Capteur pour moniteur de congélation ultra-bas (jusqu'à -85 ° C)

Je prévois de construire une série d'unités de rapport de température contrôlées par Arduino pour une pièce pleine de congélateurs "Ultracold" à -80 ° C. (Je souhaite finalement convertir le signal en un flux série qui s'interface avec mon système existant.)

Jusqu'à présent, je n'ai trouvé que des capteurs à un fil et d'autres qui ne sont évalués qu'à -55 ° C. Dans mon application, ils passeraient la plupart de leur temps autour de -80 ° C. Je n'ai besoin que de 0,5 à 1 degré de précision à ces températures.

Quelqu'un connaît-il une source pour un capteur de basse température qui serait compatible arduino, fiable et qui pourrait être placé à l'extrémité d'un fil (à passer dans le congélateur par un petit port)?

Petite mise à jour ci-dessous.

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Vous pouvez améliorer la précision en:

• utilisant une alimentation en courant constant stable
• utilisant des paires de fils séparées pour fournir du courant et mesurer la tension
• utilisant un câblage à paire torsadée blindée
• appliquer une échelle appropriée et un décalage à la tension mesurée avant de l'alimenter sur l'ADC

Un thermocouple de type T fonctionne bien jusqu'à ~ -200 ° C. Pour vous simplifier la vie, le thermocouple peut être interfacé avec une puce AD595 ou similaire qui fournit une compensation de soudure froide et amplifie la tension de sortie. Cependant, il faut être prudent avec un thermocouple de type T, car ces appareils sont principalement conçus pour le type K. Arduino et mis à l'échelle de manière appropriée.

Nous utilisons beaucoup de diodes Schottky SR106 anciennes pour mesurer les températures de l'hélium liquide (4K-20K) où je travaille. Ils sont géniaux et bon marché comme l'enfer.

Vous avez besoin d'une source de courant constante (nous utilisons 10 ou 100 uA, principalement pour réduire le chauffage et l'ébullition), et vous devriez vraiment, vraiment utiliser des connexions à 4 fils , mais tout ce dont vous avez vraiment besoin pour l'électronique est la diode et l'ampli op pour la source de courant, un ampli d'instrumentation pour relire la tension, et une poignée de passifs.

Le bit délicat est l'étalonnage, mais en supposant que vous avez un thermomètre qui fonctionne à ces températures, vous pouvez simplement l'utiliser comme standard de transfert.

Nous avons en fait quelques-uns des fantaisies, diodes cryo-spécifiques chères comme @ user16653 mentionnées dans les commentaires à la réponse de @ Theran, et elles ne se distinguent vraiment pas des capteurs bon marché et faits maison qui ne sont qu'un SR106 époxyde dans un petit bloc de cuivre , pour faciliter l'attache thermique à l'appareil testé.
Le principal avantage des capteurs à diodes cryogéniques du commerce est qu'ils sont calibrés, mais si vous en avez un qui est calibré, vous pouvez simplement l'utiliser comme standard de transfert pour calibrer assez facilement tous vos autres capteurs maison, et à ce stade, ils fonctionnent tous le même.

Ce circuit est une source de courant de précision pour piloter une diode dans un système cryogénique.

Fondamentalement, il existe une référence de précision de -10 V (non représentée. Notez que la référence est négative ) qui apparaît à droite. Il est divisé en VR1 et mis en mémoire tampon via U1B.

Maintenant, U1A s'efforcera de maintenir la tension à ses entrées égale, car nous avons la sortie connectée à l'entrée négative (via la diode).
Cela signifie que la tension à la broche 2 de l'U1 sera maintenue très, très proche de 0V. Cependant, aucun * courant ne peut entrer ou sortir de l'entrée de l'ampli-op (ils sont à haute impédance), et aucun courant ne peut passer par C1, donc fondamentalement le seul chemin pour que le courant circule dans le nœud de sommation négatif de l'ampli-op U1A passe par la diode.

Par conséquent, le courant traversant R6 est égal ** au courant traversant la diode. Puisque nous connaissons la tension à la broche (fonctionnellement, c'est 0V), nous pouvons facilement calculer le courant de diode, car nous connaissons la tension au TPC et la résistance de R6.

