Hvordan opretholder højtemperatur-thermistorer stabilitet ved ekstrem varme?

Pålidelig drift ud over 300 °C ved brug af keramiske kompositmaterialer og dopede metaloxider

Termistorer til høje temperaturer bruger specielle keramiske kompositter (specifikt dopede overgangsmetaloxider med mangan-nikkel-kobalt-systemer (MNC)), hvis strukturer er optimeret til pålidelig drift ved temperaturer over 300 grader Celsius. Al halvlederaktivitet er begrænset til en bestemt krystalstruktur, hvor ionbevægelse ikke er særlig fri. Overskydende sjældne jordartselementer i blandingen stabiliserer sammensætningen inden for termistoren og forbedrer dermed den termiske følsomhed. Termistorproducenter oplyser, at hvis den korrekte kemiske sammensætning anvendes, vil deres termistorer vise en modstandsændring på mindre end 0,5 % efter 5.000 termiske cyklusprøver (ASTM-standarder). Styring af boblestabilisatorer fra ittriumstabiliseret zirkoniumoxid samt sintring i en ilt-rig miljø hjælper med at opnå den ønskede mikrostruktur. Denne mikrostruktur giver termistorerne en meget lav modstand mod termisk spændingsrevnedannelse ved udsættelse for ekstreme termiske cyklusser.

Udfordringer ved varmefusion af komponenter over tid: Aflejring af krystaller  

Krystallinsk aflejring har vist sig at være problematisk, når et fast stof opvarmes til en tilstrækkeligt høj temperatur i en længere periode. En fremtrædende modforanstaltning over for dette problem er kendt som flerlags-samfyring. Ved flerlags-samfyring fuses mange lag af termistorer samt isoleringsmaterialer sammen i én enkelt sintringscyklus (ca. 1.400 grader Celsius), hvilket danner en homogen, monolitisk enhed, der bevidst er designet til at modvirke mekanisk spænding. De nyeste design har vist sig at reducere den indre mekaniske spænding (inden i enheden) til under 50 procent af den typiske værdi (middelspænding) for enheder fremstillet ved konventionel lodret stable (efterbehandlingsmålinger af spændingen i samfyrede enheder blev udført i overensstemmelse med IEC 60539). Efter samfyring udsættes enheden for hermetisk alumina-indkapsling for at skabe en vakuumtæt (heliumtæt) forsegling. Testresultater viser en heliumlækkagehastighed på < 1 × 10⁻⁸ atm·cm³/sec, hvilket forhindrer gasser (drift) i at trænge ind i indkapslingen ved temperaturer over 250 grader Celsius. Udbredelseskoefficienterne for indkapslingsmaterialet (alumina) og termistormaterialet er tæt matchet (inden for ±1,5 ppm/°C), hvilket hjælper med at undertrykke bevægelsen af korngrænser med mindst 80 procent (efter en længere driftslevetid).

Disse teknikker betyder, at komponenter kan opretholde deres nøjagtighed med mindre end 2 % afvigelse over 10.000 timer ved fuld driftstemperatur.

Termisk stabilitetsydelse under reelle belastningsforhold

Højtemperaturtermistorer skal ikke kun opretholde nøjagtighed i laboratoriet, men også under de kombinerede belastninger fra termisk cyklus, kemisk angreb og mekanisk vibration i reelle scenarier.

Langtidsskøn for afvigelse: Modstandsændring på mindre end 2 % efter 5.000 timer ved 250 °C (IEC 60751-2)

IEC 60751-2 specificerer pålidelighedsstandarderne, som de fleste virksomheder håber på at opnå. Når de negative driftspecifikationer beskrives, siges sensorer, der oplever en modstandsdrift på mindre end 2 %, at have bevaret denne drift efter en kontinuerlig brug i 5.000 timer ved 250 grader Celsius. For at validere disse specifikationer udfører producenter accelererede aldringstests, der simulerer den miljømæssige belastning, som udstyret vil blive udsat for under drift. Disse tests omfatter adskillige klimakamre til simulering af forskellige miljøer (f.eks. varme og fugtige forhold) samt drift af udstyret ved fuld effekt for at overstige specifikationerne. Udstyrets driftstemperatur cykles også hurtigt (f.eks. op til 300 grader inden for mindre end et minut). For at opnå disse resultater samarbejder producenterne med materialer med stabile krystalstrukturer. Fremstillingen af disse materialer kræver specifik doping, omhyggelig glødning for at fjerne opbyggede spændinger samt en korrekt mikrostruktur, der fastlåses for at opnå den ønskede egenskab.

