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

Estou planejando construir uma série de unidades de relatório de temperatura controladas pelo Arduino para uma sala cheia de congeladores "Ultracold" -80 ° C. (Em última análise, desejo converter o sinal em um fluxo serial que faça interface com o meu sistema existente.)

Até agora, encontrei apenas sensores de um fio e outros que são classificados apenas como -55C. Na minha aplicação, eles passavam a maior parte do tempo em torno de -80C. Eu só preciso de cerca de 0,5 a 1 grau de precisão nessas temperaturas.

Alguém conhece uma fonte para um sensor de baixa temperatura que seja compatível com o arduino, confiável e possa ser colocado no final de um fio (a ser passado para o freezer por uma pequena porta)?

Pequena atualização abaixo.

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Você pode melhorar a precisão:

• usando uma fonte de corrente constante estável
• usando pares separados de fios para fornecer corrente e medir a tensão
• usando cabeamento de par trançado blindado
• aplicar uma escala apropriada e compensar a tensão medida antes de alimentá-la no ADC

Um termopar tipo T funciona bem até ~ -200C. Para tornar a vida um pouco mais fácil, o termopar pode ser conectado com um chip AD595 ou similar que fornece compensação de junção fria e amplifica a saída de tensão. No entanto, é necessário tomar cuidado com um termopar tipo T, pois esses dispositivos são feitos principalmente para o tipo K. A folha de dados lista algumas considerações especiais para uso com o tipo T. A saída do AD595 pode ser lida com o AD do seu equipamento. arduino e dimensionado adequadamente.

Usamos muitos diodos SR106 Schottky simples para medir temperaturas de hélio líquido (4K-20K) onde trabalho. Eles são ótimos e baratos como o inferno.

Você precisa de uma fonte de corrente constante (usamos 10 ou 100 uA, principalmente para reduzir o aquecimento e a evaporação), e você realmente deve usar conexões de 4 fios , mas tudo o que você realmente precisa para a eletrônica é o diodo e o amplificador operacional para a fonte de corrente, um amplificador de instrumentação para ler a tensão de volta e um punhado de passivos.

A parte complicada é a calibração, mas supondo que você tenha um medidor de temperatura que funcione nessa temperatura, você pode usá-lo apenas como um padrão de transferência.

Na verdade, temos alguns diodos específicos de criogênicos caros, como @ user16653 mencionados nos comentários à resposta de @ Theran, e eles realmente não são distinguíveis dos sensores caseiros baratos, que são apenas um SR106 epoxados em um pequeno bloco de cobre , para facilitar a fixação térmica ao dispositivo em teste.
A principal vantagem dos sensores comerciais de diodos criogênicos é que eles são calibrados, mas se você tiver um calibrado, basta usá-lo como um padrão de transferência para calibrar todos os outros sensores caseiros com bastante facilidade e, nesse ponto, todos eles trabalham com o mesmo.

Este circuito é uma fonte de corrente de precisão para acionar um diodo em um sistema criogênico.

Basicamente, existe uma referência de precisão de -10V (não mostrada. Observe que a referência é negativa ) que aparece à direita. É dividido em VR1 e armazenado em buffer através do U1B.

Agora, o U1A se esforçará para manter a tensão nas entradas iguais, pois temos a saída conectada de volta à entrada negativa (através do diodo).
Isso significa que a tensão no pino 2 do U1 será mantida muito, muito perto de 0V. No entanto, nenhuma corrente * pode fluir para dentro ou para fora da entrada do amplificador operacional (são de alta impedância) e nenhuma corrente pode fluir através de C1, portanto, basicamente, o único caminho para a corrente fluir para o nó de soma negativo do amplificador operacional U1A é através do diodo.

Portanto, a corrente que flui através de R6 é igual ** à corrente que flui através do diodo. Como conhecemos a tensão no pino (funcionalmente é 0V), podemos calcular facilmente a corrente do diodo, pois sabemos a tensão no TPC e a resistência de R6.

