Cảm biến cho màn hình tủ đông ultralow (đến -85 ° C)

Tôi đang lên kế hoạch xây dựng một loạt các đơn vị báo cáo nhiệt độ do Arduino kiểm soát cho một căn phòng chứa đầy tủ đông "Ultracold" -80 ° C. (Cuối cùng tôi muốn chuyển đổi tín hiệu thành luồng nối tiếp sẽ giao tiếp với hệ thống hiện tại của tôi.)

Cho đến nay tôi chỉ tìm thấy một dây và các cảm biến khác chỉ được định mức đến -55C. Trong ứng dụng của tôi, họ sẽ dành phần lớn thời gian của họ khoảng -80C. Tôi chỉ cần độ chính xác khoảng 0,5 đến 1 độ ở những nhiệt độ đó.

Có ai biết một nguồn cho một cảm biến nhiệt độ thấp sẽ tương thích với arduino, đáng tin cậy và có thể được đặt ở đầu dây (để được đưa vào tủ đông qua một cổng nhỏ) không?

Cập nhật nhỏ dưới đây.

Điện áp chuyển tiếp ( ) của một diode ở dòng điện không đổi nhỏ thường được sử dụng để đo nhiệt độ thấp (gây lạnh). Điốt silicon có gần như là một hàm tuyến tính của nhiệt độ trong một phạm vi rộng, với độ dốc khoảng -2 mV / K. Thậm chí có những điốt được chế tạo đặc biệt được chuẩn hóa theo các đường cong so với T cụ thể . Nếu bạn sẵn sàng tự hiệu chỉnh hai hoặc ba điểm, thì bạn có thể sử dụng một diode tín hiệu thông thường. Ngay cả 1N4148 cũng có thể đo chính xác nhiệt độ nitơ lỏng nếu bạn hiệu chỉnh nó.V f V $V_f$$V_f$$V_f$

Bạn có thể cải thiện độ chính xác bằng cách:

• sử dụng nguồn cung cấp ổn định hiện tại
• sử dụng các cặp dây riêng biệt để cung cấp dòng điện và đo điện áp
• sử dụng cáp xoắn đôi được bảo vệ
• áp dụng thang đo thích hợp và bù vào điện áp đo được trước khi cấp cho ADC

Một cặp nhiệt điện loại T hoạt động tốt xuống tới ~ -200C. Để làm cho cuộc sống dễ dàng hơn một chút, cặp nhiệt điện có thể được giao tiếp với một chip AD595 hoặc chip tương tự cung cấp bù tiếp giáp lạnh và khuếch đại đầu ra điện áp. Tuy nhiên, cần cẩn thận với cặp nhiệt điện Loại T vì các thiết bị này chủ yếu được tạo cho Loại K. Bảng dữ liệu liệt kê một số cân nhắc đặc biệt để sử dụng với Loại T. Sau đó, đầu ra từ AD595 có thể được đọc bằng AD của bạn arduino và quy mô thích hợp.

Chúng tôi sử dụng rất nhiều điốt SR106 Schottky cũ để đo nhiệt độ helium lỏng (4K-20K) nơi tôi làm việc. Họ là tuyệt vời, và rẻ như địa ngục.

Bạn cần một nguồn dòng không đổi (chúng tôi sử dụng 10 hoặc 100 uA, chủ yếu để giảm nhiệt và đun sôi), và bạn thực sự, thực sự nên sử dụng kết nối 4 dây , nhưng tất cả những gì bạn thực sự cần cho thiết bị điện tử là diode và op-amp đối với nguồn hiện tại, một amp thiết bị để đọc điện áp trở lại và một số ít bị động.

Một mẹo nhỏ là hiệu chuẩn, nhưng giả sử bạn có đồng hồ đo nhiệt độ hoạt động ở nhiệt độ đó, bạn chỉ có thể sử dụng nó làm tiêu chuẩn chuyển.

Chúng tôi thực sự có một vài trong số các vật lạ mắt, điốt đặc biệt đắt tiền như @ user16653 được đề cập trong các nhận xét cho câu trả lời của @ Theran, và chúng thực sự không thể phân biệt được với các cảm biến tự chế rẻ tiền, chỉ là một SR106 được gắn vào một khối đồng nhỏ , để dễ dàng buộc dây nhiệt vào thiết bị được thử nghiệm.
Ưu điểm chính của các cảm biến diode cryo thương mại là chúng được hiệu chuẩn, nhưng nếu bạn có một hiệu chuẩn, bạn có thể sử dụng nó như một tiêu chuẩn chuyển để hiệu chỉnh tất cả các cảm biến tự chế khác của bạn khá dễ dàng, và tại thời điểm đó, tất cả đều hoạt động giống nhau.

Mạch này là nguồn chính xác để điều khiển diode trong hệ thống đông lạnh.

Về cơ bản, có một tham chiếu chính xác -10V (không hiển thị. Lưu ý rằng tham chiếu là âm ) ở bên phải. Nó được chia thành VR1 và được đệm qua U1B.

Bây giờ, U1A sẽ cố gắng giữ điện áp ở đầu vào bằng nhau, vì chúng ta có đầu ra được kết nối trở lại đầu vào âm (thông qua diode).
Điều này có nghĩa là điện áp ở chân 2 của U1 sẽ được duy trì rất, rất gần với 0V. Tuy nhiên, không có dòng * nào có thể chảy vào hoặc ra khỏi đầu vào op-amp (chúng có trở kháng cao) và không có dòng điện nào có thể chạy qua C1, vì vậy về cơ bản, đường dẫn duy nhất để dòng điện chạy vào nút tổng hợp âm của op-amp U1A là thông qua các diode.

