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La scienza dei materiali utilizzati nei termistori ad alta temperatura
Stabilità termica degli ossidi ceramici, del corpo in vetro e delle custodie metalliche
I termistori resistenti al calore utilizzano ossidi specifici di materiali ceramici. Tipicamente, i termistori con coefficiente di temperatura positivo (PTC) impiegano il titanato di bario, mentre i termistori con coefficiente di temperatura negativo (NTC) utilizzano la spinella cubica di manganese-nichel-cobalto. Quale proprietà possiedono questi materiali che li rende così utili? Tali materiali consentono una variazione stabile e ripetibile della resistenza in funzione della temperatura, dovuta al movimento degli elettroni tra diversi livelli energetici e alle loro interazioni con le vibrazioni della struttura reticolare. Per quanto riguarda la stabilità termica, la tecnica di sigillatura adottata è estremamente importante. I sigilli in vetro prevengono la distruzione termica degli elementi a temperature intorno ai 200 gradi Celsius e impediscono l’ingresso di ossigeno e acqua. Tuttavia, quando le temperature superano i 300 gradi, sono necessari involucri metallici (in questo caso in acciaio inossidabile o Inconel). Questi metalli presentano stabilità strutturale nei confronti di cicli termici rapidi, sollecitazioni meccaniche e corrosione aggressiva. Benché tali coperture metalliche siano conduttive dal punto di vista termico, consentono comunque al sensore racchiuso di rispondere alla temperatura circostante, permettendo quindi la risposta termica del sensore.
Nella progettazione di un sistema, uno degli aspetti più importanti è l’ottimizzazione dei coefficienti di espansione termica del materiale di incapsulamento e dei componenti ceramici, in modo da evitare la formazione di crepe all’interfaccia. Inoltre, strati barriera all’ossigeno adeguati e un preciso intervallo di porosità durante la sinterizzazione, necessario per resistere alle sollecitazioni termiche, sono essenziali per il funzionamento del sistema. Queste soluzioni progettuali sono preferibili, ove possibile, in combinazione con elettrodi in platino passivati, poiché la stabilità del contatto e la protezione contro l’ossidazione migliorano le prestazioni termiche del sistema. Nei test sul campo, queste configurazioni hanno dimostrato di mantenere una stabilità con una deriva inferiore allo 0,5% durante un funzionamento continuo di 1000 ore a 300 °C; inoltre, i tempi di risposta sono stati inferiori a 2 secondi nella maggior parte dei casi. L’affidabilità dei materiali integrati in questi sistemi consente il loro impiego in ambienti estremi in cui i sensori convenzionali al silicio non sono utilizzabili, ad esempio all’interno delle turbine dei motori a reazione o nell’alluminio fuso, dove i sensori tradizionali vengono danneggiati.
Resistenza massima alla temperatura: confronto tra limiti dei termistori ad alta temperatura NTC e PTC
Termistori NTC: limiti pratici superiori (fino a +300 °C) e linee guida per la derating
I termistori NTC per usi specializzati dovrebbero essere in grado di raggiungere temperature fino a circa 300 °C prima che inizino a verificarsi problemi. Tra questi figurano, ad esempio, l’ossidazione irreversibile negli ossidi metallici e l’esaurimento dei bordi di grano a causa dell’aumento dei tassi di evaporazione. Al di sopra di circa 150 °C, il rischio di runaway termico aumenta notevolmente e la potenza complessiva deve essere ridotta. A 250 °C, la dissipazione di potenza deve essere ridotta del 40–60 % rispetto a quella a temperatura ambiente, al fine di limitare gli errori dovuti all’autoriscaldamento e le variazioni della resistenza. I componenti che presentano, a 25 °C, una resistenza elevata pari ad almeno 100 kΩ generalmente offrono prestazioni migliori a temperature elevate. Questo comportamento rappresenta una sfida per gli ingegneri, i quali devono spesso sviluppare tecniche di controllo non lineari specializzate per regolare con precisione sistemi entro un margine inferiore a un grado Celsius, come nei sistemi di controllo motore o nei sistemi di retroazione per forni industriali. Tra queste tecniche rientrano, ad esempio, correzioni di terzo ordine all’equazione di Steinhart-Hart.
