EN
Наукові основи матеріалів, що використовуються в термісторах для роботи при високих температурах
Термічна стабільність керамічних оксидів, скляного корпусу та металевих оболонок
Термістори, стійкі до високих температур, використовують певні оксиди керамічних матеріалів. Зазвичай термістори з додатним температурним коефіцієнтом опору (PTC) використовують титанат барію, тоді як термістори з від’ємним температурним коефіцієнтом опору (NTC) — кубічний шпінель на основі марганцю, нікелю та кобальту. Якою властивістю володіють ці матеріали, що робить їх настільки корисними? Ці матеріали забезпечують стабільну й відтворювану зміну опору зі зміною температури завдяки переміщенню електронів між енергетичними рівнями та їхньому взаємодії з коливаннями кристалічної ґратки. Щодо теплової стабільності, дуже важливе значення має технологія герметизації. Скляні ущільнення запобігають термічному руйнуванню елементів при температурах близько 200 °C і не допускають проникнення кисню та води. Однак, коли температура перевищує 300 °C, необхідно використовувати металеві оболонки (у даному випадку — з нержавіючої сталі або сплаву інконель). Ці метали структурно стійкі до різких теплових циклів, механічних впливів та агресивної корозії. Хоча такі металеві оболонки є теплопровідними, вони все ж дозволяють розміщеному всередині датчику реагувати на температуру навколишнього середовища, забезпечуючи таким чином його теплову чутливість.
Під час проектування системи одним із найважливіших аспектів є оптимізація коефіцієнтів теплового розширення матеріалу герметизації та керамічних компонентів, щоб запобігти утворенню тріщин на межі поділу. Крім того, наявність відповідних бар’єрних шарів проти кисню та певного діапазону пористості під час спікання, необхідного для витримування термічних напружень, є обов’язковою умовою для такої системи. Такі конструкції є бажаними, якщо це можливо, у поєднанні з пасивованими платиновими електродами, оскільки стабільність контакту та захист від окиснення покращують термічну продуктивність системи. У польових випробуваннях було продемонстровано, що такі конструкції зберігають стабільність із дрейфом менше ніж 0,5 % під час безперервної роботи протягом 1000 годин при температурі 300 °C, а час відгуку у більшості випадків становив менше 2 секунд. Надійність інтегрованих матеріалів у таких системах забезпечує їх роботу в екстремальних умовах, де звичайні кремнієві датчики не функціонують, наприклад, у турбінах реактивних двигунів або в розплавленому алюмінії.
Максимальний опір температурі: порівняння меж високотемпературних термісторів NTC та PTC
Термістори NTC: практичні верхні межі (до +300 °C) та рекомендації щодо зниження навантаження
NTC-термістори для спеціалізованих застосувань повинні здатні працювати при температурах до ~300 °C, перш ніж почнуть виникати проблеми. До таких проблем належать, наприклад, необоротне окиснення металевих оксидів та вичерпання меж зерен через підвищені швидкості випаровування. Понад ~150 °C ризик теплового розбіжного процесу (thermal runaway) значно зростає, і загальну потужність необхідно знизити. При 250 °C розсіювання потужності слід зменшити на 40–60 % порівняно з кімнатною температурою, щоб обмежити похибки, спричинені самонагріванням, та зміни, пов’язані з опором. Компоненти, які мають високий опір (щонайменше 100 кОм при 25 °C), як правило, краще функціонують при підвищених температурах. Така поведінка створює виклик для інженерів, оскільки їм, як правило, доводиться розробляти спеціалізовані нелінійні методи керування для точного регулювання систем із точністю менше ніж один градус Цельсія, наприклад, систем керування двигунами або зворотними зв’язками промислових пічей. До таких методів, зокрема, належать корекції третього порядку до рівняння Штейнгарта–Харта.
Стандартні PTC-термістори на основі барію титанату демонструють різке зростання опору при температурі Кюрі, яка знаходиться в діапазоні від 60 до 120 °C. Через цю раптову зміну опору такі моделі не можна використовувати в лінійних сенсорних застосуваннях при температурах вище цього діапазону. Однак для аерокосмічних та промислових застосувань виробники створюють спеціальні версії цих термісторів, у яких у полікристалічні керамічні структури вводять певні добавки, такі як свинець, стронцій або різні оксиди рідкоземельних елементів. Такі модифікації дозволяють підвищити температуру Кюрі та покращити надійність і стабільність роботи цих пристроїв, що робить їх придатними для експлуатації при температурах понад 200 °C. При 205 °C такі термістори здатні змінювати свій опір від приблизно 1 кОм до більш ніж 500 кОм за менше ніж 3 секунди, що є все більш корисним для швидкодіючих застосувань, наприклад, систем аварійного вимкнення в акумуляторних батареях та систем розподілу потужності в аерокосмічній галузі. Ці матеріали також зберігають гістерезис, а випробування показали, що їх можна циклічно включати й вимикати тисячі разів без відмови відповідно до стандартів IEC 60738-1 та MIL-STD-202G.
