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La science des matériaux utilisés dans les thermistances à haute température
Stabilité thermique des oxydes céramiques, du corps en verre et des enveloppes métalliques
Les thermistances résistantes à la chaleur utilisent des oxydes spécifiques de matériaux céramiques. En général, les thermistances à coefficient de température positif (CTP) utilisent du titanate de baryum, tandis que les thermistances à coefficient de température négatif (CTN) utilisent une spinelle cubique de manganèse-nickel-cobalt. Quelle propriété ces matériaux possèdent-ils qui les rend si utiles ? Ces matériaux permettent une variation stable et reproductible de la résistance en fonction de la température, due au déplacement des électrons entre des niveaux d’énergie et à leur interaction avec les vibrations de la structure du réseau cristallin. En ce qui concerne la stabilité thermique, la technique d’étanchéité utilisée est très importante. Les scellés en verre empêchent la dégradation thermique des éléments aux environs de 200 degrés Celsius et empêchent toute pénétration d’oxygène ou d’eau. Toutefois, lorsque les températures dépassent 300 degrés, des enveloppes métalliques (dans ce cas, en acier inoxydable ou en Inconel) deviennent nécessaires. Ces métaux présentent une stabilité structurelle face aux cycles thermiques rapides, aux chocs mécaniques et à la corrosion agressive. Bien que ces couvertures métalliques soient conductrices de la chaleur, elles permettent tout de même au capteur qu’elles renferment de réagir à la température ambiante, ce qui assure la réponse thermique du capteur.
Lors de la conception d’un système, l’un des aspects les plus importants consiste à optimiser les coefficients de dilatation thermique du matériau d’encapsulation et des composants céramiques afin d’éviter l’apparition de fissures à l’interface. En outre, des couches barrières contre l’oxygène adéquates ainsi qu’une porosité spécifique durant le frittage, permettant de résister aux contraintes thermiques, sont essentielles au bon fonctionnement du système. Ces conceptions sont préférables, si possible, lorsqu’elles sont associées à des électrodes en platine passivées, car la stabilité du contact et la protection contre l’oxydation améliorent les performances thermiques du système. Lors des essais sur le terrain, ces conceptions se sont révélées stables, avec une dérive inférieure à 0,5 % au cours d’un fonctionnement continu de 1 000 heures à 300 °C, et les temps de réponse ont été inférieurs à 2 secondes dans la plupart des cas. La fiabilité des matériaux intégrés dans ces systèmes permet leur utilisation dans des environnements extrêmes qui ne sont pas accessibles aux capteurs conventionnels en silicium, tels que l’intérieur des turbines de moteurs à réaction ou dans de l’aluminium en fusion, où les capteurs traditionnels échouent.
Résistance maximale à la température : limites des thermistances à haute température NTC par rapport aux thermistances PTC
Thermistances NTC : limites supérieures pratiques (jusqu’à +300 °C) et recommandations de déclassement
Les thermistances NTC destinées à des usages spécialisés doivent pouvoir atteindre des températures d’environ 300 °C avant que des problèmes ne commencent à apparaître. Ces problèmes comprennent notamment l’oxydation irréversible des oxydes métalliques et l’appauvrissement des joints de grains dû à une augmentation des taux d’évaporation. Au-delà de ~150 °C, le risque de déstabilisation thermique augmente fortement, et la puissance globale doit être réduite. À 250 °C, la dissipation de puissance doit être réduite de 40 à 60 % par rapport à celle à température ambiante afin de limiter les erreurs dues à l’auto-échauffage ainsi que les variations liées à la résistance. Les composants dont la résistance à 25 °C se situe dans la plage élevée d’au moins 100 kΩ présentent généralement de meilleures performances à des températures élevées. Ce comportement constitue un défi pour les ingénieurs, qui doivent généralement concevoir des techniques de commande non linéaires spécialisées afin de réguler avec précision des systèmes à moins d’un degré Celsius, comme les systèmes de commande moteur ou les systèmes de rétroaction pour fours industriels. Parmi ces techniques figurent, par exemple, des corrections d’ordre trois de l’équation de Steinhart-Hart.