I termistori PTC standard a titanato di bario presentano un brusco aumento della resistenza alla loro temperatura di Curie, compresa tra 60 e 120 \textsuperscript{o}C. A causa di questo repentino cambiamento di resistenza, questi modelli non possono essere utilizzati in applicazioni di rilevamento lineare al di sopra di tale intervallo di temperatura. Tuttavia, per applicazioni aerospaziali e industriali, i produttori realizzano versioni speciali di tali termistori, incorporando nella struttura ceramica policristallina specifici additivi come piombo, stronzio o vari ossidi di terre rare. Queste modifiche consentono di innalzare il punto di Curie e di migliorare l'affidabilità e la ripetibilità di tali dispositivi, rendendoli idonei all'impiego in intervalli di temperatura superiori a 200\textsuperscript{o}C. A 205\textsuperscript{o}C, tali termistori hanno dimostrato di variare la propria resistenza da circa 1 kΩ a oltre 500 kΩ in meno di 3 secondi, caratteristica sempre più vantaggiosa per applicazioni che richiedono una rapida risposta, quali i sistemi di interruzione di sicurezza nei pacchi batteria e nei sistemi di distribuzione dell’energia nel settore aerospaziale. Questi materiali conservano inoltre l’isteresi e i test hanno dimostrato che possono essere sottoposti a migliaia di cicli ripetuti senza guasti, conformemente alle norme IEC 60738-1 e MIL-STD-202G.
Problemi relativi alla precisione e all'affidabilità a temperature elevate
Problemi quali la deriva del coefficiente beta, la deriva della calibrazione e la non linearità durante il funzionamento di termistori ad alta temperatura
Temperature elevate, tipicamente superiori a duecento gradi Celsius, generano diversi problemi relativi alla misurazione accurata dei dati. Tra questi problemi ve ne sono tre in particolare: deriva del coefficiente beta, deriva della calibrazione e aumento della non linearità. Un particolare problema di deriva del coefficiente beta riguarda il cambiamento delle strutture interne di un materiale. Tra circa duecento e trecento gradi Celsius, la struttura interna di un materiale diventa stabilizzata; tuttavia, se le variazioni della struttura interna si rilassano, la resistenza può subire una deriva di circa il cinque percento all’anno. Di conseguenza, anche dopo aver calibrato un dispositivo in fabbrica, tale calibrazione diventa obsoleta a causa delle variazioni della resistenza indotte dalla deriva del coefficiente beta. I problemi di deriva della calibrazione sono aggravati dai cicli industriali di riscaldamento e raffreddamento. Non è infrequente che una fabbrica debba calibrare i propri strumenti ogni sei mesi per poter proseguire il processo produttivo. Inoltre, oltre i trecento gradi Celsius, la risposta di un dispositivo diventa estremamente imprevedibile, determinando scostamenti sempre maggiori tra il valore effettivo e la lettura fornita dal dispositivo. Le situazioni in cui risulti necessario correggere e linearizzare una curva diventano estremamente rare negli ambienti ad alta temperatura. Ad esempio, nel volume 2021 della rivista "Sensors and Actuators A", diversi termistori non adeguatamente corretti impiegati nei forni per la produzione di semiconduttori hanno mostrato errori complessivi compresi tra il 2 e l’8 percento. Tale valore è persino superiore al vincolo di ±1 grado, rigorosamente applicato per il controllo termico.
È necessaria una vera tecnica duale, sia hardware che software, per l'attenuazione. A livello hardware sono stati utilizzati materiali ceramici costituiti da Mn-Ni-Co stabilizzato e con mobilità dell'ossigeno ridotta. A livello software è stato implementato un sistema di controllo in tempo reale che utilizza algoritmi adattivi integrati, addestrati su modelli di invecchiamento accelerato. Di conseguenza, il dispositivo mostra variazioni di curvatura e di offset che vengono corrette dinamicamente, ottenendo infine un’incertezza di misura conforme a
la specifica di < 0,3 °C a 300 °C.