Kompromis mellem respons tid og nøjagtighed ved termisk overvågning af konvertere med høj effekt

Valg af en passende termistor ved brug med højtydende konvertere (>200 grader Celsius) kræver kompromiser med hensyn til respons tid versus målenøjagtighed. Tykfilmsensorer giver en respons tid på under et halvt sekund, hvilket er ret godt, men har en nøjagtighedsafvigelse på ca. 1,5 grad Celsius ved hurtige ændringer i belastningen. I modsætning hertil har nogle termistorperler, der er nedsænket i beskyttelsesbelægninger, en nøjagtighed på 0,3 grad Celsius, selv ved hurtige temperaturændringer på over 50 grader Celsius pr. sekund; de har dog en respons tid på over 3 sekunder. I tilfælde af beskyttelseselementer i IGBT’er er konsekvenserne af en fejl meget alvorlige og kan føre til unødigt systemstop eller omvendt til overophedning og ødelæggelse af komponenten. De fleste ingeniører betragter denne type systemdesign og målenøjagtigheden som en mere kritisk parameter end reaktionstiden.

Anvendelser af højtemperaturtermistorer: Detektering og beskyttelse

Motorviklinger PTC-overtemperaturafbrydere med skarpe skiftetemperaturer (120 °C – 200 °C)

For et stigende antal industrielle motorer bliver PTC-thermistorer stadig mere uundværlige som indbyggede beskyttelsesenheder for industrielle motorviklinger. Disse enheder er små og har en lav modstand i hviletilladet. Når de når en bestemt temperaturgrænse (typisk mellem 120 og 200 °C), øger de deres modstand betydeligt og afbryder den elektriske kreds for at forhindre yderligere temperaturstigning og undgå beskadigelse. De er konstrueret således, at de ikke skifter tilstand (til- og fra) ved hver enkelt temperatursvingning op og ned. I tilfælde af servomotorer, der kan fungere normalt ved omkring 150 °C, vil de fleste PTC-thermistorer, der anvendes til beskyttelse, være præcise inden for +/- 5 % over tusind opvarmnings- og afkølingscyklusser. Dette er et accepteret kriterium for overholdelse af IEC 60751-2. De er fremstillet af robust keramik, hvilket gør dem i stand til at klare krævende miljøer med vibrationer. På grund af disse egenskaber kan PTC-thermistorer levere pålidelig termisk beskyttelse uden brug af ekstra følere eller styringssystemer.

Fejlmechanismer og afhjælpende strategier for højtemperaturtermistorer

Høje temperaturer medfører specifikke fejlmechanismer for termistorer. Dette omfatter gentagne termiske cyklusser, som forårsager mikrospaltninger som følge af forskellig udligning; varmeinduceret ændring af resistive egenskaber som følge af accelereret oxidation; tætninger, der nedbrydes og ændrer kalibreringen på grund af forureninger; samt træthed i loddeforbindelser, hvilket er en af de primære årsager til elektromekanisk fejl som følge af vibration.

Vi skal begynde med materialerne for at forbedre afbødningsstrategierne. Tag stoffer som dopede keramikker, som kan standse den besværlige omordning af krystallstrukturen. Der findes også laser-svejste metalbeholdere, som giver næsten ideel tætning mod miljøpåvirkninger. Der findes også molybdendisilicid-mellemlag, som fungerer som puffer for de forskellige materialer, der udvider sig i forskellige hastigheder i forhold til temperaturen. Ud over andre midler foretrækkes guldtrådsforbindelse frem for aluminium, fordi guld er bedre end aluminium ved temperaturer over +400 °C, hvor guld, den metaltråd, eller andre materialer, svigter. De overlegne moderne løsninger er imidlertid de løsninger, der ikke udelukkende bygger på konstruktionskomponenter. For eksempel kan ingeniører registrere skade, inden den spreder sig, ved hjælp af integreret modstandsmonitorering. I disse tilfælde er den prædiktive karakter af metoden ideel, fordi det er afgørende i anvendelser uden redundans.

Ofte stillede spørgsmål  

Hvilke materialer anvendes i højtemperatur-thermistorer?

Højtemperatur-thermistorer fremstilles typisk af keramik, fordi de kan fremstilles af dopede overgangsmetaloxidsystemer, der bygger på mangan, nikkel og kobalt, og som er foretrukne på grund af mindre fejlhyppighed ved høje temperaturer.

Hvad betyder multilag-ko-fyring i forbindelse med thermistorer?
Ved multilag-ko-fyring fuses skiftende lag af thermistorer og isoleringslag i én enkelt ko-fyringsproces for at skabe monolitiske strukturer, som bedre kan absorbere spænding end konventionelle metoder.

Hvordan beskytter PTC-thermistorer motorviklinger?
PTC-thermistorer giver selvbeskyttelse, idet de øger deres modstand til et omfang, hvor kredsløbet afbrydes for at forhindre yderligere skade.