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Die Werkstoffkunde der in Hochtemperatur-Thermistoren verwendeten Materialien
Thermische Stabilität von keramischen Oxiden, Glasgehäusen und metallischen Umhüllungen
Hitzebeständige Thermistoren nutzen spezifische Oxide keramischer Materialien. Typischerweise verwenden Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) Bariumtitanat, während Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) kubischen Mangan-Nickel-Kobalt-Spinell verwenden. Welche Eigenschaft besitzen diese Materialien, die sie so nützlich macht? Die Materialien ermöglichen eine stabile und reproduzierbare Widerstandsänderung mit der Temperatur, da Elektronen zwischen Energieniveaus wechseln und mit Schwingungen der Gitterstruktur interagieren. Hinsichtlich der thermischen Stabilität ist die verwendete Dichtungstechnik von großer Bedeutung. Glasdichtungen verhindern die thermische Zerstörung der Elemente bei Temperaturen um 200 Grad Celsius und schließen den Eintritt von Sauerstoff und Wasser aus. Bei Temperaturen über 300 Grad Celsius sind jedoch metallische Gehäuse (in diesem Fall aus Edelstahl oder Inconel) erforderlich. Diese Metalle zeichnen sich durch strukturelle Stabilität gegenüber schnellen thermischen Wechselbelastungen, mechanischer Beanspruchung und aggressiver Korrosion aus. Obwohl diese metallischen Gehäuse wärmeleitfähig sind, ermöglichen sie es dem eingeschlossenen Sensor dennoch, auf die Umgebungstemperatur zu reagieren, wodurch die thermische Reaktionsfähigkeit des Sensors gewährleistet wird.
Bei der Konstruktion eines Systems stellt die Optimierung der Wärmeausdehnungskoeffizienten für das Vergussmaterial und die keramischen Komponenten einen der wichtigsten Aspekte dar, um Rissbildung an der Grenzfläche zu vermeiden. Zudem sind geeignete Sauerstoffsperrschichten sowie ein bestimmter Porositätsbereich während des Sinterprozesses zur Bewältigung thermischer Spannungen unerlässlich. Diese Konstruktionsmerkmale sind – wenn möglich – vorzuziehen, insbesondere in Kombination mit passivierten Platinelektroden, da die Kontaktsicherheit und der Oxidationsschutz die thermische Leistungsfähigkeit des Systems verbessern. Bei Feldtests konnten diese Konstruktionen über 1000 Stunden kontinuierlichen Betriebs bei 300 °C eine Stabilität mit einer Drift von weniger als 0,5 % aufrechterhalten; zudem lagen die Ansprechzeiten in den meisten Fällen unter zwei Sekunden. Die Zuverlässigkeit der integrierten Materialien in diesen Systemen ermöglicht den Einsatz unter extremen Bedingungen, die mit herkömmlichen Siliziumsensoren nicht realisierbar sind – beispielsweise innerhalb von Strahltriebwerks-Turbinen oder in geschmolzenem Aluminium, wo traditionelle Sensoren versagen.
Maximale Temperaturbeständigkeit: NTC vs. PTC Hochtemperatur-Thermistoren-Grenzwerte
NTC-Thermistoren: Praktische obere Grenzwerte (bis +300 °C) und Entlastungsrichtlinien
NTC-Thermistoren für Nischenanwendungen sollten in der Lage sein, Temperaturen von bis zu etwa 300 °C zu erreichen, bevor sich erste Probleme bemerkbar machen. Zu diesen Problemen zählen beispielsweise irreversible Oxidation von Metalloxiden sowie eine Verarmung der Korngrenzen infolge beschleunigter Verdampfungsprozesse. Oberhalb von etwa 150 °C steigt das Risiko einer thermischen Durchgehung stark an, weshalb die zugeführte Leistung insgesamt reduziert werden muss. Bei 250 °C muss die Leistungsverlustleistung gegenüber Raumtemperatur um 40 bis 60 % gesenkt werden, um Selbstheizungsfehler und Widerstandsänderungen auf ein vertretbares Maß zu begrenzen. Komponenten, die bei 25 °C im hohen Widerstandsbereich von mindestens 100 kΩ liegen, weisen im Allgemeinen ein besseres Verhalten bei erhöhten Temperaturen auf. Dieses Verhalten stellt Ingenieure vor eine Herausforderung, da sie in der Regel spezielle nichtlineare Regelverfahren entwickeln müssen, um Systeme – wie etwa Motorsteuerungen oder Rückkopplungssysteme für industrielle Öfen – mit einer Genauigkeit von weniger als einem Grad Celsius präzise zu regeln. Solche Verfahren umfassen beispielsweise Korrekturen dritter Ordnung der Steinhart-Hart-Gleichung.
