Sensor para monitor de congelador ultrabajo (a -85 ° C)

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

Hasta ahora solo he encontrado sensores de un solo cable y otros que solo tienen una clasificación de -55C. En mi aplicación, pasarían la mayor parte de su tiempo alrededor de -80C. Solo necesito aproximadamente 0.5 a 1 grado de precisión a esas temperaturas.

¿Alguien conoce una fuente para un sensor de baja temperatura que sea compatible con arduino, confiable y que pueda colocarse al final de un cable (para pasar al congelador a través de un puerto pequeño)?

Pequeña actualización a continuación.

El voltaje directo ( ) de un diodo a una corriente constante pequeña se usa 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 diseñados estandarizados para curvas específicas V f vs. T. Si está dispuesto a hacer una calibración de dos o tres puntos usted mismo, puede usar un diodo de señal ordinario. Incluso un 1N4148 puede medir con precisión la temperatura del nitrógeno líquido si lo calibra.$V_f$$V_f$$V_f$

Puede mejorar la precisión al:

• utilizando un suministro de corriente constante estable
• usando pares de cables separados para suministrar corriente y medir el voltaje
• utilizando cableado blindado de par trenzado
• aplicando una escala y compensación apropiadas al voltaje medido antes de alimentarlo al ADC

Un termopar tipo T funciona bien hasta ~ -200C. Para facilitar un poco la vida, el termopar se puede conectar con un AD595 o un chip similar que proporciona una compensación de unión fría y amplifica la salida de voltaje. Sin embargo, se debe tener cuidado con un termopar tipo T ya que estos dispositivos están hechos principalmente para el tipo K. La hoja de datos enumera algunas consideraciones especiales para su uso con el tipo T. La salida del AD595 podría leerse con el AD de su Arduino y escalado adecuadamente.

Usamos muchos diodos Schottky SR106 antiguos para medir las temperaturas de helio líquido (4K-20K) donde trabajo. Son geniales y baratos como el infierno.

Necesita una fuente de corriente constante (usamos 10 o 100 uA, principalmente para reducir el calentamiento y la ebullición), y realmente debe usar conexiones de 4 cables , pero todo lo que realmente necesita para la electrónica es el diodo y el amplificador operacional para la fuente de corriente, un amplificador de instrumentación para leer el voltaje y un puñado de pasivos.

Lo difícil es la calibración, pero suponiendo que tenga un medidor de temperatura que funcione a esa temperatura, puede usarlo como un estándar de transferencia.

De hecho, tenemos algunos de los sofisticados diodos crioespecíficos caros como @ user16653 mencionados en los comentarios a la respuesta de @ Theran, y realmente no son distinguibles de los sensores baratos y caseros, que es solo un SR106 epoxiado en un pequeño bloque de cobre , para facilitar la conexión térmica del dispositivo bajo prueba.
La principal ventaja de los sensores comerciales de criodiodos es que están calibrados, pero si tiene uno calibrado, puede usarlo como un estándar de transferencia para calibrar todos sus otros sensores caseros con bastante facilidad, y en ese punto, todos funcionan lo mismo.

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

Básicamente, hay una referencia de precisión de -10 V (no se muestra. Tenga en cuenta que la referencia es negativa ) que aparece a la derecha. Está dividido en VR1 y almacenado en U1B.

Ahora, U1A se esforzará por mantener el voltaje en sus entradas iguales, ya que tenemos la salida conectada de nuevo a la entrada negativa (a través del diodo).
Esto significa que el voltaje en el pin 2 del U1 se mantendrá muy, muy cerca de 0V. Sin embargo, ninguna corriente * puede fluir dentro o fuera de la entrada del amplificador operacional (son de alta impedancia), y ninguna corriente puede fluir a través de C1, por lo que básicamente la única ruta para que la corriente fluya hacia el nodo de suma negativa del amplificador operacional 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 el voltaje en el pin (funcionalmente es 0 V), podemos calcular fácilmente la corriente del diodo, ya que conocemos el voltaje en TPC y la resistencia de R6.

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

R10 está ahí para proteger el amplificador operacional en caso de que ocurra algo estúpido, como que los cables de salida se acorten.

Tenga en cuenta que necesita una referencia de voltaje negativo bastante decente, ya que la deriva en su referencia de voltaje negativo provocará directamente una deriva en su corriente de polarización, lo que provocará mediciones incorrectas.

También debe usar una resistencia tempco decentemente baja para R6 (película de metal como mínimo).

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

También debe usar un amplificador operacional decente, de baja compensación y baja polarización. Los dispositivos analógicos hacen muchas partes buenas.

* técnicamente, una corriente extremadamente pequeña fluye dentro o fuera de las entradas de todos los amplificadores operacionales del mundo real. Si está utilizando un amplificador operacional moderno de baja polarización, es lo suficientemente pequeño como para ignorarlo aquí.

** vea la nota anterior sobre las corrientes de polarización de entrada del amplificador operacional.

La forma convencional de medir temperaturas muy bajas o muy altas es usar termopares. Estos pueden ejecutarse de forma remota a una distancia razonable de la ubicación donde se encuentra la interfaz del termopar.

Tendría que proporcionar los circuitos de acondicionamiento necesarios para convertir el voltaje en los cables a un formato que pueda ser acomodado por el Arduino. Una forma de probar este enfoque es utilizar la placa de conexión de termopar de Adafruit. Esta pequeña placa podría conectarse al Arduio a través de una conexión SPI al chip de control integrado. Para admitir muchas de estas placas, puede seleccionar la placa para hablar en el SPI utilizando algunos registros de desplazamiento externos para admitir la selección de un número mayor.

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

La parte presenta una interfaz I2C conveniente en el lado del bus.

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

Si decidió probar este enfoque, le recomendaría que coloque los diodos remotos en el congelador y que se conecte con un par trenzado de 2 hilos a través de un cable blindado de aluminio conectado a GND. Los cables se conectarían de nuevo a una pieza de electrónica de sala cálida que tendría que construir que incluyera cualquier número de ADT7476 que necesitara y las conexiones para que el Arduino se conectara.

ACTUALIZACIÓN : Hemos estado funcionando con este termopar tipo K , aunque no es el rango óptimo. Probamos un tipo J, que se supone que funciona mejor a esas temperaturas, pero no pudimos lograr que la placa del amplificador ofrezca la calibración adecuada. Sigue siendo un proyecto atrasado. También podríamos querer encontrar un tipo T emparejado como @Mark recomienda.

Traté de colocar el termopar con Sugru e incrustar un imán para asegurarlo dentro del refrigerador. Esto funcionó bastante bien y le dio algo de inercia térmica al sensor.

A largo plazo en nuestras pruebas, el termopar trenzado sufrió daños por humedad y la funda se desgastó. También parecía crear algunas fugas y condensación para pasar el sello de la puerta, por lo que tendremos que encontrar un puerto de paso.