EN
A Ciência dos Materiais Utilizados em Termistores de Alta Temperatura
Estabilidade Térmica de Óxidos Cerâmicos, Corpo de Vidro e Revestimentos Metálicos
Os termistores resistentes ao calor utilizam óxidos específicos de materiais cerâmicos. Normalmente, os termistores com coeficiente de temperatura positivo (PTC) empregam titanato de bário, enquanto os termistores com coeficiente de temperatura negativo (NTC) utilizam espinélio cúbico de manganês-níquel-cobalto. Qual propriedade esses materiais possuem que os torna tão úteis? Esses materiais permitem uma variação estável e repetível da resistência em função da temperatura, devido ao movimento de elétrons entre estados de energia e à sua interação com as vibrações da estrutura cristalina. Em termos de estabilidade térmica, a técnica de vedação utilizada é muito importante. Vedação com vidro impede a destruição térmica dos elementos a temperaturas próximas de 200 graus Celsius e evita a entrada de oxigênio e água. Contudo, quando as temperaturas ultrapassam 300 graus, são necessários invólucros metálicos (neste caso, de aço inoxidável ou Inconel). Esses metais apresentam estabilidade estrutural frente a ciclos térmicos rápidos, agressões mecânicas e corrosão agressiva. Embora esses revestimentos metálicos sejam termicamente condutores, eles ainda permitem que o sensor encapsulado responda à temperatura ambiente, possibilitando assim a resposta térmica do sensor.
Ao projetar um sistema, um dos aspectos mais importantes é a otimização dos coeficientes de expansão térmica do material de encapsulamento e dos componentes cerâmicos, de modo a evitar fissuras na interface. Além disso, camadas adequadas de barreira ao oxigênio e uma faixa específica de porosidade durante a sinterização — capazes de suportar tensões térmicas — são essenciais para o sistema. Esses projetos são preferíveis, sempre que possível, em combinação com eletrodos de platina passivados, pois a estabilidade de contato e a proteção contra oxidação melhoram o desempenho térmico do sistema. Em testes de campo, esses projetos demonstraram manter estabilidade com deriva inferior a 0,5% durante operação contínua por 1000 horas a 300 °C, e os tempos de resposta foram inferiores a 2 segundos na maioria dos casos. A confiabilidade dos materiais integrados nesses sistemas permite sua operação em ambientes severos nos quais sensores convencionais de silício não conseguem funcionar, como no interior de turbinas de motores a jato ou em alumínio fundido, onde sensores tradicionais falham.
Resistência Máxima à Temperatura: Limites do Termistor de Alta Temperatura NTC vs PTC
Termistores NTC: Limites Superiores Práticos (até +300 °C) e Diretrizes de Redução de Carga
Os termistores NTC para usos especializados devem ser capazes de atingir temperaturas de até cerca de 300 °C antes que comecem a ocorrer problemas. Entre esses problemas estão, por exemplo, a oxidação irreversível em óxidos metálicos e o esgotamento dos limites de grão devido ao aumento das taxas de evaporação. Acima de aproximadamente 150 °C, o risco de runaway térmico aumenta significativamente, sendo necessário reduzir globalmente a potência fornecida. A 250 °C, a dissipação de potência deve ser reduzida entre 40 % e 60 % em comparação com a temperatura ambiente, a fim de limitar os erros causados pelo aquecimento próprio e as variações decorrentes da mudança de resistência. Componentes que apresentam uma resistência elevada — de pelo menos 100 kΩ a 25 °C — geralmente apresentam um desempenho melhor em temperaturas elevadas. Esse comportamento representa um desafio para engenheiros, pois normalmente é necessário desenvolver técnicas especializadas de controle não linear para regular com precisão sistemas com tolerância inferior a um grau Celsius, como controles de motores ou sistemas de retroalimentação para fornos industriais. Essas técnicas incluem, por exemplo, correções de terceira ordem na equação de Steinhart-Hart.
Os termistores PTC de titanato de bário padrão apresentam um aumento acentuado de resistência na sua temperatura de Curie, que varia entre 60 e 120 \textsuperscript{o}C. Devido a essa mudança abrupta de resistência, esses modelos não podem ser utilizados em aplicações de detecção linear acima dessa faixa de temperatura. No entanto, para aplicações aeroespaciais e industriais, os fabricantes desenvolvem versões especiais desses termistores, incorporando aditivos específicos — como chumbo, estrôncio ou diversos óxidos de terras raras — às estruturas cerâmicas policristalinas. Essas modificações permitem elevar o ponto de Curie e melhorar a confiabilidade e a consistência desses dispositivos, possibilitando seu uso em faixas de temperatura superiores a 200\textsuperscript{o}C. A 205\textsuperscript{o}C, tais termistores demonstraram alterar sua resistência de aproximadamente 1 kΩ para mais de 500 kΩ em menos de 3 segundos, o que se torna cada vez mais vantajoso para aplicações de resposta rápida, como sistemas de desligamento de segurança em pacotes de baterias e sistemas de distribuição de energia na indústria aeroespacial. Esses materiais também mantêm a histerese, e testes mostraram que podem ser submetidos a ciclos repetidos milhares de vezes sem falha, conforme as normas IEC 60738-1 e MIL-STD-202G.