Standard-Bariumtitanat-PTC-Thermistoren weisen einen steilen Anstieg des Widerstands bei ihrer Curie-Temperatur auf, die zwischen 60 und 120 °C liegt. Aufgrund dieser abrupten Widerstandsänderung können diese Modelle nicht in linearen Sensorsystemen oberhalb dieses Temperaturbereichs eingesetzt werden. Für Luft- und Raumfahrt- sowie industrielle Anwendungen entwickeln Hersteller jedoch spezielle Varianten dieser Thermistoren, bei denen gezielt Zusatzstoffe wie Blei, Strontium oder verschiedene Seltenerdoxide in die polykristallinen keramischen Strukturen eingearbeitet werden. Diese Modifikationen können den Curie-Punkt erhöhen und Zuverlässigkeit sowie Konsistenz dieser Bauelemente verbessern, sodass sie auch bei Temperaturen oberhalb von 200 °C eingesetzt werden können. Bei 205 °C wurde nachgewiesen, dass solche Thermistoren ihren Widerstand innerhalb von weniger als drei Sekunden von etwa 1 kΩ auf mehr als 500 kΩ ändern – eine Eigenschaft, die insbesondere für schnelle Reaktionsanwendungen wie Sicherheits-Abschaltsysteme in Batteriepacks und Stromverteilungssysteme in der Luft- und Raumfahrtindustrie zunehmend von Vorteil ist. Diese Materialien behalten zudem ihre Hysterese bei, und Tests haben gezeigt, dass sie gemäß den Normen IEC 60738-1 und MIL-STD-202G wiederholt tausendfach zyklisch belastet werden können, ohne auszufallen.
Probleme im Zusammenhang mit Genauigkeit und Verlässlichkeit bei höheren Temperaturen
Probleme wie Beta-Drift, Kalibrierungsdrift und Nichtlinearität beim Betrieb von Hochtemperatur-Thermistoren
Hohe Temperaturen, typischerweise über zweihundert Grad Celsius, verursachen eine Reihe von Problemen im Zusammenhang mit einer genauen Messung von Daten. Drei dieser Probleme sind Beta-Drift, Kalibrierungsdrift und zunehmende Nichtlinearität. Ein spezielles Problem im Zusammenhang mit Beta-Drift betrifft Veränderungen der inneren Struktur eines Materials. Zwischen etwa zweihundert und dreihundert Grad Celsius stabilisiert sich die innere Struktur eines Materials; wenn sich jedoch strukturelle Veränderungen zurückbilden, kann der Widerstand jährlich um rund fünf Prozent driftend sein. Dadurch wird selbst eine im Werk vorgenommene Kalibrierung eines Geräts aufgrund von Widerstandsänderungen infolge der Beta-Drift obsolet. Kalibrierungsdrift-Probleme werden durch industrielle Heiz- und Kühlzyklen noch verstärkt. Es ist nicht unüblich, dass ein Betrieb seine Geräte alle sechs Monate neu kalibrieren muss, um den Produktionsprozess fortsetzen zu können. Darüber hinaus wird die Reaktion eines Geräts oberhalb von dreihundert Grad Celsius äußerst unvorhersehbar, was zu immer größer werdenden Abweichungen zwischen dem tatsächlichen Geschehen und der Anzeige des Geräts führt. Situationen, in denen eine Anpassung und Glättung einer Kennlinie erforderlich ist, werden in Hochtemperaturumgebungen äußerst selten. So zeigten beispielsweise in der 2021er-Ausgabe der Fachzeitschrift „Sensors and Actuators A“ mehrere nicht angemessen justierte Thermistoren in Halbleiterfertigungsöfen Gesamtfehler zwischen 2 und 8 Prozent – ein Wert, der sogar höher liegt als die streng eingehaltene Toleranz von ±1 Grad für die Temperaturregelung.
Eine echte, zweifache Technik aus Hardware und Software ist zur Minderung erforderlich. Für die Hardware wurden keramische Materialien auf Basis stabilisierter Mn-Ni-Co-Verbindungen mit reduzierter Sauerstoffmobilität eingesetzt. Die Software stellt ein Echtzeit-Regelsystem bereit, das eingebettete adaptive Algorithmen nutzt, die anhand beschleunigter Alterungsmuster trainiert wurden. Dadurch weist das Gerät Krümmungs- und Offsetänderungen auf, die dynamisch korrigiert werden und letztendlich zu einer Messunsicherheit führen, die
dem Zielwert von <% 0,3 °C bei 300 °C entspricht.
