EN
De wetenschap van de materialen die worden gebruikt in thermistors voor hoge temperaturen
Thermische stabiliteit van keramische oxiden, glaslichaam en metalen omhulsels
Hittebestendige thermistors maken gebruik van specifieke oxiden van keramische materialen. Gewoonlijk gebruiken positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC)-thermistors bariumtitaniet, terwijl negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC)-thermistors kubieke mangaan-nikkel-kobalt-spinel gebruiken. Welke eigenschap bezitten deze materialen waardoor ze zo nuttig zijn? De materialen laten een stabiele en reproduceerbare weerstandsverandering bij temperatuurverandering toe, veroorzaakt door elektronen die tussen energieniveaus bewegen en interageren met trillingen in de roosterstructuur. Wat betreft thermische stabiliteit is de gebruikte afdichttechniek zeer belangrijk. Glasafdichtingen voorkomen thermische beschadiging van de elementen bij temperaturen rond de 200 graden Celsius en zorgen ervoor dat er geen zuurstof of vocht binnendringt. Bij temperaturen boven de 300 graden zijn echter metalen behuizingen (in dit geval van roestvrij staal of Inconel) noodzakelijk. Deze metalen zijn structureel stabiel tegen snelle thermische cycli, mechanische belasting en agressieve corrosie. Hoewel deze metalen behuizingen thermisch geleidend zijn, laten ze de ingekapselde sensor wel reageren op de omgevingstemperatuur, waardoor de thermische responsiviteit van de sensor wordt gewaarborgd.
Bij het ontwerpen van een systeem is een van de belangrijkste aspecten de optimalisatie van de coëfficiënten van thermische uitzetting voor het insluitingsmateriaal en de keramische componenten, zodat barsten aan de interface worden voorkomen. Daarnaast zijn geschikte zuurstofbarrièrelagen en een specifiek porositeitsbereik tijdens het sinteren om thermische spanningen te weerstaan essentieel voor het systeem. Deze ontwerpen zijn, indien mogelijk, bij voorkeur gecombineerd met gepassiveerde platina-elektroden, aangezien de contactstabiliteit en oxidatiebescherming de thermische prestaties van het systeem verbeteren. Bij veldtests is aangetoond dat deze ontwerpen stabiliteit behouden met een drift van minder dan 0,5% tijdens continu bedrijf gedurende 1000 uur bij 300 °C, en de reactietijden bedroegen in de meeste gevallen minder dan 2 seconden. De betrouwbaarheid van de geïntegreerde materialen in deze systemen maakt bedrijf mogelijk in extreme omgevingen waar conventionele siliciumsensoren niet kunnen functioneren, zoals binnen straaljetturbines of in gesmolten aluminium, waar traditionele sensoren falen.
Maximale temperatuurbestendigheid: NTC versus PTC thermistoren met hoge temperatuurgrenzen
NTC-thermistoren: praktische bovengrenzen (tot +300 °C) en richtlijnen voor verminderde belasting
NTC-thermistors voor niche-toepassingen moeten in staat zijn om tot ongeveer 300 °C te werken voordat problemen gaan optreden. Problemen omvatten onder andere onomkeerbare oxidatie in metaaloxiden en uitputting van korrelgrenzen als gevolg van een verhoogde verdampingsnelheid. Boven ongeveer 150 °C neemt het risico op thermische doorloop sterk toe, waardoor het vermogen algemeen moet worden verlaagd. Bij 250 °C moet het vermogensverbruik met 40 tot 60 % worden verlaagd ten opzichte van kamertemperatuur om zelfverwarmingseffecten en weerstandsgerelateerde veranderingen te beperken. Componenten die bij 25 °C in het hoge-weerstandsgebied van minstens 100 kΩ liggen, presteren over het algemeen beter bij verhoogde temperaturen. Dit gedrag vormt een uitdaging voor ingenieurs, omdat zij doorgaans gespecialiseerde niet-lineaire regeltechnieken moeten ontwikkelen om systemen nauwkeurig te regelen binnen een bereik van minder dan één graad Celsius, zoals motorregelingen of terugkoppelingssystemen voor industriële ovens. Dergelijke technieken omvatten bijvoorbeeld correcties van de derde orde op de Steinhart-Hart-vergelijking.
