EN
Vetenskapen kring material som används i högtemperaturtermistorer
Termisk stabilitet hos keramiska oxider, glaskroppar och metallhöljen
Värmebeständiga termistorer använder specifika oxider av keramiska material. Vanligtvis används bariumtitanat i termistorer med positiv temperaturkoefficient (PTC), medan termistorer med negativ temperaturkoefficient (NTC) använder kubisk mangan-nickel-kobolt-spinell. Vilken egenskap har dessa material som gör dem så användbara? Materialen möjliggör en stabil och återrepeterbar förändring av resistansen med temperaturen, eftersom elektroner rör sig mellan energinivåer och växelverkar med gitterstrukturernas vibrationer. När det gäller termisk stabilitet är den använda förseglingstekniken mycket viktig. Glasförseglingar förhindrar termisk förstörelse av komponenter vid temperaturer runt 200 grader Celsius och hindrar även syre- och vatteningång. Vid temperaturer över 300 grader krävs dock metallhöljen (i detta fall av rostfritt stål eller Inconel). Dessa metaller är strukturellt stabila mot snabba termiska cykler, mekanisk påverkan och aggressiv korrosion. Även om dessa metallhöljen är termiskt ledande, möjliggör de ändå att den inneslutna sensorn reagerar på omgivningstemperaturen, vilket säkerställer sensorns termiska respons.
Vid utformning av ett system är en av de viktigaste aspekterna optimering av värmekoefficienterna för inkapslingsmaterialet och keramikkomponenterna, så att sprickor inte uppstår vid gränsytan. Dessutom är lämpliga sympärrskikt och en specifik porositetsomfång under sintringen, för att tåla termiska spänningar, avgörande för systemet. Dessa konstruktioner är att föredra, om möjligt, i kombination med passiverade platinelektroder, eftersom kontaktkonstansen och oxidationsskyddet förbättrar systemets termiska prestanda. Vid fälttester har dessa konstruktioner visat sig bibehålla stabilitet med en drift på mindre än 0,5 % under kontinuerlig drift i 1000 timmar vid 300 °C, och svarstiderna har i de flesta fall varit kortare än två sekunder. Tillförlitligheten hos de integrerade materialen i dessa system möjliggör drift i extremt krävande miljöer där konventionella kiselsensorer inte kan användas, till exempel inuti jetmotorer eller i smält aluminium, där traditionella sensorer misslyckas.
Maximal temperaturmotstånd: NTC jämfört med PTC vid höga temperaturer för termistorer
NTC-termistorer: Praktiska övre gränser (upp till +300 °C) och nedjusteringsriktlinjer
NTC-thermistorer för specialanvändningar bör kunna uppnå temperaturer upp till ca 300 °C innan problem börjar uppstå. Problem inkluderar saker som oåterkallelig oxidation i metalloxiderna samt utarmning av korngränser på grund av ökad avdunstningshastighet. Över ca 150 °C ökar risken för termisk genombrott kraftigt, och effekten måste minskas totalt. Vid 250 °C måste effektförbrukningen minskas med 40–60 % jämfört med rumstemperatur för att begränsa fel orsakade av självuppvärmning samt förändringar på grund av resistans. Komponenter som har en hög resistans på minst 100 kΩ vid 25 °C presterar i allmänhet bättre vid höjda temperaturer. Detta beteende skapar en utmaning för ingenjörer, eftersom de i regel måste utveckla specialiserade icke-linjära regleringsmetoder för att exakt reglera system inom mindre än en grad Celsius, t.ex. motorstyrning eller återkopplingssystem för industriella ugnar. Sådana metoder inkluderar exempelvis tredjeordningens korrigeringar av Steinhart-Harts ekvation.
Standardbariumtitanat-PTC-termistorer visar en skarp ökning av resistansen vid deras Curietemperatur, som ligger mellan 60 och 120 °C. På grund av denna plötsliga förändring i resistans kan dessa modeller inte användas i linjära mätapplikationer ovanför detta temperaturområde. För luft- och rymdfarts- samt industriella applikationer utvecklar tillverkare dock specialversioner av dessa termistorer genom att inkludera specifika tillsatser, såsom bly, strontium eller olika sällsynta jordartoxider, i de polykristallina keramiska strukturerna. Dessa modifieringar kan höja Curiepunkten samt förbättra pålitligheten och konsekvensen hos dessa komponenter, så att de kan användas vid temperaturområden över 200 °C. Vid 205 °C har sådana termistorer visat sig ändra sin resistans från cirka 1 kΩ till mer än 500 kΩ på mindre än 3 sekunder, vilket är alltmer fördelaktigt för snabbsvarande applikationer, såsom säkerhetsavbrytningssystem i batteripaket och kraftfördelningssystem inom luft- och rymdfartsindustrin. Dessa material behåller även hysteres, och tester har visat att de kan genomgå tusentals cykler utan fel i enlighet med IEC 60738-1 och MIL-STD-202G.
