EN
Materiale- og konstruktionsmæssig design: Hvorfor højtemperatur-termistorer tåler >150 °C
Termisk stabilitet af nogle keramiske materialer og ingeniørarbejdet med dopanter
Visse termistorer viser betydelig stabilitet og fungerer effektivt ved temperaturer over 150 grader celsius, hvilket er muligt takket være opfindelsen af nye keramiske materialer. Materialer såsom mangan, nikkel og kobalt udgør typiske bestanddele i disse termistorer, og tilsætningen af sjældne jordarter såsom yttrium eller lanthan er afgørende for udviklingen af ny ionadfærd. Tilsætningen af disse elementer mindsker visse typer strukturel kollaps under fremstillingen, hvilket forbedrer den strukturelle termiske integritet af krystalgitteret. Fremstillere optimerer fremstillingsprocessen for at begrænse dannelse af tomme pladser (vacancies) og indkapslede lufttomrum (occluded voids). Nogle praktikere anvender zirkonia til at begrænse ionisk ledningsevne og strukturel diffusion af ilt under flere termiske cyklusser. Materialer af denne art anvendes for at sikre en så lille som mulig termisk hysteresis for NTC-termistoren. Ved standardtermistorer er der angivet en mindst 15 procent ændring i modstand ved 125 grader celsius. Ved højtemperatur-NTC-termistorer varierer modstanden kun ±1 procent, og de anses for at fungere effektivt ved 200 grader celsius og derover.
B-værdi-lineær afbrydelse i standard-thermistorer over 125 °C
I en NTC-thermistor er modstandsværdien og temperaturen relateret ved ligningen R = R0 exp[B(1/T - 1/T0)], hvor R0 er modstanden ved temperaturen T0, og B er thermistorens B-værdi eller (beta)parameteren. B-værdien forudsiger thermistorens anvendelsesområde, som for standard-thermistorer er fra -50 °C til 125 °C. Over og under disse områder påvirkes thermistorens ydeevne af følgende tre processer:
1. Ionisk ledningsevne (ionisk ledning):
Termisk energi får ioner til at migrere og overtage de elektroniske ledningsveje.
2. Korngrænse-relaksation:
Dopant-segregation ved korngrænserne relakser mikrostrukturen.
3. Materialeafbrydelse:
Dette kan omfatte delvis reduktion af et overgangsmetaloxid, hvilket ændrer støkiometrien og elektronkoncentrationen.
Disse processer er ansvarlige for B-værdier, der afviger med mere end 5 %, og derfor kan man ikke stole på modstandsprediktioner ud over sådan en temperatur. For at forbedre sådanne B-værdiprediktioner anvender højtemperaturvarianter andre aktiveringsenergiceramikker og dopanter, der er designet til at forsinke ionisk ledning, så den blandede ledningsvej er dominerende ved temperaturer over 200 °C. Dette udvider det brugbare temperaturområde for disse termistorer med 75 °C.
Ekstrem ydeevnepålidelighed
Termistorer, der er bygget til høje temperaturer, kan forblive pålidelige i årevis på grund af deres konstruktion med keramiske og metaldele samt en tætning og elektroder fremstillet af ædelmetaller (platin- eller palladiumlegeringer), som kan tåle 200 grader og derover uden korrosion. Ved mange termiske cyklusapplikationer (f.eks. overvågning af jetmotorer) er fugtindtrængning i sensorer et almindeligt problem. Cirka tre fjerdedele af tidlige sensorsvigt kan tilskrives fugtindtrængning, men denne konstruktion forhindrer både fugtindtrængning og dannelse af fanger. Hele konstruktionen kan klare tusinder af termiske cyklusser og er nødvendig for driftsmæssig nøjagtighed i raffinaderier, der oplever hurtige termiske cyklusser (hundreder af grader) hver 24. time. Den er også nyttig i applikationer, hvor der kræves en kontrolleret miljøbetingelse, da fugt og andre gasser kan påvirke ydelsen på grund af hurtige termiske cyklusser. Brug af aluminiumoxid (en aluminiumoxid) som basis anvendes til at reducere dannelse af termisk og aktivt iltoptagelsesgab, hvilket sikrer strukturel integritet.
I tilfælde af geotermiske boringer, hvor fugtigheden er vedvarende høj (ca. 85 %) og indeholder meget svovlsyre, betyder disse forbedringer, at sensorer kan vare årtier i stedet for måneder, som almindelige sensorer.
Driftsvilkår: Nedjustering, kompromiser vedrørende nøjagtighed og systemers levetid ved forhøjede temperaturer
Nedjustering og accelereret aldring af systemer over 125 °C
Over en bestemt temperatur falder levetiden for termistorer kraftigt. I tilfælde af de fleste termistorer reduceres den driftsmæssige levetid med ca. 50 % for hver stigning på 10 grader Celsius ud over den angivne maksimale temperatur. For eksempel når standard NTC-termistorer 150 grader Celsius og begynder at vise en modstandsforskydning på mere end 5 % efter ca. 1000 driftstimer. Højtemperaturudgaverne kan derimod holde mere end 10.000 timer under de samme betingelser. I nedrangeringsvejledninger er dette de grænser, hvor den sikre driftszone slutter. Når disse grænser overskrides, udsættes materialet for ugunstige permanente ændringer. Praktiserende ingeniører skal tage hensyn til termisk inertie i deres systemdesign. Dette betyder, at man skal integrere en forståelse af tidskonstanter og varmeoverførselshastigheder samt tage hensyn til miljøets tilstand. Utilstrækkelig overvejelse af disse aspekter vil føre til dannelse af lokale varmepletter, hvilket med tiden vil mindske systemets målenøjagtighed.
