EN
Наука о материалах, используемых в термисторах для высоких температур
Термическая стабильность керамических оксидов, стеклянного корпуса и металлических оболочек
Термисторы, устойчивые к высоким температурам, используют специфические оксиды керамических материалов. Обычно термисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC) изготавливаются на основе титаната бария, тогда как термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC) — на основе кубического шпинели марганца, никеля и кобальта. Каким свойством обладают эти материалы, что делает их столь полезными? Эти материалы обеспечивают стабильное и воспроизводимое изменение электрического сопротивления в зависимости от температуры благодаря перемещению электронов между энергетическими уровнями и их взаимодействию с колебаниями кристаллической решётки. Что касается термостойкости, то используемая технология герметизации имеет исключительно важное значение. Стеклянные герметизирующие элементы предотвращают термическое разрушение компонентов при температурах около 200 °C и исключают проникновение кислорода и воды. Однако при температурах свыше 300 °C необходимы металлические корпуса (в данном случае из нержавеющей стали или сплава инконель). Эти металлы обладают структурной стабильностью при резких термических циклах, механических воздействиях и агрессивной коррозии. Хотя такие металлические корпуса обладают высокой теплопроводностью, они всё же позволяют заключённому в них датчику реагировать на окружающую температуру, обеспечивая, таким образом, термическую реакцию датчика.
При проектировании системы одним из наиболее важных аспектов является оптимизация коэффициентов термического расширения материала герметизации и керамических компонентов, чтобы предотвратить образование трещин на границе раздела. Кроме того, для обеспечения устойчивости к термическим напряжениям необходимы надёжные барьерные слои против проникновения кислорода и строго определённый диапазон пористости при спекании. Такие конструкции предпочтительны, по возможности, в сочетании с пассивированными платиновыми электродами, поскольку стабильность контакта и защита от окисления повышают тепловую эффективность системы. При полевых испытаниях было показано, что такие конструкции сохраняют стабильность с дрейфом менее 0,5 % в течение непрерывной работы в течение 1000 часов при температуре 300 °C, а время отклика во многих случаях составляло менее 2 секунд. Надёжность интегрированных материалов в этих системах позволяет эксплуатировать их в экстремальных условиях, недоступных для традиционных кремниевых датчиков, например, внутри турбин реактивных двигателей или в расплавленном алюминии, где обычные датчики выходят из строя.
Максимальное сопротивление температуре: сравнение пределов рабочей температуры термисторов NTC и PTC
Термисторы NTC: практические верхние пределы (до +300 °C) и рекомендации по снижению номинальных параметров
NTC-термисторы для узкоспециализированных применений должны выдерживать температуры до ~300 °C, прежде чем начнут возникать проблемы. К таким проблемам относятся, например, необратимое окисление металлооксидов и истощение границ зёрен вследствие ускоренного испарения. При температурах выше ~150 °C риск теплового разгона значительно возрастает, и общая потребляемая мощность должна быть снижена. При 250 °C рассеиваемая мощность должна быть уменьшена на 40–60 % по сравнению с комнатной температурой, чтобы ограничить погрешности, вызванные собственным нагревом, а также изменения, обусловленные изменением сопротивления. Компоненты, имеющие сопротивление в высоком диапазоне — не менее 100 кОм при 25 °C, — как правило, демонстрируют лучшую стабильность при повышенных температурах. Такое поведение создаёт сложность для инженеров, поскольку им, как правило, необходимо разрабатывать специализированные нелинейные методы управления для точного регулирования систем с точностью менее одного градуса Цельсия, например, систем управления двигателем или обратных связей промышленных печей. К числу таких методов относятся, в частности, коррекции третьего порядка уравнения Штейнхарта–Харта.
Стандартные термисторы PTC на основе титаната бария демонстрируют резкое увеличение сопротивления при температуре Кюри, которая находится в диапазоне от 60 до 120 \textsuperscript{o}C. Из-за этого резкого изменения сопротивления данные модели не могут использоваться в линейных измерительных приложениях при температурах выше указанного диапазона. Однако для аэрокосмических и промышленных применений производители разрабатывают специальные версии таких термисторов, в структуру поликристаллической керамики которых вводятся определённые добавки — например, свинец, стронций или различные оксиды редкоземельных элементов. Такие модификации позволяют повысить температуру Кюри, а также улучшить надёжность и стабильность характеристик этих устройств, обеспечивая их работоспособность при температурах выше 200\textsuperscript{o}C. При 205\textsuperscript{o}C такие термисторы способны изменять своё сопротивление примерно от 1 кОм до более чем 500 кОм менее чем за 3 секунды, что делает их особенно ценными для быстродействующих приложений, например, систем аварийного отключения в аккумуляторных блоках и системах распределения электроэнергии в аэрокосмической промышленности. Эти материалы сохраняют гистерезис, а испытания показали, что их можно циклически нагружать тысячи раз без отказа в соответствии со стандартами IEC 60738-1 и MIL-STD-202G.
