Sensor para monitorización de congelación ultrabaja (hasta -85°C)

Question

Estoy planeando construir una serie de unidades de reporte de temperatura controladas por Arduino para una habitación llena de congeladores "Ultracold" de -80°C. (En última instancia, quiero convertir la señal a un flujo en serie que se interconecte con mi sistema existente).

Hasta ahora sólo he encontrado un cable y otros sensores que sólo están clasificados para -55C. En mi aplicación pasarían la mayor parte del tiempo alrededor de -80C. Sólo necesito una precisión de entre 0,5 y 1 grado a esas temperaturas.

¿Alguien conoce una fuente de un sensor de baja temperatura que sea compatible con arduino, fiable y que pueda colocarse en el extremo de un cable (para pasarlo al congelador a través de un pequeño puerto)?

Pequeña actualización a continuación.

Answer 1

La tensión directa ( \$V_f\$ ) de un diodo a una pequeña corriente constante se utiliza a menudo para medir temperaturas bajas (criogénicas). Los diodos de silicio tienen un \$V_f\$ que es casi una función lineal de la temperatura en un amplio rango, con una pendiente de aproximadamente -2 mV/K. Incluso hay Diodos especialmente construidos estandarizados a los específicos \$V_f\$ frente a las curvas T. Si estás dispuesto a hacer una calibración de dos o tres puntos tú mismo, entonces puedes usar un diodo de señal ordinario. Incluso un 1N4148 puede medir con precisión las temperaturas del nitrógeno líquido si lo calibras.

Puedes mejorar la precisión:

• utilizando un suministro de corriente constante y estable
• utilizando pares de cables separados para suministrar corriente y medir la tensión
• utilizando cableado de par trenzado apantallado
• aplicar una escala y un offset adecuados a la tensión medida antes de alimentar el ADC

Answer 2

Un termopar de tipo T funciona bien hasta ~-200C. Para hacer la vida un poco más fácil, el termopar se puede interconectar con un chip AD595 o similar que proporciona compensación de unión fría y amplifica la salida de tensión. Sin embargo, hay que tener cuidado con un termopar de tipo T, ya que estos dispositivos están hechos principalmente para el tipo K. La hoja de datos enumera algunas consideraciones especiales para el uso con el tipo T. La salida del AD595 podría entonces leerse con el AD de su arduino y escalarse adecuadamente.

Answer 3

En mi trabajo utilizamos muchos diodos Schottky SR106 para medir las temperaturas del helio líquido (4K-20K). Son geniales y muy baratos.

Necesitas una fuente de corriente constante (nosotros usamos 10 o 100 uA, sobre todo para reducir el calentamiento y el boiloff), y realmente, deberías usar Conexiones de 4 hilos Pero todo lo que necesitas para la electrónica es el diodo, un amplificador óptico para la fuente de corriente, un amplificador de instrumentación para leer el voltaje y un puñado de pasivos.

La parte complicada es la calibración, pero suponiendo que tengas un medidor de temperatura que funcione a esas temperaturas, puedes utilizarlo como estándar de transferencia.

De hecho, tenemos algunos de los costosos diodos crio-específicos como el que mencionó @ user16653 en los comentarios de la respuesta de @Theran, y realmente no se distinguen de los sensores caseros y baratos que son sólo un SR106 pegado con epoxi en un pequeño bloque de cobre, para que sea fácil de atar térmicamente al dispositivo bajo prueba.
La principal ventaja de los sensores de criodiodo comerciales es que están calibrados, pero si tienes uno calibrado, puedes usarlo como estándar de transferencia para calibrar todos tus otros sensores caseros con bastante facilidad, y en ese punto, todos funcionan más o menos igual.

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Este circuito es una fuente de corriente de precisión para conducir un diodo en un sistema criogénico.

Básicamente, hay una referencia de precisión de -10V (no se muestra. Tenga en cuenta que la referencia es negativo ) que entra por la derecha. Se divide hacia abajo en VR1, y se amortigua a través de U1B.

