EN
Материална и конструктивна конструкция: Защо високотемпературните термистори издържат над 150 °C
Топлинна стабилност на някои керамични материали и инженерното проектиране на допинг-елементите
Някои термистори демонстрират значителна стабилност и работят ефективно при температури над 150 °C, което е възможно благодарение на изобретяването на нови керамични материали. Типични съставки на тези термистори са манган, никел и кобалт, а добавянето на редки земни метали като итрий или лантан оказва влияние върху развитието на ново йонно поведение. Добавянето на тези елементи намалява определени видове структурен колапс по време на обработка, което подобрява термичната структурна цялост на кристалната решетка. Производителите оптимизират технологичния процес, за да ограничат образуването на ваканции и затворени пори. Някои специалисти използват цирконий оксид (циркония), за да ограничат йонната проводимост и структурната дифузия на кислород по време на многократни термични цикли. Такива материали се използват, за да се осигури минимална термична хистерезис на NTC-термисторите. При стандартните термистори декларираната промяна в съпротивлението е поне 15 % при 125 °C. При високотемпературните NTC-термистори отклонението в съпротивлението е само ±1 % и те се считат за работещи ефективно при 200 °C и по-високи температури.
Нелинейност на B-стойността в стандартни термистори при температури над 125°C
В NTC термистор съпротивлението и температурата са свързани чрез уравнението R = R0 exp[B(1/T - 1/T0)], където R0 е съпротивлението при температура T0, а B е B-стойността (параметър „бета”) на термистора. B-стойността предсказва работния диапазон на термистора, който за стандартните термистори е от -50°C до 125°C. Извън този диапазон (по-високи или по-ниски температури) работата на термистора се влияе от следните три процеса:
1. Йонна проводимост (йонна кондукция):
Топлинната енергия предизвиква миграция на йони, които преобладават над електронните проводни пътища.
2. Релаксация на границите на зърната:
Сегрегацията на легиращите примеси по границите на зърната предизвиква релаксация на микроструктурата.
3. Разлагане на материала:
Това може да включва частично възстановяване на оксид на преходен метал, което променя стехиометрията и концентрацията на електрони.
Тези процеси са отговорни за стойностите на B, които се отклоняват с повече от 5 %, и следователно не може да се разчита на прогнозите за съпротивление при температури над тази. За подобряване на такива прогнози за стойността на B високотемпературните варианти използват други керамични материали и допанти с активационна енергия, които са проектирани така, че да забавят йонната проводимост, за да доминира смесеният проводимостен път при температури над 200 °C. Това удължава работния температурен диапазон на тези термистори с 75 °C.
Екстремна надеждност в експлоатацияцията
Термисторите, проектирани за високи температури, могат да остават надеждни в продължение на години благодарение на конструкцията си, която използва керамични и метални компоненти с уплътнение и електроди от благородни метали (сплави на платина или паладий), способни да издържат температури от 200 °C и по-високи без корозия. При много приложения с термично циклиране (например мониторинг на реактивни двигатели) проникването на влага в сензорите е често срещан проблем. Около три четвърти от преждевременните откази на сензори се дължат на проникване на влага, но тази конструкция предотвратява както проникването на влага, така и образуването на запечатани зони. Цялата конструкция може да издържи хиляди термични цикъла и е задължителна за осигуряване на експлоатационна точност в рафинерии, които изпитват бързо термично циклиране (стотици градуса) всеки 24 часа. Тя също е полезна в приложения, изискващи контролирана среда, където влагата и други газове могат да повлияят на работата поради бързото термично циклиране. Използването на алумина (алуминиев оксид) като основа намалява образуването на термични и активни кислородни пропуски, като по този начин се запазва структурната цялост.
В случая с геотермалните кладенци, където влажността е постоянно висока – около 85 % – и има високо съдържание на сярна киселина, тези подобрения означават, че сензорите могат да функционират десетилетия, а не месеци, както обикновените сензори.
Реалности при експлоатация: намаляване на номиналните параметри, компромиси в точността и срокът на експлоатация на системите при високи температури
Намаляване на номиналните параметри и ускорено остаряване на системите над 125 °C
Над определена температура срокът на експлоатация на термисторите рязко намалява. При повечето термистори всяко повишаване с 10 °C над номиналния максимален температурен режим намалява експлоатационния им живот приблизително с 50 %. Например стандартните NTC термистори достигат 150 °C и започват да проявяват отклонение в съпротивлението с повече от 5 % след около 1000 часа експлоатация. Вариантите за работа при високи температури могат да издържат повече от 10 000 часа при същите условия. В насоките за дерейтинг това са граничните стойности, при които завършва безопасната работна зона. При превишаване на тези граници материала претърпява неблагоприятни необратими промени. Инженерите в реални условия трябва да вземат предвид топлинната инертност при проектирането на своите системи. Това означава да се интегрира разбиране на времевите константи и скоростите на топлопреминаване, като се има предвид и състоянието на околната среда. Недостатъчното внимание към тези аспекти води до възникване на локализирани горещи точки, които с времето намаляват точността на измерванията на системата.
