EN
Știința materialelor utilizate în termistorii pentru temperaturi înalte
Stabilitatea termică a oxidului ceramic, a corpului din sticlă și a învelișurilor metalice
Termistorii rezistenți la căldură folosesc oxizi specifici ai materialelor ceramice. În mod tipic, termistorii cu coeficient de temperatură pozitiv (PTC) utilizează titanatul de bariu, în timp ce termistorii cu coeficient de temperatură negativ (NTC) folosesc spinelul cubic de mangan-nichel-cobalt. Ce proprietate au aceste materiale care le face atât de utile? Aceste materiale permit o modificare stabilă și reproductibilă a rezistenței în funcție de temperatură, datorită deplasării electronilor între stările energetice și interacțiunii acestora cu vibrațiile structurii reticulare. Din punct de vedere al stabilității termice, tehnica de etanșare utilizată este foarte importantă. Etanșările din sticlă previn distrugerea termică a elementelor la temperaturi de aproximativ 200 de grade Celsius și împiedică pătrunderea oxigenului și a apei. Totuși, atunci când temperaturile depășesc 300 de grade, sunt necesare învelișuri metalice (în acest caz, din oțel inoxidabil sau Inconel). Aceste metale sunt stabile structural față de ciclurile termice rapide, de agresiunea mecanică și de coroziunea puternică. Deși aceste învelișuri metalice sunt conductoare termic, ele permit totuși ca senzorul încapsulat să răspundă temperaturii din jurul său, permițând astfel răspunsul termic al senzorului.
La proiectarea unui sistem, unul dintre cele mai importante aspecte este optimizarea coeficienților de dilatare termică pentru materialul de înveliș și componentele ceramice, astfel încât să nu apară fisuri la interfață. În plus, straturile adecvate de barieră împotriva oxigenului și un anumit domeniu de porozitate în timpul sinterizării, necesare pentru a rezista stresurilor termice, sunt esențiale pentru sistem. Aceste proiectări sunt preferabile, dacă este posibil, în combinație cu electrozi de platină pasivați, deoarece stabilitatea contactului și protecția împotriva oxidării îmbunătățesc performanța termică a sistemului. În testele de teren, aceste proiectări au demonstrat menținerea stabilității cu o derivă de sub 0,5 % în timpul funcționării continue pe o perioadă de 1000 de ore la 300 °C, iar timpii de răspuns au fost sub 2 secunde în majoritatea cazurilor. Fiabilitatea materialelor integrate din aceste sisteme permite funcționarea în medii severe, care nu sunt posibile cu senzorii convenționali din siliciu, cum ar fi în turbinele motoarelor cu reacție sau în aluminiu topit, unde senzorii tradiționali eșuează.
Rezistență maximă la temperatură: limitele termistorilor cu temperatură ridicată NTC vs PTC
Termistori NTC: limite superioare practice (până la +300°C) și recomandări privind reducerea performanțelor
Termistorii NTC pentru utilizări specializate ar trebui să poată ajunge până la ~300 °C înainte ca problemele să înceapă să apară. Printre aceste probleme se numără, de exemplu, oxidarea ireversibilă a oxizilor metalici și epuizarea granițelor de granule datorită creșterii ratei de evaporare. Deasupra temperaturii de ~150 °C, riscul de dezvoltare termică necontrolată crește semnificativ, iar puterea trebuie redusă în general. La 250 °C, disiparea puterii trebuie redusă cu 40–60 % față de cea la temperatura camerei, pentru a limita erorile cauzate de încălzirea proprie și modificările rezistenței. Componentele care au o rezistență ridicată, de cel puțin 100 kΩ la 25 °C, funcționează, în general, mai bine la temperaturi ridicate. Acest comportament creează o provocare pentru ingineri, deoarece aceștia trebuie, în general, să elaboreze tehnici specializate de reglare neliniară pentru a regla cu precizie sistemele în limite de sub un grad Celsius, cum ar fi sistemele de comandă ale motoarelor sau sistemele de reacție pentru cuptoarele industriale. Printre aceste tehnici se numără, de exemplu, corecțiile de ordinul trei aplicate ecuației Steinhart-Hart.