Standaard bariumtitanium-PTC-thermistoren tonen een scherpe stijging van de weerstand bij hun Curie-temperatuur, die ligt tussen 60 en 120 °C. Vanwege deze plotselinge weerstandsverandering kunnen deze modellen niet worden gebruikt in lineaire meettoepassingen boven dit temperatuurbereik. Voor lucht- en ruimtevaart- en industriële toepassingen ontwikkelen fabrikanten echter speciale versies van deze thermistoren, waarbij specifieke toevoegingen zoals lood, strontium of diverse zeldzame aardoxiden worden geïntegreerd in de veelkristallijne keramische structuren. Deze wijzigingen kunnen het Curie-punt verhogen en de betrouwbaarheid en consistentie van deze componenten verbeteren, zodat ze geschikt zijn voor gebruik bij temperatuurbereiken boven de 200 °C. Bij 205 °C is aangetoond dat dergelijke thermistoren hun weerstand in minder dan 3 seconden kunnen veranderen van ongeveer 1 kΩ naar meer dan 500 kΩ, wat steeds voordeliger is voor snelle-reactietoepassingen zoals veiligheidsafsluitingssystemen in accupakketten en stroomverdelingssystemen in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Deze materialen behouden ook hysteresis, en tests hebben aangetoond dat ze duizenden malen herhaaldelijk kunnen worden gecycled zonder uitval, conform de normen IEC 60738-1 en MIL-STD-202G.
Problemen met betrekking tot precisie en betrouwbaarheid bij hogere temperaturen
Problemen zoals bètadrijf, kalibratiedrijf en niet-lineariteit tijdens het gebruik van thermistors voor hoge temperaturen
Hoge temperaturen, meestal hoger dan tweehonderd graden Celsius, veroorzaken een aantal problemen met betrekking tot nauwkeurige gegevensmeting. Drie van deze problemen zijn bètadrijf, kalibratiedrijf en toenemende niet-lineariteit. Een specifiek probleem met betrekking tot bètadrijf betreft veranderingen in de interne structuur van een materiaal. Van ongeveer tweehonderd tot driehonderd graden Celsius wordt de interne structuur van een materiaal gestabiliseerd; als echter veranderingen in de interne structuur zich ontspannen, kan de weerstand ongeveer vijf procent per jaar afwijken. Daardoor wordt, zelfs nadat een apparaat in een fabriek is gekalibreerd, de kalibratie binnen korte tijd verouderd door weerstandsveranderingen ten gevolge van bètadrijf. Kalibratiedrijfproblemen worden verergerd door industriële verwarmings- en koelcycli. Het is niet ongebruikelijk dat een fabriek haar apparatuur om de zes maanden opnieuw moet kalibreren om het productieproces voort te kunnen zetten. Bovendien wordt de respons van een apparaat boven driehonderd graden Celsius zeer onvoorspelbaar, wat leidt tot steeds grotere discrepanties tussen wat er daadwerkelijk gebeurt en wat het apparaat aangeeft. Situaties waarin een curve moet worden aangepast en geëgaliseerd, worden uiterst zeldzaam in hoge-temperatuur-omgevingen. Bijvoorbeeld in het 2021-nummer van het tijdschrift Sensors and Actuators A bleken diverse onvoldoende afgestelde thermistors in halfgeleiderproductiefurnaces totale fouten te vertonen van 2 tot 8 procent. Dit is zelfs groter dan de strikt afgedwongen tolerantie van ±1 graad voor temperatuurregeling.
Een echte tweevoudige techniek op hardware- en softwaregebied is noodzakelijk voor verlichting. Voor de hardware werden keramische materialen gebruikt die bestaan uit gestabiliseerd Mn-Ni-Co en een verlaagde zuurstofmobiliteit. De software stelt een real-time regelsysteem op dat ingebedde adaptieve algoritmes gebruikt, getraind op versnelde verouderingspatronen. Als gevolg hiervan vertoont het apparaat krommings- en offsetveranderingen die dynamisch worden gecorrigeerd en leiden tot een meetonzekerheid die voldoet aan
de norm van <% 0,3 °C bij 300 °C.
Hoe u de beste hoogtemperatuurthermistor voor uw behoeften kiest
Om de beste hoogtemperatuurthermistor voor uw toepassing te kiezen, moet u vijf onderling samenhangende criteria en de fysieke en operationele beperkingen van uw systeem in overweging nemen:
Werktemperatuurbereik: Zorg ervoor dat de gecertificeerde maximale temperatuur ten minste 25–50 °C hoger ligt dan de piekprocestemperatuur. Bijvoorbeeld voor toepassingen bij +250 °C is een apparaat met een rating van +300 °C een goede keuze, rekening houdend met zelfverwarming en transiënte pieken.
