EN
Науката за материали, използвани в термистори за високи температури
Термична стабилност на керамични оксиди, стъклени корпуси и метални обвивки
Термисторите, устойчиви на високи температури, използват специфични оксиди на керамични материали. Обикновено термисторите с положителен температурен коефициент (PTC) използват бариев титанат, докато термисторите с отрицателен температурен коефициент (NTC) използват кубичен манган-никел-кобалт спинел. Какво свойство притежават тези материали, което ги прави толкова полезни? Тези материали осигуряват стабилна и възпроизводима промяна на съпротивлението при промяна на температурата поради движението на електроните между енергийни състояния и взаимодействието им с вибрациите на кристалната решетка. От гледна точка на термична стабилност използваната техника за запечатване е изключително важна. Стеклените запечатвания предотвратяват термичното разрушаване на елементите при температури около 200 °C и не позволяват проникване на кислород и вода. При температури обаче над 300 °C са необходими метални (в този случай от неръждаема стомана или инконел) корпуси. Тези метали са структурно устойчиви спрямо бързи термични цикли, механични въздействия и агресивна корозия. Въпреки че тези метални корпуси са термично проводими, те все пак позволяват на затворения в тях сензор да реагира на околната температура, което осигурява термичния отклик на сензора.
При проектирането на система един от най-важните аспекти е оптимизирането на коефициентите на термично разширение за материала за инкапсулиране и керамичните компоненти, за да се избегне образуването на пукнатини по интерфейса. Освен това са съществени подходящите кислородни бариерни слоеве и специфичен обхват на порестостта по време на спечаване, за да се издържат термичните напрежения. Тези проекти са предпочтителни, ако е възможно, в комбинация с пасивирани платинови електроди, тъй като стабилността на контакта и защитата от окисляне подобряват термичната производителност на системата. При полеви изпитания тези проекти са показали устойчивост с дрейф по-малък от 0,5 % при непрекъснато функциониране в продължение на 1000 часа при 300 °C, а времето на отговор е било по-малко от 2 секунди в повечето случаи. Надеждността на интегрираните материали в тези системи позволява тяхното използване в тежки условия, при които конвенционалните кремниеви сензори не могат да функционират – например в турбините на реактивни двигатели или в разтопен алуминий, където традиционните сензори излизат от строя.
Максимална температурна устойчивост: NTC срещу PTC високотемпературни термистори – граници
NTC термистори: практически горни граници (до +300 °C) и насоки за намаляване на номиналните стойности
NTC термисторите за специализирани приложения трябва да могат да достигнат температури до ~300 °C, преди да започнат да възникват проблеми. Към тях се отнасят необратимата оксидация на металните оксиди и изчерпването на границите на зърната поради увеличени скорости на изпаряване. Над ~150 °C рискът от топлинен разгон рязко нараства и общата подавана мощност трябва да бъде намалена. При 250 °C разсейването на мощността трябва да бъде намалено с 40–60 % спрямо стойността при стайна температура, за да се ограничат грешките, причинени от самоогряване, както и промените, свързани със съпротивлението. Компонентите, които имат високо съпротивление (поне 100 kΩ при 25 °C), обикновено показват по-добра производителност при повишени температури. Това поведение създава предизвикателство за инженерите, тъй като те обикновено трябва да разработят специализирани нелинейни методи за управление, за да регулират точно системите в рамките на по-малко от един градус Целзий – например системи за управление на двигатели или обратни връзки за промишлени пещи. Такива методи включват, например, корекции от трети ред на уравнението на Стайнхарт–Харт.
Стандартните PTC термистори на бариев титанат показват рязко увеличение на съпротивлението при температурата си на Кюри, която е в интервала между 60 и 120 \textsuperscript{o}C. Поради тази рязка промяна в съпротивлението тези модели не могат да се използват в линейни сензорни приложения над този температурен диапазон. Въпреки това, за аерокосмически и индустриални приложения производителите разработват специални версии на тези термистори, които включват определени добавки като олово, стронций или различни редкоземни оксиди в поликристалните керамични структури. Тези модификации могат да повишат точката на Кюри и да подобрят надеждността и последователността на тези устройства, така че те да могат да се използват при температурни диапазони над 200\textsuperscript{o}C. При 205\textsuperscript{o}C такива термистори са показали промяна на съпротивлението си от приблизително 1 kΩ до повече от 500 kΩ за по-малко от 3 секунди, което става все по-полезно за приложения с бърз отговор, като например системи за аварийно изключване в батерийни пакети и системи за разпределение на електрическа енергия в аерокосмическата индустрия. Тези материали също запазват хистерезиса си и изпитванията са показали, че могат да се циклират многократно хиляди пъти без повреда в съответствие с изискванията на стандарти IEC 60738-1 и MIL-STD-202G.