Termistorii PTC standard cu titanat de bariu prezintă o creștere bruscă a rezistenței la temperatura lor de Curie, care se situează între 60 și 120 °C. Datorită acestei modificări bruște a rezistenței, aceste modele nu pot fi folosite în aplicații de detectare liniară la temperaturi superioare acestui domeniu. Totuși, pentru aplicații aero-spațiale și industriale, producătorii concep versiuni speciale ale acestor termistori, care includ aditivi specifici, cum ar fi plumbul, stronțiul sau diverse oxizi de metale pământuri rare, în structurile ceramice policristaline. Aceste modificări pot crește punctul de Curie și pot îmbunătăți fiabilitatea și consistența acestor dispozitive, permițând utilizarea lor în domenii de temperatură superioare lui 200 °C. La 205 °C, astfel de termistori au demonstrat o modificare a rezistenței de la aproximativ 1 kΩ la mai mult de 500 kΩ în mai puțin de 3 secunde, ceea ce este din ce în ce mai avantajos pentru aplicații care necesită răspuns rapid, cum ar fi sistemele de întrerupere de siguranță din baterii și sistemele de distribuție a energiei electrice în industria aerospațială. Aceste materiale păstrează, de asemenea, histeresisul, iar testele au arătat că pot fi supuse de mii de ori ciclurilor repetitive fără a ceda, conform standardelor IEC 60738-1 și MIL-STD-202G.
Probleme legate de precizie și fiabilitate la temperaturi ridicate
Probleme care includ derivarea coeficientului beta, derivarea calibrării și neliniaritatea în timpul funcționării termistorilor la temperaturi ridicate
Temperaturile ridicate, de obicei mai mari de două sute de grade Celsius, creează o serie de probleme legate de măsurarea precisă a datelor. Trei dintre aceste probleme includ deriva beta, deriva calibrării și creșterea neliniarității. Un anumit tip de derivă beta implică modificarea structurilor interne ale unui material. Între aproximativ două sute și trei sute de grade Celsius, structura internă a unui material devine stabilizată, iar dacă modificările structurii interne se relaxează, rezistența poate deriva cu aproximativ cinci la sută pe an. Astfel, chiar și după calibrarea unui dispozitiv în fabrică, calibrarea devine rapid depășită din cauza modificărilor rezistenței datorate derivei beta. Problemele de derivă a calibrării sunt agravate de ciclurile industriale de încălzire și răcire. Nu este neobișnuit ca o fabrică să fie nevoită să-și calibreze echipamentele o dată la fiecare șase luni pentru a putea continua procesul de producție. În plus, peste trei sute de grade Celsius, răspunsul unui dispozitiv devine foarte imprevizibil, determinând decalaje tot mai mari între valorile reale și cele afișate de dispozitiv. Situațiile în care există nevoie de ajustarea și netezirea unei curbe devin extrem de rare în medii cu temperaturi ridicate. De exemplu, în volumul din 2021 al revistei „Sensors and Actuators A”, mai mulți termistori necalibrați corespunzător din cuptoarele utilizate în fabricarea semiconductorilor au prezentat erori totale cuprinse între 2 și 8 procente. Această valoare este chiar mai mare decât limita strict impusă de ±1 grad pentru controlul temperaturii.
Este necesară o tehnică reală, atât hardware, cât și software, pentru atenuare. În cadrul hardware-ului s-au utilizat materiale ceramice compuse din Mn-Ni-Co stabilizat și cu mobilitate redusă a oxigenului. Software-ul implementează un sistem de control în timp real care folosește algoritmi adaptați încorporați, antrenați pe baza unor modele accelerate de îmbătrânire. Ca urmare, dispozitivul demonstrează modificări de curbatură și de decalaj care sunt corectate dinamic și, în final, conduc la o incertitudine de măsurare care îndeplinește
metrica de <% 0,3 °C la 300 °C.
Cum să alegeți cel mai bun termistor pentru temperaturi înalte în funcție de nevoile dvs.
Pentru a alege cel mai bun termistor pentru temperaturi înalte pentru aplicația dvs., trebuie să luați în considerare cinci criterii interconectate, precum și limitările fizice și operaționale ale sistemului dvs.:
Gama de temperaturi de funcționare: Asigurați-vă că temperatura maximă nominală depășește temperatura maximă a procesului cu cel puțin 25–50 °C. De exemplu, pentru aplicații la +250 °C, un dispozitiv clasificat la +300 °C ar fi o alegere potrivită, având în vedere încălzirea proprie și vârfurile tranzitorii.
