เซ็นเซอร์สำหรับการตรวจสอบช่องแช่แข็ง ultralow (ถึง -85 ° C)

ฉันกำลังวางแผนที่จะสร้างชุดรายงานอุณหภูมิที่ควบคุมโดย Arduino สำหรับห้องที่เต็มไปด้วยตู้แช่แข็ง "Ultracold" -80 ° C (ในที่สุดฉันต้องการแปลงสัญญาณเป็นสตรีมแบบอนุกรมที่จะเชื่อมต่อกับระบบที่มีอยู่ของฉัน)

จนถึงตอนนี้ฉันได้พบเพียงหนึ่งสายและเซ็นเซอร์อื่น ๆ ที่ได้รับการจัดอันดับเพียง -55C ในใบสมัครของฉันพวกเขาจะใช้เวลาส่วนใหญ่ประมาณ -80C ฉันต้องการความแม่นยำประมาณ 0.5 ถึง 1 องศาที่อุณหภูมิเหล่านั้น

ไม่มีใครรู้ว่าแหล่งที่มาสำหรับเซ็นเซอร์อุณหภูมิต่ำที่จะเข้ากันได้กับ arduino เชื่อถือได้และสามารถวางที่ปลายสาย (จะถูกส่งผ่านเข้าไปในช่องแช่แข็งผ่านพอร์ตเล็ก ๆ )?

อัพเดทเล็กน้อยด้านล่าง

แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า ( ) ของไดโอดที่กระแสคงที่ขนาดเล็กมักใช้เพื่อวัดอุณหภูมิต่ำ (อุณหภูมิ) ไดโอดซิลิคอนมีV fซึ่งเป็นฟังก์ชันเชิงเส้นของอุณหภูมิในช่วงกว้างโดยมีความชันประมาณ -2 mV / K มีไดโอดที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษเพื่อให้เป็นมาตรฐานเฉพาะสำหรับV fและ T curves หากคุณต้องการทำการสอบเทียบสองหรือสามจุดด้วยตนเองคุณสามารถใช้สัญญาณไดโอดธรรมดา แม้แต่ 1N4148 ก็สามารถวัดอุณหภูมิไนโตรเจนเหลวได้อย่างแม่นยำหากคุณทำการสอบเทียบ$V_f$$V_f$$V_f$

คุณสามารถปรับปรุงความแม่นยำโดย:

• การใช้แหล่งจ่ายกระแสคงที่ที่มีเสถียรภาพ
• ใช้สายคู่ที่แยกกันเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าและวัดแรงดันไฟฟ้า
• ใช้สายเคเบิลคู่บิดป้องกัน
• ใช้สเกลที่เหมาะสมและชดเชยแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ก่อนป้อนเข้า ADC

เทอร์โมคัปเปิลชนิด T ทำงานได้ดีถึง ~ -200C เพื่อให้ชีวิตง่ายขึ้นเทอร์โมคัปเปิลเล็ก ๆ น้อย ๆ สามารถเชื่อมต่อกับ AD595 หรือชิปที่คล้ายกันซึ่งให้การชดเชยชุมทางเย็นและขยายเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้า อย่างไรก็ตามต้องใช้ความระมัดระวังด้วยเทอร์โมคัปเปิลชนิด T เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ใช้สำหรับเทอร์โมชนิด K แผ่นข้อมูลแสดงรายการข้อควรพิจารณาพิเศษสำหรับการใช้งานกับ Type T ผลลัพธ์จาก AD595 จะสามารถอ่านได้ด้วยโฆษณาของคุณ arduino และปรับขนาดอย่างเหมาะสม

เราใช้ไดโอด SR106 Schottky แบบธรรมดาจำนวนมากเพื่อวัดอุณหภูมิฮีเลียมเหลว (4K-20K) ที่ฉันทำงาน พวกเขายอดเยี่ยมและราคาถูกเหมือนนรก

คุณต้องการแหล่งจ่ายกระแสคงที่ (เราใช้ 10 หรือ 100 uA ส่วนใหญ่เพื่อลดความร้อนและเดือด) และคุณจริง ๆ ควรใช้การเชื่อมต่อแบบ 4 สายแต่สิ่งที่คุณต้องการสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คือไดโอดและ op-amp สำหรับที่มาปัจจุบันแอมป์เครื่องมือสำหรับอ่านแรงดันย้อนกลับและสัญญาณจำนวนหนึ่ง

บิตที่ยุ่งยากคือการสอบเทียบ แต่สมมติว่าคุณมีเครื่องวัดอุณหภูมิที่ทำงานที่อุณหภูมิเหล่านั้นคุณสามารถใช้มันเป็นมาตรฐานการถ่ายโอนได้