So wählen Sie den besten Hochtemperatur-Thermistor für Ihre Anforderungen aus
Um den besten Hochtemperatur-Thermistor für Ihre Anwendung auszuwählen, müssen Sie fünf miteinander verknüpfte Kriterien sowie die physikalischen und betrieblichen Grenzen Ihres Systems berücksichtigen:
Betriebstemperaturbereich: Stellen Sie sicher, dass die zulässige Höchsttemperatur mindestens 25–50 °C über der maximalen Prozesstemperatur liegt. Bei Anwendungen mit +250 °C wäre beispielsweise ein Gerät mit einer Nennhöchsttemperatur von +300 °C aufgrund von Selbsterwärmung und transienten Temperaturspitzen eine gute Wahl.
Widerstandsstabilität: Für optimale Ergebnisse wählen Sie Komponenten, die eine langfristige Drift bei einer Zieltemperatur von ≤ 1 % angeben (gemäß IEC 60738-1, Anhang D). Vermeiden Sie ungenaue Angaben wie „hohe Temperatur“.
Umgebungsbeständigkeit: Stellen Sie sicher, dass das von Ihnen für Ihren Thermistor gewählte Kapselungsmaterial der erwarteten Umgebung entspricht. Wählen Sie beispielsweise eine Glasversiegelung für trockene und oxidierende Umgebungen sowie eine metallische Kapselung (z. B. Inconel 600 oder SS316) für feuchte, sulfidierende oder Schmelzsalzumgebungen über 300 °C.
Reaktionsdynamik: Wählen Sie thermische Zeitkonstanten τ, die bei der Ofenzoneinteilung weniger als 30 Sekunden betragen und bei der Verbrennungsüberwachung sowie bei der Regelkreisgeschwindigkeit weniger als 3 Sekunden betragen; die thermische Zeitkonstante muss hierbei gleich oder kleiner als die Regelkreisgeschwindigkeit sein.
Physische Einschränkungen: Stellen Sie sicher, dass die Abmessungen passen und die Montageart kompatibel ist (z. B. Gewinde-, Flansch- oder Oberflächenmontage) sowie dass die Isolierklasse der Anschlussleitung (z. B. mit MgO gefüllt, Teflon®-beschichtet) Ihren Montagetoleranzen und elektromagnetischen Störungen (EMI) entspricht.
Es ist wichtig, die Angaben aus den Herstellerdatenblättern mit Berichten unabhängiger Prüfungen zu vergleichen, die nicht im Zusammenhang mit den Nennwerten stehen, um die Leistung des Prüflings unter Umgebungsbedingungen zu bewerten. Dies ist insbesondere bei Leistungsmerkmalen im Hinblick auf Temperaturwechsel, Vibration und chemische Einwirkung gemäß MIL-STD-810H von Bedeutung. Die richtige Auswahl muss sowohl die Systemleistung als auch die grundlegenden physikalischen Gegebenheiten und Zuverlässigkeit berücksichtigen.
Häufig gestellte Fragen
Wofür werden Hochtemperatur-Thermistoren eingesetzt?
Hochtemperatur-Thermistoren werden hauptsächlich zur Überwachung und Regelung der Temperatur in besonders anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt. Sie finden sich beispielsweise in Strahltriebwerks-Turbinen und Schmelzbaden aus Aluminium. Hochtemperatur-Thermistoren werden zudem bei der Herstellung von Halbleitern verwendet, wo herkömmliche Sensoren nicht einsetzbar wären.
Welche Unterschiede bestehen hinsichtlich der Anwendungen von NTC- und PTC-Thermistoren?
In den meisten Fällen werden NTC-Thermistoren bevorzugt dort eingesetzt, wo Temperaturen bis zu 300 Grad Celsius erreicht werden können, da sie über thermisch stabile Eigenschaften verfügen. PTC-Thermistoren hingegen werden dort eingesetzt, wo bei hohen Temperaturen ein starker und schneller Anstieg des elektrischen Widerstands auftritt – wie beispielsweise bei Sicherheits-Abschaltmechanismen im Batteriesystem von Elektrofahrzeugen (EV).
Welche sind die wesentlichen Herausforderungen bei der Verwendung von Hochtemperatur-Thermistoren?
Thermistoren mit recht hoher Temperatur weisen eine Reihe sehr gravierender Herausforderungen auf, darunter Kalibrierungsschwierigkeiten, Heterodyn-Effekte bei der Ansprechzeit und Verlust der Linearität der Antwort. Im Laufe der Zeit bleiben die Messwerte nicht stabil.
Welche Methoden gibt es zur Verbesserung der Genauigkeit von Hochtemperatur-Thermistoren?
Um die Genauigkeit von Hochtemperatur-Thermistoren zu verbessern, kommen Konstruktionen mit einfachen Schaltungen, Echtzeit-Regelung mit adaptiven Algorithmen sowie stabile Materialien zum Einsatz, die eine geringere Sauerstoffmobilität bewirken.