Come scegliere il termistore ad alta temperatura più adatto alle proprie esigenze
Per scegliere il termistore ad alta temperatura più adatto alla propria applicazione, occorre prendere in considerazione cinque criteri interconnessi, nonché i limiti fisici e operativi del proprio sistema:
Intervallo di temperatura di funzionamento: assicurarsi che la temperatura massima nominale superi la temperatura di processo massima di almeno 25–50 °C. Ad esempio, per applicazioni a +250 °C, un dispositivo con temperatura massima nominale di +300 °C rappresenterebbe una scelta adeguata, tenendo conto del riscaldamento autoindotto e degli sbalzi transitori.
Stabilità della resistenza: Per ottenere i migliori risultati, scegliere componenti che specificano una deriva a lungo termine alla temperatura di riferimento ≤ 1% (secondo l’Allegato D della norma IEC 60738-1). Evitare affermazioni generiche come «alta temperatura».
Resistenza ambientale: Assicurarsi che il materiale di incapsulamento scelto per il termistore sia adatto all’ambiente previsto. Ad esempio, utilizzare la sigillatura in vetro per ambienti asciutti e ossidanti, e l’incapsulamento metallico (ad es. Inconel 600 o acciaio inossidabile 316) per ambienti umidi, solfidanti o con sali fusi a temperature superiori a 300 °C.
Dinamica di risposta: Selezionare costanti di tempo termiche inferiori a 30 secondi per la suddivisione in zone dei forni e inferiori a 3 secondi per il monitoraggio della combustione, nonché costanti di tempo termiche inferiori o uguali a 3 secondi rispetto alla velocità del ciclo di controllo.
Limitazioni fisiche: Verificare che le dimensioni siano compatibili e che il tipo di fissaggio sia adeguato (ad es. filettato, a flangia, a montaggio superficiale) e che la classe di isolamento del cavo di collegamento (ad es. riempito con MgO, rivestito in Teflon®) soddisfi le tolleranze di assemblaggio e le interferenze elettromagnetiche (EMI) relative al cavo di collegamento.
È fondamentale verificare la distanza tra i dati forniti dal produttore nelle schede tecniche e le relazioni di test indipendenti non correlati alle classi di prestazione, per valutare il comportamento del prodotto a temperatura ambiente. Ciò risulta particolarmente importante per le prestazioni legate ai cicli termici, alle vibrazioni e all’esposizione a sostanze chimiche, conformemente allo standard MIL-STD-810H. La scelta corretta deve integrare le prestazioni del sistema con i principi fondamentali della fisica e dell'affidabilità.
Domande frequenti
A cosa servono i termistori ad alta temperatura?
I termistori ad alta temperatura sono utilizzati principalmente per il monitoraggio e il controllo della temperatura in ambienti particolarmente esigenti. Si trovano, ad esempio, nelle turbine dei motori a reazione e nei bagni di alluminio fuso. I termistori ad alta temperatura sono inoltre impiegati nella produzione di semiconduttori, dove i sensori tradizionali non sarebbero praticabili.
Quali sono le differenze nelle applicazioni dei termistori NTC e PTC?
Nella maggior parte dei casi, i termistori NTC sono preferiti in ambiti in cui le temperature possono raggiungere fino a 300 gradi Celsius, grazie alle loro caratteristiche termicamente stabili. I termistori PTC, invece, vengono utilizzati in contesti in cui, a elevate temperature, si verificano aumenti significativi e rapidi della resistenza, come avviene, ad esempio, nei meccanismi di interruzione di sicurezza del sistema batteria dei veicoli elettrici.
Quali sono gli ostacoli principali all’impiego dei termistori ad alta temperatura?
I termistori con resistenza piuttosto elevata presentano numerose sfide molto serie, tra cui difficoltà nella taratura, eterodinazione del tempo di risposta e perdita di linearità nella risposta. Nel tempo, le misurazioni non mantengono la loro accuratezza.
Quali sono i metodi per migliorare la precisione dei termistori ad alta temperatura?
Per migliorare la precisione dei termistori ad alta temperatura, è necessario utilizzare progettazioni con circuiti passivi, controllo in tempo reale con algoritmi adattivi e materiali stabili, che riducono la mobilità dell’ossigeno.