จริงๆแล้วเรามีไดโอดเพ้อฝันบางตัวที่มีราคาแพงเช่น cryo @ user16653 ที่กล่าวถึงในคำติชมต่อคำตอบของ @ Theran และพวกเขาก็ไม่ได้แยกแยะจากเซ็นเซอร์ราคาถูกและโฮมเมดซึ่งเป็นเพียง SR106 epoxied ในบล็อกทองแดง เพื่อให้ง่ายต่อการพันสายไฟเข้ากับอุปกรณ์ภายใต้การทดสอบ
ข้อได้เปรียบหลักของเซ็นเซอร์ cryo diode เชิงพาณิชย์คือการสอบเทียบ แต่ถ้าคุณมีการสอบเทียบคุณสามารถใช้มันเป็นมาตรฐานการถ่ายโอนเพื่อปรับเทียบเซ็นเซอร์โฮมเมดอื่น ๆ ของคุณได้อย่างง่ายดายและ ณ จุดนั้นพวกเขาทำงานทั้งหมด เหมือน.

วงจรนี้เป็นแหล่งจ่ายกระแสที่แม่นยำสำหรับการขับไดโอดในระบบแช่แข็ง

โดยทั่วไปมีการอ้างอิงความแม่นยำ -10V (ไม่แสดงโปรดทราบว่าการอ้างอิงนั้นเป็นค่าลบ ) ที่มาทางด้านขวา มันแบ่งออกเป็น VR1 และถูกบัฟเฟอร์ผ่าน U1B

ทีนี้ U1A จะพยายามรักษาแรงดันที่อินพุตให้เท่ากันเนื่องจากเรามีเอาท์พุทเชื่อมต่อกลับไปยังอินพุตลบ (ผ่านไดโอด)
ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่ขา 2 ของ U1 จะได้รับการบำรุงรักษาอย่างดีใกล้กับ 0V อย่างไรก็ตามไม่มี * กระแสสามารถไหลเข้าหรือออกจากอินพุตแอมป์ (พวกเขามีความต้านทานสูง) และไม่มีกระแสสามารถไหลผ่าน C1 ดังนั้นโดยทั่วไปเส้นทางเดียวสำหรับกระแสไหลเข้าสู่โหนดข้อสรุปเชิงลบของ op-amp U1A ผ่านไดโอด

ดังนั้นกระแสที่ไหลผ่าน R6 จะเท่ากัน ** กับกระแสที่ไหลผ่านไดโอด เนื่องจากเรารู้ว่าแรงดันที่ขา (ตามหน้าที่คือ 0V) เราสามารถคำนวณกระแสไดโอดได้ง่ายเนื่องจากเรารู้แรงดันที่ TPC และความต้านทานของ R6

C1 ลดแบนด์วิดท์ของลูปเพื่อให้วงจรเสถียร คุณสามารถทดลองลดค่าของมันลงได้จนกว่าวงจรจะแกว่งถ้าคุณต้องการแบนด์วิดธ์จำนวนมาก แต่นั่นไม่น่าจะเป็นไปได้สำหรับแอพพลิเคชั่นความร้อน

R10 อยู่ตรงนั้นเพื่อปกป้อง op-amp ในกรณีที่เกิดเหตุการณ์โง่ ๆ เช่นเอาท์พุททำให้สั้นลง

โปรดทราบว่าคุณต้องมีการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าลบที่เหมาะสมพอสมควรเนื่องจากการดริฟท์ในการอ้างอิงแรงดันลบของคุณจะส่งผลโดยตรงในกระแสไบอัสของคุณทำให้เกิดการวัดที่ไม่ถูกต้อง

คุณควรใช้ตัวต้านทาน tempco ต่ำอย่างเหมาะสมสำหรับ R6 (ฟิล์มโลหะอย่างน้อยที่สุด)

ในแอปพลิเคชันในโลกแห่งความจริงฉันเพิ่งติดตั้งแอมป์มิเตอร์ความแม่นยำแทน D1 และปรับหม้อเพื่อให้ได้กระแสที่ฉันต้องการจากนั้นก็รบกวนการคำนวณออกมาจากคณิตศาสตร์

คุณควรใช้ op-amp ปัจจุบันที่เหมาะสมออฟเซ็ตต่ำและไบแอสต่ำ อุปกรณ์อะนาล็อกทำให้ชิ้นส่วนที่ดีมากมาย