Problemas Relacionados à Precisão e Confiabilidade em Temperaturas Elevadas
Problemas Incluindo Deriva de Beta, Deriva de Calibração e Não Linearidade Durante a Operação de Termistores de Alta Temperatura
As altas temperaturas, tipicamente superiores a duzentos graus Celsius, criam uma série de problemas relativos à medição precisa de dados. Três desses problemas incluem a deriva beta, a deriva de calibração e o aumento da não-linearidade. Um problema particular de deriva beta envolve a mudança das estruturas internas de um material. A cerca de duzentos a trezentos graus Celsius, a estrutura interna de um material se estabiliza, e se as mudanças na estrutura interna se relaxarem, a resistência pode deslocar-se cerca de cinco por cento por ano. Então, mesmo depois de calibrar um dispositivo em uma fábrica, o cal se tornará obsoleto devido a mudanças na resistência devido à deriva beta. Os problemas de deriva de calibração são agravados pelos ciclos industriais de aquecimento e arrefecimento. Não é incomum que uma fábrica tenha de calibrar os seus equipamentos uma vez a cada seis meses para continuar o processo de produção. Além disso, depois de 300 graus Celsius, a resposta de um dispositivo torna-se muito imprevisível, levando a lacunas cada vez maiores no que está realmente a acontecer em comparação com a leitura do dispositivo. As situações em que é necessário ajustar e nivelar uma curva tornam-se extremamente raras em ambientes de alta temperatura. Por exemplo, no volume de 2021 dos Sensores e Atuadores A, vários termistores não ajustados adequadamente em fornos de fabricação de semicondutores mostraram erros totais entre 2 e 8 por cento. Isto é ainda maior do que a restrição de +/- 1 grau que é rigorosamente aplicada para o controlo de calor.
É necessária uma técnica real de hardware e software para aliviar o sofrimento. Materiais cerâmicos compostos de Mn-Ni-Co estabilizado e mobilidade de oxigênio reduzida foram implementados no hardware. O software estabelece um sistema de controlo em tempo real que utiliza algoritmos adaptativos incorporados treinados em padrões de envelhecimento acelerados. Como resultado, o dispositivo demonstra alterações de curvatura e de deslocamento que são corrigidas dinamicamente e, em última análise, resultam numa incerteza de medição que atende às seguintes condições:
a métrica de < 0,3% °C a 300 °C.
Como escolher o melhor termistor de alta temperatura para suas necessidades
Para escolher o melhor termistor de alta temperatura para a sua aplicação, é necessário considerar cinco critérios inter-relacionados e as limitações físicas e operacionais do seu sistema:
Intervalo de temperatura de funcionamento: garantir que a temperatura máxima nominal exceda a temperatura máxima do processo em pelo menos 25 - 50 °C. Por exemplo, para aplicações a +250 °C, um dispositivo a +300 °C seria adequado devido ao autoaquecimento e aos picos transitórios.
Estabilidade da Resistência: Para obter os melhores resultados, escolha componentes que especifiquem uma deriva de temperatura-alvo a longo prazo ≤ 1% (conforme Anexo D da norma IEC 60738-1). Evite afirmações genéricas de "alta temperatura".
Resiliência Ambiental: Certifique-se de que o material de encapsulamento escolhido para seu termistor seja adequado ao ambiente previsto. Por exemplo, opte por vedação em vidro em ambientes secos e oxidantes, e por encapsulamento metálico (por exemplo, Inconel 600 ou aço inoxidável 316) em ambientes úmidos, sulfidantes ou com sais fundidos acima de 300 °C.
Dinâmica de Resposta: Selecione constantes de tempo térmicas menores que 30 segundos para zoneamento de fornos e menores que 3 segundos para monitoramento de combustão, bem como constantes de tempo térmico iguais ou inferiores à velocidade do seu laço de controle.
Limitações Físicas: Certifique-se de que as dimensões sejam adequadas e que o estilo de montagem seja compatível (por exemplo, roscado, com flange ou montagem em superfície) e de que a classe de isolamento do fio condutor (por exemplo, preenchido com MgO, revestido com Teflon®) atenda às tolerâncias de montagem e às interferências eletromagnéticas (EMI) relacionadas ao fio condutor.
É importante verificar a distância entre os dados fornecidos pelas folhas técnicas do fabricante e os relatórios de ensaios independentes não vinculados às classificações de desempenho do ensaio em condições ambientes. Isso é especialmente relevante para o desempenho relacionado a ciclos térmicos, vibração e agentes químicos, conforme a norma MIL-STD-810H. A escolha correta deve integrar o desempenho do sistema com os princípios fundamentais da física e da confiabilidade.
Perguntas Frequentes
Para que servem os termistores de alta temperatura?
Os termistores de alta temperatura são utilizados principalmente para monitoramento e controle de temperatura em ambientes altamente exigentes. Eles são encontrados em turbinas de motores a jato e em banhos de alumínio fundido. Os termistores de alta temperatura também são empregados na fabricação de semicondutores, onde sensores tradicionais não seriam viáveis.
Quais são as diferenças nas aplicações dos termistores NTC e PTC?
Na maior parte dos casos, os termistores NTC são preferidos para uso em áreas onde as temperaturas podem atingir até 300 graus Celsius, devido às suas características termicamente estáveis. Por outro lado, os termistores PTC são utilizados em áreas onde, em altas temperaturas, ocorrem aumentos significativos e rápidos da resistência, como é o caso dos mecanismos de desligamento de segurança no sistema de baterias de veículos elétricos (EV).
Quais são os principais obstáculos à utilização de termistores de alta temperatura?
Termistores de alta temperatura possuem uma série de desafios muito sérios, entre os quais se incluem dificuldades na calibração, heterodinação do tempo de resposta e perda de linearidade na resposta. Com o tempo, as medições deixam de ser precisas.
Quais são os métodos para aprimorar a precisão de termistores de alta temperatura?
Para aprimorar a precisão de termistores de alta temperatura, utilizam-se projetos com circuitos simples, controle em tempo real com algoritmos adaptativos e materiais estáveis, o que resulta em menor mobilidade do oxigênio.
