodach do formatu, który może pomieścić Arduino. Jednym ze sposobów wypróbowania tego podejścia jest użycie płytki antyadhezyjnej termopary od Adafruit. Ta niewielka płytka może łączyć się z Arduio poprzez złącze SPI z wbudowanym układem sterującym. Aby obsłużyć wiele z tych tablic, możesz wybrać tablicę, z którą chcesz porozmawiać w interfejsie SPI, używając zewnętrznych rejestrów przesuwnych do obsługi wyboru większej liczby.

Jedną z opcji, którą warto rozważyć, jeśli zastosowanie diod z czujnikiem temperatury lub złącza Vbe taniego tranzystora NPN wygląda dla Ciebie atrakcyjnie, jest przyjrzenie się układowi, taki jak ADT7476 z On Semiconductor . To urządzenie umożliwia podłączenie dwóch zdalnych czujników diodowych i konwertuje wartość temperatury na wartości cyfrowe w rejestrach wewnętrznych. Zakres odczytu rejestru z arkusza danych wydaje się, że można go rozszerzyć, aby znaleźć się w zakresie zainteresowania, pod warunkiem, że pakiet IC nie jest tak zimny.

Część przedstawia wygodny interfejs I2C po stronie magistrali.

Części te są w rozsądnej cenie i można je kupić w firmie Mouser Electronics .

Jeśli zdecydujesz się wypróbować to podejście, zalecam umieszczenie zdalnych diod w zamrażarce i połączenie za pomocą 2-żyłowej skrętki poprzez podłączony ekranowany kabel połączony GND. Kable połączą się z powrotem z kawałkiem ciepłej elektroniki w pomieszczeniu, którą musisz zbudować, w tym z dowolną liczbą potrzebnych ADT7476 i złączami do podłączenia Arduino.

AKTUALIZACJA : Pracowaliśmy z tą termoparą typu K , chociaż nie jest to optymalny zakres. Wypróbowaliśmy typ J, który powinien działać w tych temperaturach lepiej, ale nie udało się uzyskać płytki wzmacniacza zapewniającej odpowiednią kalibrację. Nadal jest to projekt z przeszłości. Możemy również chcieć znaleźć sparowany typ T, zgodnie z zaleceniem @Mark.

Próbowałem zalać termoparę Sugru i osadzić magnes, aby zabezpieczyć ją w lodówce. Działało to całkiem dobrze i nadawało czujnikowi bezwładności cieplnej.

Przez długi czas w naszych testach pleciony termopara został uszkodzony przez wilgoć, a rękaw zużył się. Wydawało się również, że spowodowało to pewne wycieki i kondensację, które przechodzą obok uszczelki drzwi, więc będziemy musieli znaleźć port przelotowy.