Sensor für ultraniedrigen Gefriermonitor (bis -85 ° C)

Ich plane, eine Reihe von Arduino-gesteuerten Temperaturmessgeräten für einen Raum voller "Ultracold" -80 ° C-Gefriergeräte zu bauen. (Letztendlich möchte ich das Signal in einen seriellen Stream konvertieren, der mit meinem vorhandenen System verbunden ist.)

Bisher habe ich nur Eindraht- und andere Sensoren gefunden, die nur für -55 ° C ausgelegt sind. In meiner Bewerbung verbrachten sie die meiste Zeit bei -80 ° C. Bei diesen Temperaturen brauche ich nur eine Genauigkeit von 0,5 bis 1 Grad.

Kennt jemand eine Quelle für einen Niedertemperatursensor, der arduino-kompatibel und zuverlässig ist und am Ende eines Kabels platziert werden kann (um über einen kleinen Anschluss in den Gefrierschrank geführt zu werden)?

Kleines Update unten.

Die Durchlassspannung ( ) einer Diode bei einem kleinen konstanten Strom wird häufig verwendet, um niedrige (kryogene) Temperaturen zu messen. Siliziumdioden haben ein V f, das über einen weiten Bereich nahezu eine lineare Funktion der Temperatur ist, mit einer Steigung von ungefähr -2 mV / K. Es gibt sogar speziell gebaute Dioden, die auf bestimmte V f vs. T-Kurven standardisiert sind . Wenn Sie bereit sind, selbst eine Zwei- oder Dreipunktkalibrierung durchzuführen, können Sie eine normale Signaldiode verwenden. Selbst ein 1N4148 kann die Temperaturen von flüssigem Stickstoff genau messen, wenn Sie ihn kalibrieren.$V_f$$V_f$$V_f$

Sie können die Genauigkeit verbessern, indem Sie:

• unter Verwendung einer stabilen Konstantstromversorgung
• Verwenden Sie separate Adernpaare, um Strom zu liefern und die Spannung zu messen
• mit abgeschirmten Twisted Pair-Kabeln
• Anlegen einer geeigneten Skala und Versatz zur gemessenen Spannung, bevor diese dem ADC zugeführt wird

Ein Thermoelement vom Typ T funktioniert bis zu ~ -200 ° C. Um das Leben ein wenig einfacher zu machen, kann das Thermoelement mit einem AD595 oder einem ähnlichen Chip verbunden werden, der eine Vergleichsstellenkompensation bietet und den Spannungsausgang verstärkt. Bei einem Thermoelement vom Typ T ist jedoch Vorsicht geboten, da diese Geräte hauptsächlich für Typ K hergestellt sind. Das Datenblatt enthält einige spezielle Überlegungen zur Verwendung mit Typ T. Die Ausgabe des AD595 kann dann mit dem AD Ihres Geräts eingelesen werden Arduino und entsprechend skaliert.

Wir verwenden viele einfache alte SR106-Schottky-Dioden, um die Temperaturen von flüssigem Helium (4K-20K) zu messen, bei denen ich arbeite. Sie sind großartig und billig wie die Hölle.

Sie benötigen eine Konstantstromquelle (wir verwenden 10 oder 100 uA, hauptsächlich, um Heizung und Boiloff zu reduzieren), und Sie sollten wirklich 4-Draht-Verbindungen verwenden , aber alles, was Sie für die Elektronik wirklich benötigen, sind die Diode und der Operationsverstärker für die Stromquelle einen Instrumentenverstärker zum Zurücklesen der Spannung und eine Handvoll Passive.

Das Knifflige ist die Kalibrierung, aber vorausgesetzt, Sie haben einen Temperaturmesser, der bei dieser Temperatur arbeitet, können Sie diesen einfach als Übertragungsstandard verwenden.

Wir haben tatsächlich einige der Fancypants, teure kryospezifische Dioden wie @ user16653, die in den Kommentaren zu @ Therans Antwort erwähnt wurden, und sie sind wirklich nicht von den billigen, hausgemachten Sensoren zu unterscheiden, bei denen es sich nur um einen SR106 handelt, der in einen kleinen Kupferblock geklebt ist , um das thermische Anschnallen an das zu testende Gerät zu erleichtern.
Der Hauptvorteil der kommerziellen Kryodiodensensoren besteht darin, dass sie kalibriert sind. Wenn Sie jedoch einen kalibrierten haben, können Sie ihn einfach als Übertragungsstandard verwenden, um alle Ihre anderen hausgemachten Sensoren ziemlich einfach zu kalibrieren, und an diesem Punkt funktionieren sie alle das Gleiche.

Diese Schaltung ist eine Präzisionsstromquelle zum Ansteuern einer Diode in einem kryogenen System.

Grundsätzlich gibt es rechts eine Referenz mit einer Genauigkeit von -10 V (nicht gezeigt. Beachten Sie, dass die Referenz negativ ist ). Es ist in VR1 unterteilt und über U1B gepuffert.

Jetzt bemüht sich U1A, die Spannung an den Eingängen gleich zu halten, da der Ausgang wieder mit dem negativen Eingang (über die Diode) verbunden ist.
Dies bedeutet, dass die Spannung an Pin 2 des U1 sehr, sehr nahe an 0 V gehalten wird. Es kann jedoch kein * Strom in den Operationsverstärkereingang oder aus diesem heraus fließen (sie sind hochohmig), und es kann kein Strom durch C1 fließen, so dass im Grunde der einzige Pfad für Strom in den negativen Summierknoten des Operationsverstärkers fließt U1A ist durch die Diode.