C1 réduit la bande passante de la boucle, pour maintenir la stabilité du circuit. Vous pouvez expérimentalement réduire sa valeur jusqu'à ce que le circuit oscille, si vous avez besoin de beaucoup de bande passante, mais cela semble peu probable pour une application thermique.

Le R10 est juste là pour protéger l'ampli op en cas de quelque chose de stupide, comme les fils de sortie en court-circuit.

Notez que vous avez besoin d'une référence de tension négative assez décente, car la dérive de votre référence de tension négative entraînera directement une dérive de votre courant de polarisation, provoquant des mesures incorrectes.

Vous devez également utiliser une résistance à tempco décemment basse pour R6 (film métallique au minimum).

Dans les applications du monde réel, j'ai simplement collé un ampèremètre de précision à la place de D1, et réglé le pot pour obtenir le courant que je voulais, plutôt que de prendre la peine de le calculer à partir des mathématiques, mais l'une ou l'autre approche fonctionnerait.

Vous devez également utiliser un ampli-op décent, à faible décalage et à faible courant de polarisation. Les appareils analogiques font beaucoup de belles pièces.

* techniquement, un courant extrêmement faible entre ou sort des entrées de tous les amplificateurs opérationnels du monde réel. Si vous utilisez un ampli-op moderne à faible courant de polarisation, il est suffisamment petit pour que nous l'ignorions ici.

** Voir la note ci-dessus sur les courants de polarisation d'entrée de l'ampli op.

La méthode conventionnelle pour mesurer des températures très basses ou très élevées consiste à utiliser des thermocouples. Ceux-ci peuvent être exécutés à distance à une distance raisonnable de l'emplacement où se trouve l'interface du thermocouple.

Vous devrez prévoir les circuits de conditionnement nécessaires pour convertir la tension sur les fils dans un format pouvant être pris en charge par l'Arduino. Vous pouvez essayer cette approche en utilisant la carte de dérivation de thermocouple d'Adafruit. Cette petite carte pourrait se connecter à l'Arduio via une connexion SPI à la puce de contrôle intégrée. Pour prendre en charge un grand nombre de ces cartes, vous pouvez sélectionner la carte à laquelle parler sur le SPI à l'aide de registres à décalage externes pour prendre en charge la sélection d'un plus grand nombre.

Une option que vous voudrez peut-être envisager, si l'utilisation de diodes de détection de température ou la jonction Vbe d'un transistor NPN à faible coût vous semble intéressante, est de regarder une puce telle que l' ADT7476 d'On Semiconductor . Cet appareil permet la connexion de deux capteurs à diode à distance et convertit la valeur de température en valeurs numériques dans les registres internes. La plage de lecture du registre de la fiche technique semble que si elle pourrait s'étendre pour être dans la plage d'intérêt pour vous, à condition que le package IC ne soit pas si froid.

La partie présente une interface I2C pratique côté bus.

Ces pièces sont à un prix raisonnable et peuvent être achetées auprès de Mouser Electronics .

Si vous décidez d'essayer cette approche, je vous recommande de mettre les diodes à distance dans le congélateur et de vous connecter avec une paire torsadée à 2 fils via un câble blindé en aluminium connecté à GND. Les câbles se relieraient à un morceau d'électronique de pièce chaude que vous auriez à construire qui inclurait le nombre d'ADT7476 dont vous aviez besoin et les connexions auxquelles l'Arduino devait se connecter.

MISE À JOUR : Nous fonctionnons avec ce thermocouple de type K , bien que ce ne soit pas la plage optimale. Nous avons essayé un type J, qui est censé mieux fonctionner à ces températures, mais n'a pas pu obtenir la carte d'amplificateur pour donner le bon étalonnage. Encore un projet en retard. Nous pourrions également vouloir trouver un type T apparié comme @Mark l'a recommandé.

J'ai essayé de rempoter le thermocouple avec Sugru et d'intégrer un aimant pour le fixer à l'intérieur du réfrigérateur. Cela a plutôt bien fonctionné et a donné une certaine inertie thermique au capteur.

À long terme dans nos tests, le thermocouple tressé a été endommagé par l'humidité et le manchon s'est usé. De plus, cela a semblé créer des fuites et de la condensation devant le joint de la porte, nous devrons donc trouver un port de passage.