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La ciencia de los materiales utilizados en termistores de alta temperatura
Estabilidad térmica de óxidos cerámicos, cuerpo de vidrio y encapsulados metálicos
Los termistores resistentes al calor utilizan óxidos específicos de materiales cerámicos. Por lo general, los termistores con coeficiente de temperatura positivo (PTC) emplean titanato de bario, mientras que los termistores con coeficiente de temperatura negativo (NTC) utilizan espinela cúbica de manganeso-níquel-cobalto. ¿Qué propiedad poseen estos materiales que los hace tan útiles? Dichos materiales permiten un cambio estable y repetible de la resistencia con la temperatura, debido al movimiento de electrones entre estados de energía y a su interacción con las vibraciones de la estructura reticular. En cuanto a la estabilidad térmica, la técnica de sellado utilizada es muy importante. Los sellos de vidrio evitan la destrucción térmica de los elementos a temperaturas cercanas a los 200 grados Celsius y, además, impiden la entrada de oxígeno y agua. Sin embargo, cuando las temperaturas superan los 300 grados, son necesarias envolturas metálicas (en este caso, de acero inoxidable o Inconel). Estos metales presentan estabilidad estructural frente a ciclos térmicos rápidos, agresiones mecánicas y corrosión agresiva. Aunque estas cubiertas metálicas son conductivas térmicamente, sí permiten que el sensor encapsulado responda a la temperatura circundante, posibilitando así la respuesta térmica del sensor.
Al diseñar un sistema, uno de los aspectos más importantes es la optimización de los coeficientes de expansión térmica del material de encapsulación y de los componentes cerámicos, para evitar la aparición de grietas en la interfaz. Además, son esenciales capas adecuadas de barrera al oxígeno y un rango específico de porosidad durante la sinterización, capaces de soportar las tensiones térmicas. Estos diseños son preferibles, siempre que sea posible, en combinación con electrodos de platino pasivados, ya que la estabilidad del contacto y la protección contra la oxidación mejoran el rendimiento térmico del sistema. En pruebas de campo, se ha demostrado que estos diseños mantienen su estabilidad con una deriva inferior al 0,5 % durante 1000 horas de funcionamiento continuo a 300 °C, y los tiempos de respuesta han sido inferiores a 2 segundos en la mayoría de los casos. La fiabilidad de los materiales integrados en estos sistemas permite su operación en entornos severos donde los sensores convencionales de silicio no pueden funcionar, como dentro de turbinas de motores a reacción o en aluminio fundido, entornos en los que los sensores tradicionales fallan.
Resistencia máxima a la temperatura: Límites de los termistores de alta temperatura NTC frente a PTC
Termistores NTC: Límites superiores prácticos (hasta +300 °C) y directrices de reducción de carga
Los termistores NTC para usos especializados deben ser capaces de alcanzar temperaturas de hasta aproximadamente 300 °C antes de que comiencen a producirse problemas. Entre estos problemas se incluyen, por ejemplo, la oxidación irreversible de los óxidos metálicos y el agotamiento de los límites de grano debido a tasas incrementadas de evaporación. Por encima de aproximadamente 150 °C, el riesgo de descontrol térmico aumenta considerablemente, y debe reducirse globalmente la potencia suministrada. A 250 °C, la disipación de potencia debe reducirse entre un 40 % y un 60 % respecto a la temperatura ambiente, con el fin de limitar los errores debidos al auto-calentamiento y los cambios provocados por la variación de la resistencia. Los componentes que presentan una resistencia elevada (de al menos 100 kΩ a 25 °C) suelen comportarse mejor a temperaturas elevadas. Este comportamiento plantea un reto para los ingenieros, ya que generalmente deben desarrollar técnicas especializadas de control no lineal para regular con precisión sistemas con una tolerancia inferior a un grado Celsius, como los controles de motores o los sistemas de retroalimentación de hornos industriales. Entre dichas técnicas se incluyen, por ejemplo, correcciones de tercer orden aplicadas a la ecuación de Steinhart-Hart.