Проблеми, пов’язані з точністю та надійністю при високих температурах
Проблеми, пов’язані з дрейфом коефіцієнта β, дрейфом калібрування та нелінійністю під час роботи термісторів для високих температур
Високі температури, зазвичай вищі за двісті градусів Цельсія, створюють низку проблем щодо точного вимірювання даних. Серед цих проблем — дрейф коефіцієнта β, дрейф калібрування та зростання нелінійності. Одна з конкретних проблем, пов’язаних із дрейфом коефіцієнта β, полягає у зміні внутрішньої структури матеріалу. У діапазоні приблизно від двохсот до трьохсот градусів Цельсія внутрішня структура матеріалу стабілізується, але якщо зміни в цій структурі релаксують, опір може змінюватися приблизно на п’ять відсотків на рік. Навіть після калібрування пристрою на заводі калібрування швидко стає застарілим через зміни опору, спричинені дрейфом коефіцієнта β. Проблеми дрейфу калібрування посилюються промисловими циклами нагрівання й охолодження. Не є рідкістю, щоб на заводі доводилося калібрувати обладнання один раз на шість місяців, щоб забезпечити безперервність виробничого процесу. Крім того, понад триста градусів Цельсія відгук пристрою стає надзвичайно непередбачуваним, що призводить до постійного зростання розбіжностей між реальними параметрами й показаннями пристрою. Ситуації, у яких виникає необхідність коригування та вирівнювання характеристичної кривої, стають надзвичайно рідкісними в умовах високих температур. Наприклад, у томі 2021 року журналу «Sensors and Actuators A» кілька термісторів, неправильно відкаліброваних у печах для виробництва напівпровідників, демонстрували загальну похибку в діапазоні від 2 до 8 відсотків. Це навіть перевищує обмеження ±1 °C, яке суворо дотримується при регулюванні температури.
Для полегшення ситуації необхідна справжня двоїста техніка, що поєднує апаратне й програмне забезпечення. У апаратній частині використовуються керамічні матеріали, що складаються зі стабілізованої суміші Mn-Ni-Co та мають знижену рухливість кисню. Програмне забезпечення реалізує систему керування в реальному часі, яка застосовує вбудовані адаптивні алгоритми, навчені на прискорених патернах старіння. Як наслідок, пристрій демонструє зміни кривизни та зсуву, які динамічно коригуються й у підсумку забезпечують невизначеність вимірювання, що відповідає
метриці <% 0,3 °C при 300 °C.
Як обрати найкращий термістор для роботи при високих температурах згідно з вашими потребами
Щоб обрати найкращий термістор для роботи при високих температурах для вашого застосування, слід врахувати п’ять взаємопов’язаних критеріїв та фізичні й експлуатаційні обмеження вашої системи:
Діапазон робочих температур: переконайтеся, що номінальна максимальна температура перевищує пікову температуру процесу щонайменше на 25–50 °C. Наприклад, для застосувань із температурою +250 °C підійде пристрій із номінальною температурою +300 °C через самонагрівання та короткочасні спалахи температури.
Стабільність опору: Для досягнення найкращих результатів обирайте компоненти, що мають вказані довготривалі значення дрейфу опору при заданій температурі ≤ 1 % (згідно з додатком D до стандарту IEC 60738-1). Уникайте невизначених заяв про «високу температуру».
Стійкість до навколишнього середовища: Переконайтеся, що матеріал інкапсуляції, який ви обираєте для свого термістора, відповідає очікуваному середовищу. Наприклад, для сухих та окисних умов обирайте скляне ущільнення, а для вологих, сульфідуючих або середовищ із розплавленими солями при температурі понад 300 °C — металеву інкапсуляцію (наприклад, сплав Inconel 600 або сталь марки SS316).
Динаміка відгуку: Обирайте теплові сталі часу, що менші за 30 секунд — для зонування пічного обладнання, і менші за 3 секунди — для моніторингу процесу згоряння, а також для теплових сталих часу, що дорівнюють або менші за швидкість вашого контуру керування.
Фізичні обмеження: переконайтеся, що розміри відповідають вимогам, а спосіб кріплення підходить (наприклад, різьбове, фланцеве або поверхневе кріплення), а також що клас ізоляції виводів (наприклад, заповнена оксидом магнію, з політетрафлуороетиленовим покриттям) відповідає допускам вашого збирання та електромагнітним перешкодам (ЕМП).
Важливо перевірити відстань між даними, наведеними в технічних документах виробника, та звітами про незалежні випробування, які не стосуються номінальних характеристик продукту на рівні навколишнього середовища. Це особливо важливо для показників, пов’язаних із термічним циклюванням, вібрацією та хімічним впливом, згідно зі стандартом MIL-STD-810H. Правильний вибір має враховувати як ефективність системи, так і базові фізичні закономірності та надійність.
Часті запитання
Для чого використовуються термістори високої температури?
Термістори для високих температур використовуються переважно для контролю та регулювання температури в умовах, що ставлять надзвичайно високі вимоги. Їх застосовують у турбінах реактивних двигунів і ваннах з розплавленого алюмінію. Термістори для високих температур також використовуються при виробництві напівпровідників, де традиційні датчики є непридатними.
У чому полягають відмінності у застосуванні термісторів NTC та PTC?
У більшості випадків термістори NTC віддають перевагу в областях, де температура може досягати 300 °C, завдяки їх термічно стабільним характеристикам. Натомість термістори PTC використовують у тих областях, де при високих температурах спостерігається значне й швидке зростання опору, як, наприклад, у механізмах аварійного відключення в акумуляторних системах електромобілів (EV).
Які основні перешкоди для використання термісторів для високих температур?
Досить високотемпературні термістори мають низку дуже серйозних проблем, серед яких — складнощі калібрування, неоднорідність часу відгуку та втрата лінійності відгуку. З часом показання вимірювань втрачають свою точність.
Які методи підвищення точності високотемпературних термісторів?
Щоб підвищити точність високотемпературних термісторів, застосовують конструкції з «глупавими» схемами, керування в реальному часі за допомогою адаптивних алгоритмів та стабільні матеріали, що забезпечують зниження рухливості кисню.