Ahora, el U1A se esforzará por mantener la tensión en sus entradas iguales, ya que tenemos la salida conectada de nuevo a la entrada negativa (a través del diodo).
Esto significa que la tensión en el pin 2 del U1 se mantendrá muy, muy cerca de 0V. Sin embargo, ninguna* corriente puede entrar o salir de la entrada del op-amp (son de alta impedancia), y ninguna corriente puede fluir a través de C1, así que básicamente el único camino para que la corriente fluya hacia el nodo sumador negativo del op-amp U1A es a través del diodo.

Por lo tanto, la corriente que fluye a través de R6 es igual** a la corriente que fluye a través del diodo. Como conocemos la tensión en el pin (funcionalmente es 0V), podemos calcular fácilmente la corriente del diodo, ya que conocemos la tensión en TPC, y la resistencia de R6.

C1 reduce el ancho de banda del bucle, para mantener la estabilidad del circuito. Podrías reducir experimentalmente su valor hasta que el circuito oscile, si necesitas mucho ancho de banda, pero eso parece poco probable para una aplicación térmica.

R10 sólo está ahí para proteger el amplificador óptico en caso de que ocurra algo estúpido, como que los cables de salida se pongan en cortocircuito.

Tenga en cuenta que necesita una referencia de tensión negativa bastante decente, ya que la deriva de su referencia de tensión negativa se traducirá directamente en la deriva de su corriente de polarización, causando mediciones incorrectas.

También deberías usar una resistencia de tempo decente para R6 (de película metálica como mínimo).

En las aplicaciones del mundo real, simplemente puse un amperímetro de precisión en lugar de D1, y sintonicé el pote para obtener la corriente que quería, en lugar de molestarme en calcularlo a partir de las matemáticas, pero cualquier enfoque funcionaría.

También deberías usar un op-amp decente, de bajo offset y baja corriente de polarización. Analog devices hace muchas piezas buenas.

* técnicamente, una corriente extremadamente pequeña fluye dentro o fuera de las entradas de todos los op-amps del mundo real. Si estás usando un op-amp moderno, de baja corriente de polarización, es lo suficientemente pequeño como para que lo ignoremos aquí.

** véase la nota anterior sobre las corrientes de polarización de entrada de los amplificadores operacionales.

Answer 4

La forma convencional de medir temperaturas muy bajas o muy altas es utilizar termopares. Éstos se pueden colocar a una distancia razonable del lugar donde se encuentra la interfaz del termopar.

Tendrías que prever el circuito de acondicionamiento necesario para convertir la tensión de los cables en un formato que pueda ser acomodado por el Arduino. Una forma de probar este enfoque es utilizar el placa de termopar de Adafruit. Esta pequeña placa podría conectarse al Arduio a través de una conexión SPI con el chip de control de la placa. Para soportar muchas de estas placas se podría seleccionar la placa con la que hablar en el SPI usando algunos registros de desplazamiento externos para soportar la selección de un número mayor.

Answer 5

Una opción que puede considerar, si el uso de diodos de detección de temperatura o la unión Vbe de un transistor NPN de bajo coste le parece atractivo, es mirar un chip como el ADT7476 de On Semiconductor . Este dispositivo permite la conexión de dos sensores de diodo remotos y convierte el valor de la temperatura en valores digitales en registros internos. El rango de lectura de registros de la hoja de datos parece que si podría extenderse hacia abajo para estar en el rango de interés para usted siempre que el paquete de IC no es tan frío.

La pieza presenta una cómoda interfaz I2C en el lado del bus.

Estas piezas tienen un precio bastante razonable y pueden adquirirse en Mouser Electronics .

Si decides probar este enfoque, te recomendaría que pusieras los diodos remotos en el congelador y los conectaras con un par trenzado de 2 hilos a través de un cable blindado de lámina conectado a GND. Los cables se conectan de nuevo a una pieza de la electrónica de la habitación caliente que tendría que construir que incluye lo que sea el número de la ADT7476 que necesitaba y las conexiones para el Arduino para conectar a.