Problem relaterade till precision och tillförlitlighet vid högre temperaturer
Frågor inklusive beta-drift, kalibreringsdrift och icke-linjäritet vid drift av högtemperaturtermistorer
Höga temperaturer, vanligtvis över tvåhundra grader Celsius, skapar ett antal problem i samband med noggrann mätning av data. Tre av dessa problem är betadrift, kalibreringsdrift och ökad icke-linjäritet. Ett specifikt betadriftproblem innebär förändringar i ett materials inre struktur. Från cirka tvåhundra till trehundra grader Celsius stabiliseras ett materials inre struktur, och om förändringar i den inre strukturen släpps, kan resistansen driva med cirka fem procent per år. Därför blir en kalibrering av en anordning i en fabrik föråldrad på grund av resistansförändringar orsakade av betadrift, även om anordningen kalibrerats i fabriken. Kalibreringsdriftproblem förvärras av industriella uppvärmnings- och kyklingscykler. Det är inte ovanligt att en fabrik måste kalibrera sin utrustning en gång var sjätte månad för att kunna fortsätta produktionsprocessen. Dessutom blir en anordnings respons mycket oförutsägbar vid temperaturer över trehundra grader Celsius, vilket leder till allt större skillnader mellan det som faktiskt sker och vad anordningen visar. Situationer där det finns behov av att justera och jämna ut en kurva blir ytterst sällsynta i högtemperaturmiljöer. Till exempel visade flera icke korrekt justerade termistorer i halvledartillverkningsugnar i volym 2021 av tidskriften Sensors and Actuators A totala fel på mellan 2 och 8 procent. Detta är ännu större än den strikt tillämpade toleransen på ±1 grad för värmekontroll.
En verklig tvådelad teknik som omfattar både hårdvara och mjukvara krävs för lindring. I hårdvaran användes keramiska material bestående av stabiliserad Mn-Ni-Co med minskad syrenrörlighet. Mjukvaran skapar ett realtidsstyrningssystem som använder inbäddade adaptiva algoritmer tränade på accelererade åldrandemönster. Som resultat visar enheten krökning och förskjutningar som dynamiskt korrigeras och leder slutligen till en mätosäkerhet som uppfyller
måttet <% 0,3 °C vid 300 °C.
Hur du väljer den bästa högtemperaturtermistorn för dina behov
För att välja den bästa högtemperaturtermistorn för ditt applikationsområde måste du ta hänsyn till fem sammankopplade kriterier samt ditt systems fysiska och driftsmässiga begränsningar:
Drifttemperaturområde: Se till att den angivna maximala temperaturen överstiger den högsta processens temperatur med minst 25–50 °C. Till exempel är en termistor med en angiven maxtemperatur på +300 °C lämplig för applikationer vid +250 °C, på grund av självuppvärmning och transienta temperaturspetsar.
Motståndsstabilitet: För bästa resultat välj komponenter som anger en långsiktig måltemperatur och en drift ≤ 1 % (enligt IEC 60738-1, bilaga D). Undvik påståenden om ”hög temperatur” som är okonkreta.
Miljömotstånd: Se till att den inkapslingsmaterial du väljer för din termistor motsvarar den miljö du förväntar dig. Välj exempelvis glasförsegling för miljöer som är torra och oxiderande samt metallinkapsling (t.ex. Inconel 600 eller SS316) för miljöer som är fuktiga, sulfiderande eller innehåller smält salt vid temperaturer över 300 °C.
Responsdynamik: Välj termiska tidskonstanter som är kortare än 30 sekunder för ugnens zonindelning och kortare än 3 sekunder för förbränningsövervakning samt kortare än 3 sekunder för termiska tidskonstanter som är lika med eller kortare än din styrloopshastighet.
Fysiska begränsningar: Se till att måtten passar och att monteringsmetoden är lämplig (t.ex. gängad, flänsad eller ytmontage) samt att isoleringsklassen för ledningarna (t.ex. fylld med MgO eller belagda med Teflon®) uppfyller dina monteringsmöjligheter och elektromagnetiska störningar (EMI) i förhållande till ledningarnas isoleringsklass (t.ex. fylld med MgO eller belagda med Teflon®) uppfyller monteringsmöjligheter och elektromagnetiska störningar (EMI) i förhållande till ledningarnas isoleringsklass (t.ex. fylld med MgO eller belagda med Teflon®) uppfyller monteringsmöjligheter och elektromagnetiska störningar (EMI) i förhållande till ledningarna.
Det är viktigt att verifiera avståndet från tillverkarens datablad till rapporter om oberoende tester som inte är kopplade till prestandabetyg för testet vid omgivande temperatur. Detta är särskilt viktigt för prestanda som rör termisk cykling, vibration och kemisk påverkan enligt MIL-STD-810H. Rätt val måste integrera systemets prestanda med de enkla fysikaliska principerna och pålitligheten.
Vanliga frågor
Vad används högtemperaturtermistorer till?
Högtemperaturtermistorer används främst för övervakning och styrning av temperatur i miljöer som ställer höga krav. De finns i jetmotorturbiner och bad av smält aluminium. Högtemperaturtermistorer används också vid tillverkning av halvledare, där traditionella sensorer inte skulle vara genomförbara.
Vad är skillnaderna i tillämpningarna av NTC- och PTC-termistorer?
I stort sett föredras NTC-termistorer för användning i områden där temperaturerna kan nå upp till 300 grader Celsius på grund av deras termiskt stabila egenskaper. Å andra sidan används PTC-termistorer i områden där det vid höga temperaturer sker betydande och snabba ökningar av resistansen, till exempel i säkerhetsavbrytningsmekanismer i batterisystemet för eldrivna fordon (EV).
Vad är de främsta hindren för användningen av högtemperaturtermistorer?
Ganska höga termistorer har ett antal mycket allvarliga utmaningar, bland vilka finns svårigheter med kalibrering, heterodynning av svarstid och förlust av linjäritet i svaret. Med tiden håller inte mätningarna längre.
Vilka metoder finns det för att förbättra precisionen hos högtemperaturtermistorer?
För att förbättra precisionen hos högtemperaturtermistorer används konstruktioner med dumd-kretsar, realtidsstyrning med adaptiva algoritmer samt stabila material som leder till minskad rörelseförmåga för syre.