Weerstandsstabiliteit: Voor optimale resultaten kiest u componenten waarbij een langdurige, doeltemperatuur en een drift van ≤ 1% is opgegeven (volgens IEC 60738-1, bijlage D). Vermijd onspecifieke beweringen zoals 'hoge temperatuur'.
Milieuvestigheid: Zorg ervoor dat het insluitmateriaal dat u kiest voor uw thermistor geschikt is voor de verwachte omgeving. Kies bijvoorbeeld glasafdichting voor droge en oxiderende omgevingen, en metalen insluiting (bijv. Inconel 600 of RVS316) voor vochtige, sulfiderende of smeltzoutomgevingen boven 300 °C.
Responsdynamiek: Kies thermische tijdconstanten die korter zijn dan 30 seconden voor ovenzonering en korter dan 3 seconden voor brandingsbewaking, en korter dan 3 seconden voor thermische tijdconstanten die gelijk zijn aan of kleiner zijn dan de snelheid van uw regelkring.
Fysieke beperkingen: Controleer of de afmetingen passen en of de montagevorm geschikt is (bijv. met schroefdraad, flensmontage of oppervlaktemontage) en of de isolatieklasse van de aansluitdraden (bijv. MgO-gevuld, Teflon®-gelaagd) voldoet aan uw assemblagetoleranties en elektromagnetische interferentie (EMI) met betrekking tot de isolatieklasse van de aansluitdraden (bijv. MgO-gevuld, Teflon®-gelaagd), die voldoet aan assemblagetoleranties en elektromagnetische interferentie (EMI) met betrekking tot de isolatieklasse van de aansluitdraden (bijv. MgO-gevuld, Teflon®-gelaagd), die voldoet aan assemblagetoleranties en elektromagnetische interferentie (EMI) met betrekking tot de aansluitdraden.
Het is belangrijk om de afstand te verifiëren tussen de gegevens uit de fabrikantenspecificaties en rapporten van onafhankelijke tests die niet gerelateerd zijn aan de nominale waarden voor de prestaties van de test onder omgevingstemperatuur. Dit is vooral belangrijk voor prestaties met betrekking tot thermische cycli, trillingen en chemische invloeden, conform MIL-STD-810H. De juiste keuze moet de prestaties van het systeem integreren met de eenvoudige feiten van de natuurkunde en betrouwbaarheid.
Veelgestelde vragen
Waar worden hoogtemperatuurthermistoren voor gebruikt?
Hogespanningsthermistors worden voornamelijk gebruikt voor het bewaken en regelen van temperatuur in zeer veeleisende omgevingen. Ze komen voor in straaljetturbines en baden met gesmolten aluminium. Hogespanningsthermistors worden ook gebruikt bij de productie van halfgeleiders, waar traditionele sensoren niet haalbaar zouden zijn.
Wat zijn de verschillen in de toepassingen van NTC- en PTC-thermistors?
In het algemeen worden NTC-thermistors verkozen voor gebruik in gebieden waar temperaturen tot 300 graden Celsius kunnen bereiken, vanwege hun thermisch stabiele eigenschappen. PTC-thermistors daarentegen worden gebruikt in gebieden waarbij bij hoge temperaturen een aanzienlijke en snelle stijging van de weerstand optreedt, zoals bij de veiligheidsafsluitmechanismen in het batterijsysteem van elektrische voertuigen.
Wat zijn de belangrijkste belemmeringen voor het gebruik van hogespanningsthermistors?
Thermistoren met een vrij hoge temperatuur hebben een aantal zeer ernstige uitdagingen, waaronder moeilijkheden bij de kalibratie, heterodyning van de reactietijd en verlies van lineariteit in de respons. Na verloop van tijd blijven de metingen niet meer accuraat.
Wat zijn de methoden om de nauwkeurigheid van thermistoren voor hoge temperaturen te verbeteren?
Om de nauwkeurigheid van thermistoren voor hoge temperaturen te verbeteren, worden ontwerpen gebruikt met domme circuits, real-time regeling met adaptieve algoritmes en stabiele materialen die leiden tot een verminderde mobiliteit van zuurstof.