Los termistores PTC de titanato de bario estándar presentan un aumento brusco de la resistencia a su temperatura de Curie, que se sitúa entre 60 y 120 \textsuperscript{o}C. Debido a este cambio abrupto de resistencia, estos modelos no pueden utilizarse en aplicaciones de detección lineal por encima de este rango de temperaturas. Sin embargo, para aplicaciones aeroespaciales e industriales, los fabricantes diseñan versiones especiales de estos termistores que incorporan aditivos específicos, como plomo, estroncio u óxidos de tierras raras, en las estructuras cerámicas policristalinas. Estas modificaciones pueden elevar el punto de Curie y mejorar la fiabilidad y la consistencia de estos dispositivos, permitiendo su uso en rangos de temperatura superiores a 200\textsuperscript{o}C. A 205\textsuperscript{o}C, se ha demostrado que tales termistores cambian su resistencia desde aproximadamente 1 kΩ hasta más de 500 kΩ en menos de 3 segundos, lo cual resulta cada vez más beneficioso para aplicaciones de respuesta rápida, como los sistemas de corte de seguridad en paquetes de baterías y los sistemas de distribución de potencia en la industria aeroespacial. Estos materiales también conservan la histéresis, y las pruebas han mostrado que pueden someterse a ciclos repetidos miles de veces sin fallo, conforme a las normas IEC 60738-1 y MIL-STD-202G.
Problemas relacionados con la precisión y la fiabilidad a temperaturas elevadas
Problemas que incluyen deriva de beta, deriva de calibración y no linealidad durante el funcionamiento de termistores de alta temperatura
Las altas temperaturas, típicamente superiores a doscientos grados Celsius, generan una serie de problemas relacionados con la medición precisa de datos. Tres de estos problemas son la deriva beta, la deriva de calibración y el aumento de la no linealidad. Uno de los problemas específicos de deriva beta implica cambios en la estructura interna de un material. Entre aproximadamente doscientos y trescientos grados Celsius, la estructura interna de un material se estabiliza; sin embargo, si dichos cambios estructurales se relajan, la resistencia puede derivar aproximadamente un cinco por ciento anual. Por lo tanto, incluso después de calibrar un dispositivo en fábrica, dicha calibración se vuelve obsoleta debido a los cambios en la resistencia provocados por la deriva beta. Los problemas de deriva de calibración se agravan aún más por los ciclos industriales de calentamiento y enfriamiento. No es infrecuente que una fábrica deba calibrar su equipo cada seis meses para poder continuar con el proceso productivo. Además, por encima de los trescientos grados Celsius, la respuesta de un dispositivo se vuelve muy impredecible, lo que da lugar a brechas cada vez mayores entre lo que realmente está ocurriendo y la lectura del dispositivo. Las situaciones en las que existe la necesidad de ajustar y alisar una curva se vuelven extremadamente raras en entornos de alta temperatura. Por ejemplo, en el volumen de 2021 de la revista Sensors and Actuators A, varios termistores no adecuadamente ajustados en hornos de fabricación de semiconductores mostraron errores totales comprendidos entre el 2 % y el 8 %. Este valor es incluso mayor que la tolerancia estrictamente exigida de ±1 grado para el control térmico.
Es necesaria una técnica real de doble naturaleza, tanto hardware como software, para su mitigación. En el hardware se implementaron materiales cerámicos compuestos por Mn-Ni-Co estabilizado y con una movilidad reducida del oxígeno. El software establece un sistema de control en tiempo real que utiliza algoritmos adaptativos integrados, entrenados con patrones acelerados de envejecimiento. Como resultado, el dispositivo muestra cambios de curvatura y de desviación que se corrigen dinámicamente y, finalmente, dan lugar a una incertidumbre de medición que cumple
la métrica de <% 0,3 °C a 300 °C.