C1 reduz a largura de banda do loop, para manter o circuito estável. Você pode experimentalmente reduzir seu valor até o circuito oscilar, se você precisar de muita largura de banda, mas isso parece improvável para uma aplicação térmica.

O R10 está lá apenas para proteger o amplificador operacional no caso de algo estúpido acontecer, como os cabos de saída sendo encurtados.

Observe que você precisa de uma referência de tensão negativa razoavelmente decente, pois o desvio na referência de tensão negativa resultará diretamente em desvio na corrente de polarização, causando medições incorretas.

Você também deve usar um resistor tempco decentemente baixo para R6 (filme de metal no mínimo).

Em aplicações do mundo real, coloquei um amperímetro de precisão no lugar de D1 e ajustei o pote para obter a corrente que eu queria, em vez de me preocupar em calculá-lo a partir da matemática, mas qualquer uma dessas abordagens funcionaria.

Você também deve usar um amplificador operacional atual decente, com baixo deslocamento e baixa polarização. Os dispositivos analógicos produzem muitas peças agradáveis.

* tecnicamente, uma corrente extremamente pequena flui para dentro ou para fora das entradas de todos os amplificadores operacionais do mundo real. Se você estiver usando um amplificador operacional moderno com corrente de baixa polarização, é pequeno o suficiente para ignorá-lo aqui.

** veja a nota acima sobre as correntes de polarização da entrada do amplificador operacional.

A maneira convencional de medir temperaturas muito baixas ou muito altas é usar termopares. Eles podem ser executados remotamente a uma distância razoável do local em que a interface do termopar está localizada.

Você precisaria fornecer o circuito de condicionamento necessário para converter a tensão nos fios em um formato que possa ser acomodado pelo Arduino. Uma maneira de experimentar essa abordagem é usar a placa de termopar da Adafruit. Essa pequena placa pode se conectar ao Arduio por meio de uma conexão SPI ao chip de controle da placa. Para dar suporte a muitas dessas placas, você pode selecionar a placa com a qual conversar no SPI usando alguns registradores de turno externos para suportar a seleção de um número maior.

Uma opção que você pode considerar, se o uso de diodos sensores de temperatura ou a junção Vbe de um transistor NPN de baixo custo lhe parecer atraente, é examinar um chip como o ADT7476 da On Semiconductor . Este dispositivo permite a conexão de dois sensores remotos de diodo e converte o valor da temperatura em valores digitais nos registros internos. A faixa de leitura de registro da folha de dados parece que se pode estender até a faixa de interesse para você, desde que o pacote IC não seja tão frio.

A peça apresenta uma interface I2C conveniente no lado do barramento.

Essas peças têm preços razoáveis ​​e podem ser adquiridas na Mouser Electronics .

Se você decidiu tentar essa abordagem, recomendo que você coloque os diodos remotos no freezer e conecte-os com um par trançado de 2 fios através de um cabo blindado conectado à GND. Os cabos se conectariam novamente a uma parte da eletrônica da sala quente que você precisaria construir, incluindo o número de ADT7476 necessários e as conexões para o Arduino.

ATUALIZAÇÃO : Trabalhamos com este termopar tipo K , embora não seja o intervalo ideal. Tentamos um tipo J, que deveria funcionar melhor nessas temperaturas, mas não conseguimos que a placa amplificadora desse a calibração adequada. Ainda um projeto em segundo plano. Também podemos encontrar um tipo T emparelhado, como o @Mark recomendado.

Tentei envasar o termopar com Sugru e incorporar um ímã para prendê-lo dentro da geladeira. Isso funcionou muito bem e deu alguma inércia térmica ao sensor.

A longo prazo em nossos testes, o termopar trançado sofreu danos por umidade e a manga se desgastou. Também pareceu criar algum vazamento e condensação para passar pela vedação da porta, por isso teremos que encontrar uma porta de passagem.