Daher ist der durch R6 fließende Strom gleich ** dem durch die Diode fließenden Strom. Da wir die Spannung am Pin kennen (funktional ist es 0 V), können wir den Diodenstrom leicht berechnen, da wir die Spannung am TPC und den Widerstand von R6 kennen.

C1 reduziert die Schleifenbandbreite, um die Schaltung stabil zu halten. Sie können den Wert experimentell reduzieren, bis die Schaltung schwingt, wenn Sie viel Bandbreite benötigen. Für eine thermische Anwendung ist dies jedoch unwahrscheinlich.

R10 ist nur da, um den Operationsverstärker zu schützen, falls etwas Dummes passiert, wie zum Beispiel, dass die Ausgangsleitungen kurzgeschlossen werden.

Beachten Sie, dass Sie eine recht anständige negative Spannungsreferenz benötigen, da eine Drift in Ihrer negativen Spannungsreferenz direkt zu einer Drift in Ihrem Vorspannungsstrom führt und zu falschen Messungen führt.

Sie sollten auch einen anständigen Niedertemperatur-Widerstand für R6 verwenden (mindestens Metallfilm).

In realen Anwendungen habe ich nur ein Präzisionsamperemeter anstelle von D1 verwendet und den Poti so eingestellt, dass er den gewünschten Strom erhält, anstatt ihn aus der Mathematik zu berechnen, aber jeder Ansatz würde funktionieren.

Sie sollten auch einen anständigen Operationsverstärker mit niedrigem Offset und niedrigem Vorspannungsstrom verwenden. Analoge Geräte machen viele schöne Teile.

* Technisch gesehen fließt ein extrem kleiner Strom in oder aus den Eingängen aller realen Operationsverstärker. Wenn Sie einen modernen Operationsverstärker mit niedrigem Vorspannungsstrom verwenden, ist dieser klein genug, dass wir ihn hier ignorieren.

** Siehe obigen Hinweis zu den Eingangsvorspannungsströmen des Operationsverstärkers.

Die herkömmliche Methode zur Messung sehr niedriger oder sehr hoher Temperaturen ist die Verwendung von Thermoelementen. Diese können in angemessener Entfernung von dem Ort, an dem sich die Thermoelementschnittstelle befindet, entfernt ausgeführt werden.

Sie müssten die Konditionierungsschaltung bereitstellen, die erforderlich ist, um die Spannung an den Drähten in ein Format umzuwandeln, das vom Arduino aufgenommen werden kann. Eine Möglichkeit, diesen Ansatz auszuprobieren, ist die Verwendung des Thermoelement-Breakout-Boards von Adafruit. Diese kleine Karte könnte über eine SPI-Verbindung mit dem integrierten Steuerchip mit dem Arduio verbunden werden. Um viele dieser Karten zu unterstützen, können Sie die Karte auswählen, mit der auf dem SPI gesprochen werden soll, indem Sie einige externe Schieberegister verwenden, um die Auswahl einer größeren Anzahl zu unterstützen.

Eine Option, die Sie in Betracht ziehen sollten, wenn die Verwendung von Temperaturerfassungsdioden oder der Vbe-Übergang eines kostengünstigen NPN-Transistors für Sie attraktiv erscheint, ist ein Chip wie der ADT7476 von On Semiconductor . Dieses Gerät ermöglicht den Anschluss von zwei entfernten Diodensensoren und wandelt den Temperaturwert in internen Registern in digitale Werte um. Der Registerlesebereich aus dem Datenblatt scheint so zu sein, dass er sich in den für Sie interessanten Bereich erstreckt, vorausgesetzt, das IC-Paket ist nicht so kalt.

Der Teil bietet eine praktische I2C-Schnittstelle auf der Busseite.

Diese Teile sind recht günstig und können bei Mouser Electronics erworben werden .

Wenn Sie diesen Ansatz ausprobieren möchten, würde ich empfehlen, dass Sie die Remote-Dioden in den Gefrierschrank stellen und über ein mit GND verbundenes, foliengeschirmtes Kabel mit einem 2-Draht-Twisted Pair verbinden. Die Kabel wurden wieder mit einem Stück Warmraumelektronik verbunden, das Sie bauen mussten, einschließlich der Anzahl der benötigten ADT7476 und der Anschlüsse, an die der Arduino angeschlossen werden konnte.

UPDATE : Wir haben mit diesem K-Thermoelement gearbeitet , obwohl es nicht der optimale Bereich ist. Wir haben einen J-Typ ausprobiert, der bei diesen Temperaturen besser funktionieren soll, aber die Verstärkerplatine nicht dazu bringen konnte , die richtige Kalibrierung durchzuführen. Immer noch ein rückständiges Projekt. Möglicherweise möchten wir auch einen gepaarten T-Typ finden, wie von @Mark empfohlen.

Ich habe versucht, das Thermoelement mit Sugru zu vergießen und einen Magneten einzubetten, um es im Kühlschrank zu sichern. Dies funktionierte ziemlich gut und gab dem Sensor eine gewisse thermische Trägheit.

Bei unseren Tests hat das geflochtene Thermoelement langfristig Feuchtigkeitsschäden erlitten und die Hülse ist abgenutzt. Außerdem schien es zu Undichtigkeiten und Kondenswasser zu kommen, die an der Türdichtung vorbeikamen, sodass wir einen Durchgangsanschluss finden müssen.