Парадоксът на температурната чувствителност при проектирането на термистори за високи температури
При термисторите за високи температури топлинната чувствителност, често изразена като стойността на коефициента алфа на термистора, намалява с повишаването на максималната работна температура — това е неизбежен компромис при проектирането. Докато стандартните NTC термистори постигат топлинна чувствителност от около –4 %/°C при стайна температура, термисторите, проектирани за работна температура от 150 °C, постигат само около –1,5 %/°C. Защо се случва това? Това се дължи на избора на материала за легиране. Макар редкоземните оксиди да подобряват стабилността на кристалната структура, те също водят до по-лоша подвижност на носителите на заряд. При температури над 150 °C, особено за системи, които изискват точност от ±0,5 °C, е необходимо значително обработване на сигнала. Това включва правилното функциониране на усилватели с нисък шум, задаване на множество калибрационни точки и прилагане на алгоритми за компенсиране на промяната в стойността на коефициента B. Освен това използването на резервни (дублиращи) сензори е полезно за преодоляване на проблемите с дрейфа, което е особено важно при наличие на нелинейни стойности на коефициента B, тъй като те могат да компрометират стабилността на системата за управление.
Избор, основан на спецификации: Кога да изберете термистори за високи температури?
Стандартните NTC сензори излизат от строя при продължително топлинно напрежение, бързи температурни цикли и при излагане на агресивни химикали. Термисторите за високи температури могат да се специфицират за:
Продължителни околни температури над 125 °C, като например автомобилни изпускателни колектори, подови облицовки на промишлени пещи и двигателни отсеки в авиационно-космическата техника;
Среди с екстремни температурни преходи, като например силови процесори и полупроводникови устройства за бързо термично обработване, където керамичните формули предотвратяват микропукнатини и плъзгане по границите на зърната;
Висока температура в комбинация с влага и агресивни химикали, като например дълбочинни сензори за нефт и газ и автоклави за стерилизация в медицинската практика, където се прилага както герметична запечатаност, така и метални покрития, устойчиви на окисляване.
Стандартните термистори са отличен избор за работа при температури под около 100 °C, например в битови уреди и системи за отопление със зонирано регулиране на температурата в различни помещения. Във връзка с тези устройства е логично да се определи колко дълго ще просъществуват те при очакваните условия на експлоатация. Индустриалните данни показват, че стандартните термистори при температури под 150 °F износват приблизително 10 пъти по-бързо от високотемпературните термистори. Това се дължи на множество фактори, често вътрешни — като химичен и физичен разпад на материала, вътрешни механични премествания и проникване на влага. В случаите, когато допустимата грешка при измерване на температурата е в рамките на ±3 °C, платиновите резистивни термометри (PRT) представляват добър компромисен вариант. Обаче при високотемпературни приложения термисторите надминават PRT в почти всяка категория: те са по-малки по размер, по-бързи в отговора и по-икономични в почти всички случаи, особено при високотемпературни приложения, където работното пространство е ограничено.
Често задавани въпроси за термистори за високи температури
Защо термисторите за високи температури могат да издържат температури над 150 °C? Това се дължи на напредналата керамична конструкция на термисторите, включваща стабилизиращи оксиди на манган, никел и кобалт, както и редки земни елементи като итрий и лантан, които намаляват структурната деградация.
Стандартните термистори излизат от строя при температури над 125 °C поради пълна загуба на функционалността им, предизвикана от преобладаването на йонната проводимост, топлинната деградация на границите между зърната и топлинното разлагане на материалите.
Как термисторите за високи температури издържат екстремни и многократни температурни цикли? Тези термистори са оборудвани с изключително издръжлив герметичен уплътнител, непроницаеми за влага и устойчиви на високотемпературно окисляване метални бариери, както и мембрани, които издържат температурни цикли и не променят значително калибрацията на термистора.
Какви са предизвикателствата при проектирането на термистори за високи температури? Механичната стабилност на използваните материали при високи температури води до намаляване на топлинната чувствителност, което изисква допълнително проектиране, за да се постигне по-висока точност.
Кога са необходими термистори за високи температури? Термисторите за високи температури са необходими, когато работната температура е непрекъснато над 125 °C, когато присъстват многократни рязки термични преходи или когато средата е влажна и химически агресивна.