Cómo elegir el termistor de alta temperatura más adecuado para sus necesidades
Para elegir el termistor de alta temperatura más adecuado para su aplicación, debe considerar cinco criterios interrelacionados, así como las limitaciones físicas y operativas de su sistema:
Rango de temperatura de funcionamiento: Asegúrese de que la temperatura máxima nominal supere la temperatura máxima del proceso en al menos 25–50 °C. Por ejemplo, para aplicaciones a +250 °C, un dispositivo clasificado para +300 °C sería una buena opción debido al calentamiento propio y a las sobretensiones transitorias.
Estabilidad de la resistencia: Para obtener los mejores resultados, seleccione componentes que especifiquen una deriva a largo plazo y a una temperatura objetivo ≤ 1 % (según el Anexo D de la norma IEC 60738-1). Evite afirmaciones vagas como «alta temperatura».
Resistencia ambiental: Asegúrese de que el material de encapsulación elegido para su termistor sea adecuado para el entorno previsto. Por ejemplo, elija sellado de vidrio para entornos secos y oxidantes, y encapsulación metálica (por ejemplo, Inconel 600 o acero inoxidable 316) para entornos húmedos, sulfurosos o con sales fundidas por encima de 300 °C.
Dinámica de respuesta: Seleccione constantes de tiempo térmico τ inferiores a 30 segundos para la zonificación de hornos e inferiores a 3 segundos para la monitorización de la combustión, así como constantes de tiempo térmico iguales o inferiores a la velocidad de su bucle de control.
Limitaciones físicas: Asegúrese de que las dimensiones sean adecuadas y de que el tipo de montaje sea compatible (por ejemplo, roscado, con brida o montaje superficial), y de que la clase de aislamiento del cable conductor (por ejemplo, relleno de MgO, recubrimiento de politetrafluoroetileno [Teflon®]) cumpla con las tolerancias de ensamblaje y con las interferencias electromagnéticas (EMI) respecto al cable conductor.
Es fundamental verificar la distancia entre los datos proporcionados por el fabricante en sus hojas técnicas y los informes de ensayos independientes no vinculados a las calificaciones del rendimiento del ensayo a temperatura ambiente. Esto es especialmente importante para el rendimiento relacionado con los ciclos térmicos, las vibraciones y los agentes químicos, según la norma MIL-STD-810H. La elección adecuada debe integrar tanto el rendimiento del sistema como los principios fundamentales de la física y la fiabilidad.
Preguntas frecuentes
¿Para qué se utilizan los termistores de alta temperatura?
Los termistores de alta temperatura se utilizan principalmente para supervisar y controlar la temperatura en entornos altamente exigentes. Se encuentran en turbinas de motores a reacción y en baños de aluminio fundido. Asimismo, los termistores de alta temperatura se emplean en la fabricación de semiconductores, donde los sensores tradicionales no serían viables.
¿Cuáles son las diferencias en las aplicaciones de los termistores NTC y PTC?
En su mayor parte, los termistores NTC son preferidos para su uso en áreas donde las temperaturas pueden alcanzar hasta 300 grados Celsius, debido a sus características térmicamente estables. Por otro lado, los termistores PTC se utilizan en áreas donde, a altas temperaturas, se producen aumentos significativos y rápidos de la resistencia, como ocurre en los mecanismos de corte de seguridad del sistema de baterías de los vehículos eléctricos (EV).
¿Cuáles son los principales obstáculos para el uso de termistores de alta temperatura?
Los termistores de temperatura bastante alta presentan una serie de desafíos muy serios, entre los que se incluyen dificultades en la calibración, heterodinación del tiempo de respuesta y pérdida de linealidad en la respuesta. Con el paso del tiempo, las mediciones no mantienen su exactitud.
¿Cuáles son los métodos para mejorar la precisión de los termistores de alta temperatura?
Para mejorar la precisión de los termistores de alta temperatura, se deben emplear diseños con circuitos simples, control en tiempo real con algoritmos adaptativos y materiales estables que reduzcan la movilidad del oxígeno.