Проблеми, свързани с точността и надеждността при по-високи температури
Проблеми, включващи дрейф на коефициента бета, дрейф на калибрирането и нелинейност при работа с термистори за високи температури
Високите температури, обикновено над двеста градуса по Целзий, пораждат редица проблеми, свързани с точното измерване на данни. Три от тези проблема включват дрейф на коефициента бета, дрейф на калибрацията и нарастваща нелинейност. Един конкретен проблем, свързан с дрейфа на бета, е промяната във вътрешната структура на материала. В интервала от около двеста до триста градуса по Целзий вътрешната структура на един материал се стабилизира; ако обаче промените във вътрешната структура се релаксират, съпротивлението може да претърпи дрейф от приблизително пет процента годишно. Следователно дори след калибриране на уреда в заводски условия калибрацията ще стане остаряла поради промени в съпротивлението, причинени от дрейфа на бета. Проблемите с дрейфа на калибрацията се усилват от промишлените цикли на нагряване и охлаждане. Не е необичайно един завод да трябва да калибрира оборудването си веднъж на шест месеца, за да продължи производствения процес. Освен това, при температури над триста градуса по Целзий отговорът на уреда става много непредсказуем, което води до все по-големи разлики между действителните параметри и показанията на уреда. Ситуациите, при които има нужда от коригиране и изравняване на крива, стават изключително редки в среда с висока температура. Например, в тома от 2021 г. на списанието „Sensors and Actuators A“ няколко термистора, които не бяха подходящо калибрирани в пещи за производство на полупроводникови устройства, показаха общата грешка в диапазона от 2 до 8 процента. Това е дори по-голямо от зададената строга граница от ±1 градус, която се прилага за контрол на температурата.
Необходима е истинска двойна техника, включваща както хардуер, така и софтуер, за намаляване на проблема. За хардуера са използвани керамични материали, съдържащи стабилизиран Mn-Ni-Co и с намалена подвижност на кислорода. Софтуерът създава система за реално време за управление, която използва вградени адаптивни алгоритми, обучени върху ускорени модели на стареене. В резултат устройството показва промени в кривината и отместването, които се коригират динамично и в крайна сметка водят до несигурност при измерването, отговаряща на
метриката <% 0,3 °C при 300 °C.
Как да изберете най-добрия термистор за високи температури за вашите нужди
За да изберете най-добрия термистор за високи температури за вашата конкретна употреба, трябва да вземете предвид пет взаимосвързани критерия и физическите и експлоатационните ограничения на вашата система:
Работен температурен диапазон: Уверете се, че номиналната максимална температура надвишава върховата температура на процеса поне с 25–50 °C. Например, за приложения при +250 °C подходящо би било устройство с номинална температура +300 °C поради самоогряването и кратковременните температурни върхове.
Стабилност на съпротивлението: За най-добри резултати изберете компоненти, при които е посочена дългосрочна дрейфова стойност при целева температура ≤ 1 % (според приложение D към IEC 60738-1). Избягвайте неспецифични твърдения като „високотемпературни“.
Устойчивост към външни фактори: Уверете се, че избраният от вас материал за инкапсулиране на термистора отговаря на очакваната среда. Например изберете стъклена запечатаност за сухи и окисляващи среди и метално инкапсулиране (напр. инконел 600 или неръждаема стомана 316) за влажни, сулфидизиращи или среди с разтопени соли при температури над 300 °C.
Динамика на отговора: Изберете термични времеви константи, по-малки от 30 секунди за зониране на пещи и по-малки от 3 секунди за мониторинг на горенето, както и термични времеви константи, по-малки или равни на скоростта на вашия контур за управление.
Физически ограничения: Уверете се, че размерите ще са подходящи и че начина на монтиране ще е съвместим (напр. с външна резба, с фланец или повърхностно монтиране), както и че класът на изолация на водещия кабел (напр. изпълнен с MgO, покрит с Тeflon®) отговаря на допуските за сглобяване и на електромагнитните смущения (ЕМИ) относно изолацията на водещия кабел (напр. изпълнен с MgO, покрит с Teflon®), които отговарят на допуските за сглобяване и електромагнитните смущения (ЕМИ) относно изолацията на водещия кабел (напр. изпълнен с MgO, покрит с Teflon®), които отговарят на допуските за сглобяване и електромагнитните смущения (ЕМИ) относно водещия кабел.
Важно е да се провери разстоянието между данните от техническата документация на производителя и докладите за независими изпитания, които не са свързани с номиналните характеристики за изпитателната производителност при амбиентна температура. Това е особено важно за производителността, свързана с термично циклиране, вибрации и химични въздействия, според стандарта MIL-STD-810H. Правилният избор трябва да интегрира производителността на системата и простия факт на физиката и надеждността.
Често задавани въпроси
За какво се използват термисторите за високи температури?
Високотемпературните термистори се използват предимно за наблюдение и регулиране на температурата в изключително изискващи среди. Те се използват в турбините на реактивни двигатели и във вани с разтопен алуминий. Високотемпературните термистори също се прилагат при производството на полупроводници, където традиционните сензори не са жизнеспособни.
Какви са разликите в приложенията на NTC и PTC термистори?
Повечето NTC термистори се предпочитат за употреба в области, където температурите могат да достигнат до 300 °C, поради техните термично стабилни характеристики. От друга страна, PTC термисторите се използват в области, където при високи температури се наблюдават значителни и бързи увеличения на съпротивлението, както е случаят с механизмите за аварийно изключване в батерийната система на електромобилите (EV).
Какви са основните предизвикателства при използването на високотемпературни термистори?
Термисторите с доста висока температура имат редица много сериозни предизвикателства, сред които са трудностите при калибрирането, хетеродинирането на времето на отговор и загубата на линейност в отговора. С течение на времето измерванията не остават точни.
Какви са методите за подобряване на точността на термисторите за високи температури?
За да се подобри точността на термисторите за високи температури, се използват конструкции с „глупави“ вериги, реалновременен контрол с адаптивни алгоритми и стабилни материали, които водят до намаляване на подвижността на кислорода.