Do đó, dòng điện chạy qua R6 bằng ** với dòng điện chạy qua diode. Vì chúng ta biết điện áp ở chân (về mặt chức năng là 0V), chúng ta có thể dễ dàng tính toán dòng diode, vì chúng ta biết điện áp tại TPC và điện trở của R6.

C1 làm giảm băng thông vòng, để giữ cho mạch ổn định. Bạn có thể giảm thực nghiệm giá trị của nó cho đến khi mạch dao động, nếu bạn cần nhiều băng thông, nhưng điều đó dường như không thể xảy ra đối với ứng dụng nhiệt.

R10 chỉ ở đó để bảo vệ op-amp trong trường hợp có điều gì đó ngu ngốc xảy ra, giống như việc dẫn đầu ra bị thiếu.

Lưu ý rằng bạn cần một tham chiếu điện áp âm khá tốt, vì sự trôi dạt trong tham chiếu điện áp âm của bạn sẽ trực tiếp dẫn đến sự trôi trong dòng điện thiên vị của bạn, gây ra các phép đo không chính xác.

Bạn cũng nên sử dụng điện trở tempco thấp cho R6 (màng kim loại ở mức tối thiểu).

Trong các ứng dụng trong thế giới thực, tôi chỉ đặt một ampe kế chính xác vào vị trí D1 và điều chỉnh cái nồi để có được dòng điện tôi muốn, thay vào đó, sau đó bận tâm tính toán nó từ toán học, nhưng cả hai cách tiếp cận đều hiệu quả.

Bạn cũng nên sử dụng op-amp hiện tại, độ lệch thấp và độ lệch thấp. Thiết bị tương tự làm cho nhiều bộ phận tốt đẹp.

* về mặt kỹ thuật, một dòng điện cực nhỏ chảy vào hoặc ra khỏi đầu vào của tất cả các op-am trong thế giới thực. Nếu bạn đang sử dụng một op-amp hiện đại, có độ lệch thấp, nó đủ nhỏ để chúng ta bỏ qua nó ở đây.

** xem lưu ý ở trên về dòng điện thiên vị đầu vào op-amp.

Cách thông thường để đo nhiệt độ rất thấp hoặc rất cao là sử dụng cặp nhiệt điện. Chúng có thể được chạy từ xa một khoảng cách hợp lý từ vị trí đặt giao diện cặp nhiệt điện.

Bạn sẽ phải cung cấp cho mạch điều hòa cần thiết để chuyển đổi điện áp trên dây thành định dạng có thể được cung cấp bởi Arduino. Một cách bạn có thể thử phương pháp này là sử dụng bảng đột phá cặp nhiệt điện từ Adafbean. Bảng nhỏ này có thể kết nối với Arduio thông qua kết nối SPI với chip điều khiển trên bo mạch. Để hỗ trợ nhiều bảng này, bạn có thể chọn bảng để nói chuyện với SPI bằng cách sử dụng một số thanh ghi dịch chuyển bên ngoài để hỗ trợ chọn số lớn hơn.

Một lựa chọn mà bạn có thể muốn xem xét, nếu việc sử dụng điốt cảm biến nhiệt độ hoặc tiếp giáp Vbe của bóng bán dẫn NPN giá rẻ có vẻ hấp dẫn đối với bạn, là xem xét một con chip như ADT7476 từ On S bán dẫn . Thiết bị này cho phép kết nối hai cảm biến diode từ xa và chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành giá trị kỹ thuật số trong các thanh ghi bên trong. Phạm vi đọc đăng ký từ bảng dữ liệu dường như có thể kéo dài xuống trong phạm vi quan tâm của bạn với điều kiện gói IC không lạnh lắm.

Phần trình bày một giao diện I2C thuận tiện ở phía Bus.

Những bộ phận này có giá khá hợp lý và có thể được mua từ Mouser Electronics .

Nếu bạn quyết định thử phương pháp này, tôi khuyên bạn nên đặt các điốt từ xa trong tủ đông và kết nối với cặp xoắn 2 dây thông qua cáp được bảo vệ bằng lá được kết nối GND. Các dây cáp sẽ kết nối lại với một thiết bị điện tử trong phòng ấm mà bạn sẽ phải chế tạo bao gồm số lượng ADT7476 mà bạn cần và các kết nối để Arduino gắn vào.

CẬP NHẬT : Chúng tôi đã chạy với cặp nhiệt điện loại K này , mặc dù nó không phải là phạm vi tối ưu. Chúng tôi đã thử loại J, được cho là hoạt động ở những nhiệt độ đó tốt hơn, nhưng không thể có được bảng khuếch đại để đưa ra hiệu chuẩn thích hợp. Vẫn là một dự án đốt cháy trở lại. Chúng tôi cũng có thể muốn tìm loại T được ghép nối như @Mark khuyên dùng.

Tôi đã thử đặt cặp nhiệt điện bằng Sugru và nhúng một nam châm để bảo vệ nó trong tủ lạnh. Điều này hoạt động khá tốt và tạo ra một quán tính nhiệt cho cảm biến.

Trong thời gian dài thử nghiệm của chúng tôi, cặp nhiệt điện bện đã bị hư hại độ ẩm và ống tay áo bị mòn. Ngoài ra, nó dường như đã tạo ra một số rò rỉ và ngưng tụ để đi qua niêm phong cửa, vì vậy chúng ta sẽ phải tìm một cổng thông qua.