Les thermistances PTC à base de titanate de baryum standard présentent une augmentation brutale de leur résistance à leur température de Curie, qui se situe entre 60 et 120 \textsuperscript{o}C. En raison de cette variation abrupte de la résistance, ces modèles ne peuvent pas être utilisés dans des applications de détection linéaire au-delà de cette plage de températures. Toutefois, pour les applications aérospatiales et industrielles, les fabricants conçoivent des versions spéciales de ces thermistances, auxquelles ils incorporent des additifs spécifiques tels que le plomb, le strontium ou divers oxydes de terres rares dans les structures céramiques polycristallines. Ces modifications permettent d’élever le point de Curie et d’améliorer la fiabilité et la reproductibilité de ces composants, afin qu’ils puissent fonctionner dans des plages de température supérieures à 200 \textsuperscript{o}C. À 205 \textsuperscript{o}C, ces thermistances ont montré une variation de leur résistance allant d’environ 1 kΩ à plus de 500 kΩ en moins de 3 secondes, ce qui s’avère de plus en plus avantageux pour des applications nécessitant une réponse rapide, telles que les systèmes de coupure de sécurité dans les batteries ou les systèmes de distribution d’énergie dans le secteur aérospatial. Ces matériaux conservent également un comportement d’hystérésis, et des essais ont démontré qu’ils peuvent subir des cycles répétés des milliers de fois sans défaillance, conformément aux normes IEC 60738-1 et MIL-STD-202G.
Problèmes liés à la précision et à la fiabilité à des températures élevées
Problèmes incluant la dérive du coefficient bêta, la dérive de l’étalonnage et la non-linéarité lors de l’utilisation de thermistances haute température
Les températures élevées, généralement supérieures à deux cents degrés Celsius, posent plusieurs problèmes en ce qui concerne la mesure précise des données. Trois de ces problèmes sont la dérive bêta, la dérive de l’étalonnage et l’augmentation de la non-linéarité. Un problème particulier lié à la dérive bêta concerne la modification des structures internes d’un matériau. Entre environ deux cents et trois cents degrés Celsius, la structure interne d’un matériau devient stabilisée ; toutefois, si les modifications de cette structure interne se relâchent, la résistance peut dériver d’environ cinq pour cent par an. Ainsi, même après avoir étalonné un dispositif en usine, cet étalonnage devient obsolète en raison des variations de résistance causées par la dérive bêta. Les problèmes de dérive de l’étalonnage sont aggravés par les cycles industriels de chauffage et de refroidissement. Il n’est pas rare qu’une usine doive étalonner ses équipements une fois tous les six mois afin de maintenir le processus de production. En outre, au-delà de trois cents degrés Celsius, la réponse d’un dispositif devient très imprévisible, entraînant des écarts croissants entre la réalité physique et la valeur affichée par le dispositif. Les situations nécessitant un ajustement et un aplatissement de la courbe deviennent extrêmement rares dans les environnements à haute température. Par exemple, dans le volume 2021 de la revue Sensors and Actuators A, plusieurs thermistances inadéquatement ajustées utilisées dans des fours de fabrication de semi-conducteurs ont présenté des erreurs totales comprises entre 2 et 8 pour cent. Cette marge d’erreur dépasse même la tolérance stricte de ± 1 degré imposée pour le contrôle thermique.
Une technique réelle, à la fois matérielle et logicielle, est nécessaire pour l’atténuation. Des matériaux céramiques composés de Mn-Ni-Co stabilisé et présentant une mobilité réduite de l’oxygène ont été mis en œuvre au niveau du matériel. Le logiciel établit un système de commande en temps réel qui utilise des algorithmes adaptatifs embarqués, entraînés sur des profils de vieillissement accéléré. En conséquence, l’appareil présente des variations de courbure et de décalage qui sont corrigées dynamiquement, conduisant finalement à une incertitude de mesure conforme à
la spécification de <% 0,3 °C à 300 °C.