* ในทางเทคนิคกระแสน้อยมากเข้าหรือออกจากอินพุตของ op-amps ทั้งหมดในโลกแห่งความเป็นจริง หากคุณกำลังใช้ op-amp ที่ทันสมัยและมีอคติต่ำมันมีขนาดเล็กพอที่เราจะไม่สนใจที่นี่

** ดูหมายเหตุด้านบนเกี่ยวกับกระแสไบแอสแอมป์อินพุต

วิธีทั่วไปในการวัดอุณหภูมิที่ต่ำหรือสูงมากคือการใช้เทอร์โมคัปเปิล สิ่งเหล่านี้สามารถเรียกใช้จากระยะไกลได้ในระยะทางที่เหมาะสมจากตำแหน่งที่ติดตั้งเทอร์โมคัปเปิล

คุณจะต้องจัดเตรียมวงจรปรับสภาพที่จำเป็นในการแปลงแรงดันไฟฟ้าบนสายไฟเป็นรูปแบบที่ Arduino สามารถรองรับได้ วิธีหนึ่งที่คุณสามารถลองใช้วิธีนี้คือการใช้เทอร์โมคัปเปิ้ลเบรคบอร์ดจาก Adafruit บอร์ดขนาดเล็กนี้สามารถเชื่อมต่อกับ Arduio ผ่านการเชื่อมต่อ SPI กับชิปควบคุมบนบอร์ด เพื่อรองรับบอร์ดเหล่านี้จำนวนมากคุณสามารถเลือกบอร์ดที่จะพูดคุยกับ SPI โดยใช้รีจิสเตอร์กะภายนอกเพื่อรองรับการเลือกจำนวนที่มากขึ้น

ทางเลือกหนึ่งที่คุณอาจต้องการที่จะต้องพิจารณาถ้าใช้ไดโอดตรวจวัดอุณหภูมิหรือทางแยก Vbe ของค่าใช้จ่ายต่ำทรานซิสเตอร์ NPN ดูน่าสนใจกับคุณคือดูที่ชิปเช่นADT7476 จาก ON Semiconductor อุปกรณ์นี้ช่วยให้การเชื่อมต่อของเซ็นเซอร์ระยะไกลสองไดโอดและแปลงค่าอุณหภูมิเป็นค่าดิจิตอลในการลงทะเบียนภายใน ช่วงอ่านค่าลงทะเบียนจากแผ่นข้อมูลดูเหมือนว่าหากสามารถขยายให้อยู่ในช่วงที่น่าสนใจสำหรับคุณได้หากแพ็กเกจ IC ไม่เย็น

ส่วนที่นำเสนออินเตอร์เฟซ I2C ที่สะดวกในด้านรถบัส

ชิ้นส่วนเหล่านี้จะค่อนข้างราคาที่สมเหตุสมผลและสามารถซื้อได้จากบริษัท Mouser Electronics

หากคุณตัดสินใจที่จะลองวิธีนี้ฉันขอแนะนำให้คุณใส่ไดโอดระยะไกลในช่องแช่แข็งและเชื่อมต่อกับคู่สายคู่บิดผ่านสายหุ้มฟอยล์ฟอยด์ที่เชื่อมต่อ GND สายเคเบิลจะเชื่อมต่อกลับไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ห้องอุ่นที่คุณจะต้องสร้างซึ่งรวมถึงจำนวน ADT7476 ที่คุณต้องการและการเชื่อมต่อสำหรับ Arduino เพื่อเชื่อมต่อ

UPDATE : เราทำงานด้วยเทอร์โมคับเปิลชนิด Kนี้แม้ว่าจะไม่ใช่ช่วงที่เหมาะสม เราลองใช้ J-type ซึ่งควรทำงานที่อุณหภูมิเหล่านั้นดีกว่า แต่ไม่สามารถรับแอมป์บอร์ดเพื่อให้การสอบเทียบที่เหมาะสม ยังเป็นโปรเจ็กต์ที่ถูกเบิร์น เราอาจต้องการค้นหา T-type ที่จับคู่ตามที่ @Mark แนะนำ

ฉันลองใส่เทอร์โมคัปเปิลกับ Sugru แล้วฝังแม่เหล็กเพื่อเก็บไว้ในตู้เย็น มันใช้งานได้ดีและให้ความร้อนกับเซ็นเซอร์

ในระยะยาวในการทดสอบของเราเทอร์โมคัปเปิลแบบถักได้รับความเสียหายจากความชื้นและปลอกสวมออกไป ดูเหมือนว่าจะสร้างการรั่วไหลและการควบแน่นเพื่อผ่านประตูตราดังนั้นเราจะต้องค้นหาพอร์ตผ่าน