Stabilitatea rezistenței: Pentru obținerea celor mai bune rezultate, alegeți componente care specifică o derivație pe termen lung, la temperatura țintă, ≤ 1% (conform Anexei D din IEC 60738-1). Evitați afirmațiile vagi privind „temperaturi ridicate”.
Rezistența la factorii de mediu: Asigurați-vă că materialul de înveliș ales pentru termistor corespunde mediului în care va fi utilizat. De exemplu, alegeți etanșarea în sticlă pentru medii uscate și oxidante și înveliș metalic (de exemplu, Inconel 600 sau SS316) pentru medii umede, sulfuroase sau cu săruri topite la temperaturi peste 300 °C.
Dinamica răspunsului: Alegeți constantele de timp termică mai mici de 30 de secunde pentru zonarea cuptoarelor și mai mici de 3 secunde pentru monitorizarea arderii, precum și constante de timp termică mai mici de 3 secunde, egale sau mai mici decât viteza buclei de comandă.
Limitări fizice: Asigurați-vă că dimensiunile se potrivesc și că tipul de montare este compatibil (de exemplu, cu filet, cu flanșă sau montare pe suprafață) și că clasa de izolație a cablului de legătură (de exemplu, umplută cu MgO, acoperită cu Teflon®) respectă toleranțele de asamblare și interferențele electromagnetice (EMI) față de clasa de izolație a cablului de legătură (de exemplu, umplută cu MgO, acoperită cu Teflon®) care respectă toleranțele de asamblare și interferențele electromagnetice (EMI) față de clasa de izolație a cablului de legătură (de exemplu, umplută cu MgO, acoperită cu Teflon®) care respectă toleranțele de asamblare și interferențele electromagnetice (EMI) față de cablul de legătură.
Este esențial să verificați distanța dintre datele furnizate de fișele tehnice ale producătorului și rapoartele privind testările independente, care nu sunt legate de clasificările performanței în condiții ambientale. Aceasta este deosebit de importantă pentru performanța legată de ciclarea termică, vibrații și agenți chimici, conform standardului MIL-STD-810H. Alegerea corectă trebuie să integreze atât performanța sistemului, cât și realitatea fundamentală a legilor fizicii și a fiabilității.
Întrebări frecvente
La ce se folosesc termistoarele de înaltă temperatură?
Termistorii pentru temperaturi înalte sunt utilizați în principal pentru monitorizarea și controlul temperaturii în medii extrem de solicitante. Aceștia se regăsesc în turbinele motoarelor cu reacție și în băile de aluminiu topit. Termistorii pentru temperaturi înalte sunt utilizați, de asemenea, în fabricarea semiconductorilor, unde senzorii tradiționali nu ar fi viabili.
Care sunt diferențele dintre aplicațiile termistorilor NTC și PTC?
În cea mai mare parte, termistorii NTC sunt preferați în domeniile în care temperaturile pot atinge până la 300 de grade Celsius, datorită caracteristicilor lor termice stabile. Pe de altă parte, termistorii PTC sunt utilizați în domeniile în care, la temperaturi ridicate, rezistența crește semnificativ și rapid, așa cum este cazul mecanismelor de întrerupere de siguranță din sistemul de baterii al vehiculelor electrice.
Care sunt principalele obstacole în utilizarea termistorilor pentru temperaturi înalte?
Termistorii cu rezistență destul de ridicată prezintă o serie de provocări foarte serioase, printre care se numără dificultățile de calibrare, heterodinarea timpului de răspuns și pierderea liniarității în răspuns. În timp, măsurătorile nu își păstrează acuratețea.
Care sunt metodele de îmbunătățire a preciziei termistorilor pentru temperaturi înalte?
Pentru a îmbunătăți precizia termistorilor pentru temperaturi înalte, se folosesc designuri care includ circuite „stupide”, control în timp real cu algoritmi adaptați și materiale stabile, ceea ce duce la reducerea mobilității oxigenului.