Comment choisir le meilleur thermistor haute température adapté à vos besoins
Pour choisir le meilleur thermistor haute température pour votre application, vous devez prendre en compte cinq critères interdépendants ainsi que les limites physiques et opérationnelles de votre système :
Plage de température de fonctionnement : assurez-vous que la température maximale nominale dépasse la température maximale du procédé d’au moins 25 à 50 °C. Par exemple, pour des applications à +250 °C, un dispositif homologué à +300 °C constituerait un bon choix, compte tenu de l’auto-échauffage et des pics transitoires.
Stabilité de la résistance : Pour obtenir les meilleurs résultats, choisissez des composants dont la dérive à long terme, à la température cible spécifiée, est inférieure ou égale à 1 % (conformément à l’annexe D de la norme IEC 60738-1). Évitez les mentions imprécises telles que « haute température ».
Résilience environnementale : Assurez-vous que le matériau d’encapsulation choisi pour votre thermistor correspond à l’environnement prévu. Par exemple, privilégiez l’étanchéité verre dans les environnements secs et oxydants, et l’encapsulation métallique (par exemple en Inconel 600 ou en acier inoxydable 316) dans les environnements humides, sulfurés ou exposés à des sels fondus à une température supérieure à 300 °C.
Dynamique de réponse : Sélectionnez des constantes de temps thermiques inférieures à 30 secondes pour le zonage des fours et inférieures à 3 secondes pour la surveillance de la combustion, ainsi qu’une constante de temps thermique inférieure ou égale à la vitesse de votre boucle de régulation.
Limitations physiques : Vérifiez que les dimensions conviennent et que le mode de fixation est compatible (par exemple, filetée, à bride ou montage en surface), et que la classe d’isolation de la gaine des conducteurs (par exemple, remplissage en oxyde de magnésium [MgO], revêtement en téflon®) respecte vos tolérances d’assemblage ainsi que les interférences électromagnétiques (IEM) liées à la gaine des conducteurs.
Il est essentiel de vérifier la distance entre les données fournies par le fabricant dans ses fiches techniques et les rapports d’essais indépendants non liés aux valeurs nominales, concernant les performances des essais effectués à température ambiante. Cette vérification est particulièrement importante pour les performances liées aux cycles thermiques, aux vibrations et aux agents chimiques, conformément à la norme MIL-STD-810H. Le choix approprié doit intégrer à la fois les performances du système et les principes fondamentaux de la physique ainsi que la fiabilité.
FAQ
À quoi servent les thermistances haute température ?
Les thermistances à haute température sont principalement utilisées pour la surveillance et le contrôle de la température dans des environnements très exigeants. On les retrouve notamment dans les turbines de moteurs d’avion et dans les bains d’aluminium en fusion. Elles sont également employées dans la fabrication de semi-conducteurs, où les capteurs traditionnels ne seraient pas viables.
Quelles sont les différences entre les applications des thermistances NTC et PTC ?
Dans la plupart des cas, les thermistances NTC sont privilégiées dans les domaines où les températures peuvent atteindre jusqu’à 300 degrés Celsius, en raison de leurs caractéristiques thermiquement stables. En revanche, les thermistances PTC sont utilisées dans des domaines où, à haute température, la résistance augmente de façon importante et rapide, comme c’est le cas dans les mécanismes de coupure de sécurité du système de batterie des véhicules électriques (EV).
Quels sont les principaux obstacles à l’utilisation des thermistances à haute température ?
Les thermistances très élevées présentent un certain nombre de défis très sérieux, parmi lesquels figurent des difficultés de calibration, une hétérodynie du temps de réponse et une perte de linéarité de la réponse. Avec le temps, les mesures ne restent pas fiables.
Quelles sont les méthodes permettant d’améliorer la précision des thermistances à haute température ?
Pour améliorer la précision des thermistances à haute température, il convient d’utiliser des conceptions intégrant des circuits « muets », un contrôle en temps réel associé à des algorithmes adaptatifs, ainsi que des matériaux stables permettant de réduire la mobilité de l’oxygène.