Проблемы, связанные с точностью и достоверностью при повышенных температурах
Проблемы, включая дрейф коэффициента β, дрейф калибровки и нелинейность при эксплуатации термисторов высокотемпературного исполнения
Высокие температуры, как правило превышающие двести градусов Цельсия, создают ряд проблем, связанных с точным измерением данных. К числу таких проблем относятся дрейф коэффициента бета, дрейф калибровки и возрастающая нелинейность. Одна из конкретных проблем, связанная с дрейфом коэффициента бета, заключается в изменении внутренней структуры материала. В диапазоне примерно от двухсот до трёхсот градусов Цельсия внутренняя структура материала стабилизируется; однако если изменения во внутренней структуре релаксируют, сопротивление может дрейфовать примерно на пять процентов в год. Таким образом, даже после калибровки прибора на заводе калибровка устаревает из-за изменений сопротивления, вызванных дрейфом коэффициента бета. Проблемы дрейфа калибровки усугубляются циклами промышленного нагрева и охлаждения. Нередко на заводе приходится калибровать оборудование один раз в шесть месяцев, чтобы обеспечить непрерывность производственного процесса. Кроме того, при температурах свыше трёхсот градусов Цельсия поведение прибора становится крайне непредсказуемым, что приводит к постоянно увеличивающимся расхождениям между реальными физическими процессами и показаниями прибора. Ситуации, требующие коррекции и выравнивания характеристической кривой, становятся чрезвычайно редкими в условиях высоких температур. Например, в томе журнала «Sensors and Actuators A» за 2021 год сообщалось о нескольких термисторах, использовавшихся в печах для производства полупроводников и не прошедших надлежащей коррекции: общая погрешность их показаний составила от 2 до 8 процентов. Эта погрешность превышает установленное строгое ограничение в ±1 градус, применяемое для управления температурой.
Для устранения проблемы необходима реальная двойная технология, включающая как аппаратные, так и программные компоненты. В аппаратной части используются керамические материалы, состоящие из стабилизированных Mn-Ni-Co и обладающие пониженной подвижностью кислорода. В программном обеспечении реализована система управления в реальном времени, использующая встроенные адаптивные алгоритмы, обученные на ускоренных моделях старения. В результате устройство демонстрирует динамически корректируемые изменения кривизны и смещения, что в конечном итоге обеспечивает погрешность измерений, соответствующую
метрике <% 0,3 °C при 300 °C.
Как выбрать наилучший термистор для работы при высоких температурах в соответствии с вашими потребностями
Чтобы выбрать наилучший термистор для работы при высоких температурах для вашего применения, необходимо учитывать пять взаимосвязанных критериев, а также физические и эксплуатационные ограничения вашей системы:
Диапазон рабочих температур: убедитесь, что номинальная максимальная температура превышает пиковую температуру процесса как минимум на 25–50 °C. Например, для применений при +250 °C подходящим выбором станет устройство с номинальной температурой +300 °C с учётом самонагрева и кратковременных температурных всплесков.
Стабильность сопротивления: Для достижения наилучших результатов выбирайте компоненты, у которых указаны долгосрочная стабильность и температурный дрейф при заданной температуре ≤ 1 % (в соответствии с приложением D стандарта IEC 60738-1). Избегайте неопределённых формулировок, таких как «высокая температура».
Устойчивость к воздействию окружающей среды: Убедитесь, что выбранный вами материал для герметизации термистора соответствует ожидаемым условиям эксплуатации. Например, для сухой и окисляющей среды выбирайте стеклянную герметизацию, а для влажной, сульфидирующей или среды расплавленных солей при температуре свыше 300 °C — металлическую герметизацию (например, сплавом Inconel 600 или нержавеющей сталью марки SS316).
Динамика отклика: Выбирайте тепловые постоянные времени τ менее 30 секунд для зонирования печей и менее 3 секунд — для контроля процессов горения; кроме того, тепловая постоянная времени должна быть равна или меньше периода цикла вашей системы управления.
Физические ограничения: убедитесь, что габаритные размеры соответствуют требуемым, а способ крепления подходит (например, резьбовой, фланцевый, поверхностный монтаж), а также что класс изоляции выводов (например, с наполнением оксидом магния, с тефлоновым покрытием) отвечает допускам вашей сборки и требованиям по электромагнитным помехам (ЭМП) к изоляции выводов (например, с наполнением оксидом магния, с тефлоновым покрытием), отвечает допускам сборки и требованиям по электромагнитным помехам (ЭМП) к изоляции выводов (например, с наполнением оксидом магния, с тефлоновым покрытием), отвечает допускам сборки и требованиям по электромагнитным помехам (ЭМП) к изоляции выводов.
Важно проверить данные, приведённые в технических описаниях производителя, с результатами независимых испытаний, не связанных с заявленными характеристиками, в частности — с результатами испытаний при нормальных условиях окружающей среды. Это особенно важно для характеристик, связанных с термоциклированием, вибрацией и химическим воздействием, в соответствии со стандартом MIL-STD-810H. Правильный выбор должен обеспечивать совместимость эксплуатационных характеристик системы с базовыми физическими законами и надёжностью.
Часто задаваемые вопросы
Для чего используются термисторы высокой температуры?
Термисторы для высоких температур используются в первую очередь для контроля и регулирования температуры в экстремально требовательных условиях. Их применяют в турбинах реактивных двигателей и ванных с расплавленным алюминием. Термисторы для высоких температур также используются при производстве полупроводников, где традиционные датчики неприменимы.
В чём различия в применении термисторов NTC и PTC?
В большинстве случаев термисторы NTC предпочтительны для использования в областях, где температура может достигать 300 °C, благодаря их термически стабильным характеристикам. В свою очередь, термисторы PTC применяются в тех областях, где при высоких температурах наблюдается значительное и быстрое увеличение сопротивления — например, в механизмах аварийного отключения в системе аккумуляторов электромобилей (EV).
Каковы основные препятствия для применения термисторов для высоких температур?
Термисторы с довольно высоким температурным диапазоном сталкиваются с рядом весьма серьёзных проблем, среди которых — сложности калибровки, неоднородность времени отклика и потеря линейности характеристики отклика. Со временем измерения теряют свою достоверность.
Какие методы повышения точности высокотемпературных термисторов?
Для повышения точности высокотемпературных термисторов применяются конструкции с «глупыми» схемами, управление в реальном времени с адаптивными алгоритмами, а также использование стабильных материалов, что приводит к снижению подвижности кислорода.