Paradokset ved følsomhedstemperaturklassificeringen i udformningen af højtemperaturtermistorer
Ved højtemperatur-thermistorer falder den termiske følsomhed, ofte udtrykt som thermistorens alpha-værdi, når den maksimale driftstemperatur stiger – en uundgåelig konstruktionskompromis. Mens standard NTC-thermistorer opnår en termisk følsomhed på ca. –4 %/°C ved stuetemperatur, opnår de, der er designet til en driftstemperatur på 150 °C, kun ca. –1,5 %/°C. Hvorfor sker dette? Det hænger sammen med valget af dopningsmateriale. Selvom jordartsoxider forbedrer krystallstrukturens stabilitet, resulterer de også i dårligere mobilitet af ladningsbærerne. For temperaturer over 150 °C – især i systemer, der kræver en nøjagtighed på ±0,5 °C – kræves der en omfattende signalbehandling. Dette indebærer korrekt funktion af lavstøjsforstærkere, indstilling af flere kalibreringspunkter samt anvendelse af algoritmer til at kompensere for B-værdi-forskydning. Desuden er det nyttigt at have redundante sensorer til at imødegå driften, hvilket er særligt vigtigt i tilstedeværelsen af ikke-lineære B-værdier, da disse kan underminere kontrolsystemets stabilitet.
Specifikationsdrevet valg: Hvornår skal man vælge højtemperatur-thermistorer?
Standard NTC-følere svigter, når de udsættes for termisk stress over længere perioder, hurtig termisk cyklus og aggressive kemikalier. Højtemperatur-thermistorer kan specificeres til:
Vedvarende omgivelsestemperaturer over 125 °C, såsom bilers udstødningsmanifolder, industrielle ovnforinger og luftfartsmotorrum;
Miljøer med ekstreme termiske transienter, såsom strømprocessorere og halvledere til hurtig termisk behandling, hvor keramiske sammensætninger forhindrer mikrorevner og korngrænseglidning;
Høj varme kombineret med fugt og aggressive kemikalier, såsom nedborensfølere til olie- og gasindustrien samt medicinske steriliseringsautoklaver, hvor der kombineres hermetisk forsegling og oxidationbestandig metallisering.
Standardtermistorer er fremragende til brug ved temperaturer under ca. 100 grader celsius, f.eks. i husholdningsapparater og opvarmningssystemer, der er inddelt i zoner til opvarmning af forskellige områder. I forhold til disse enheder er det fornuftigt at undersøge, hvor længe enheder af denne type vil overleve under de forventede brugsforhold. Branchedata indikerer, at standardtermistorer ved temperaturer under 150 grader fahrenheit slidtes ca. 10 gange hurtigere end termistorer til høje temperaturer. Dette skyldes flere – ofte interne – faktorer, såsom kemisk og fysisk materialeafbrydning, intern bevægelse og fugtindtrængen. I tilfælde, hvor en temperaturmåling er acceptabel, såfremt den ligger inden for et interval på ±3 grader, er platinmodstandstermometre (PRT’er) et godtgørende kompromis. For højtemperaturapplikationer overgår imidlertid termistorer PRT’er næsten i alle kategorier. De er mindre, hurtigere og mere økonomiske i næsten alle tilfælde – især i højtemperaturapplikationer, hvor arbejdsrummet er begrænset.
Almindelige spørgsmål om højtemperatur-thermistorer
Hvorfor kan højtemperatur-thermistorer overleve temperaturer over 150 grader celsius? Dette skyldes den avancerede keramiske konstruktion af thermistorerne, herunder stabiliserende oxider af mangan, nikkel og kobalt samt sjældne jordartselementer som yttrium og lanthan for at mindske strukturel nedbrydning.
Standardthermistorer svigter ved temperaturer over 125 °C på grund af en fuldstændig tabt thermistorfunktion som følge af overdominerende ionisk ledning, termisk nedbrydning af korngrænser og termisk nedbrydning af materialer.
Hvordan overlever thermistorer til høje temperaturer ekstreme og gentagne temperaturcyklusser? Disse thermistorer er udstyret med en meget holdbar hermetisk forsegling, fugtupindtrængelige og modstandsdygtige metalbarrierer over for oxidation ved høje temperaturer samt membraner, der tåler termiske cyklusser og ikke betydeligt ændrer thermistorens kalibrering.
Hvad er de designmæssige udfordringer ved højtemperatur-thermistorer? Den mekaniske stabilitet af de materialer, der anvendes ved forhøjede temperaturer, resulterer i en reduktion af den termiske følsomhed, hvilket kræver yderligere designforanstaltninger for at opnå større nøjagtighed.
Hvornår er højtemperatur-thermistorer nødvendige? Højtemperatur-thermistorer er påkrævet, når driftstemperaturen konstant ligger over 125 °C, når der forekommer gentagne, alvorlige termiske transienter, eller når miljøet er fugt- og kemisk aggressivt.
