抵抗温度計

抵抗温度計は、抵抗温度検出器( RTD ) とも呼ばれ、温度を測定するために使用されるセンサーです。多くの RTD 要素は、耐熱セラミックまたはガラスのコアの周りに巻かれた細いワイヤで構成されていますが、他の構造も使用されます。RTD ワイヤは純粋な材料で、通常はプラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)、または銅(Cu) です。この材料は正確な抵抗と温度の関係を持ち、温度の表示に使用されます。RTD 要素は壊れやすいため、保護プローブに収納されることがよくあります。

より高い精度と再現性を持つRTDは、600℃以下の産業用途では徐々に^熱電対に取って代わりつつあります。^[1]

バイオメディカル用途の一般的な RTD センシング素子は、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)で構成され、再現性のある^[b]抵抗対温度関係 ( R vs T ) と動作温度範囲を備えています。R vs T関係は、温度変化 1 度あたりのセンサーの抵抗変化量として定義されます。^[1]抵抗の相対変化 (抵抗の温度係数) は、センサーの有効範囲全体でわずかにしか変化しません。^[要出典]

白金は、1871年のベーカリアン講演でウィリアム・シーメンス卿によって抵抗温度検出器の素子として提案されました。 ^[2]白金は貴金属であり、最も広い温度範囲にわたって最も安定した抵抗と温度の関係を持っています。ニッケル素子は、300 °C (572 °F) を超える温度で抵抗の温度係数が変化するため、温度範囲が制限されます。銅は抵抗と温度の関係が非常に直線的ですが、銅は中程度の温度で酸化するため、150 °C (302 °F) を超える温度では使用できません。^[要出典]

抵抗素子として使用される金属の重要な特性は、0～100℃の間で抵抗と温度の関係が直線近似していることである。この抵抗の温度係数はαで表され、通常はΩ /(Ω·℃)の単位で表される。^[要出典]

${\displaystyle \alpha ={\frac {R_{100}-R_{0}}{100~^{\circ }{\text{C}}\cdot R_{0}}},}$

どこ

${\displaystyle R_{0}}$0℃におけるセンサーの抵抗値、

${\displaystyle R_{100}}$100 °C におけるセンサーの抵抗です。

純白金は0 ～ 100 °C の範囲で α = 0.003925 Ω/(Ω·°C) であり、実験室グレードの RTD の構築に使用されます。^{[引用が必要]}一方、工業用 RTD の 2 つの広く認められた規格である IEC 60751 と ASTM E-1137 では、α = 0.00385 Ω/(Ω·°C) と規定されています。これらの規格が広く採用される前は、いくつかの異なる α 値が使用されていました。プラチナで作られた古いプローブで、α = 0.003916 Ω/(Ω·°C) や 0.003902 Ω/(Ω·°C) のものが今でも見つかります。^{[引用が必要]}

プラチナのこれらの異なる α 値はドーピングによって実現されます。ドーピングとは、プラチナの格子構造に埋め込まれる不純物を慎重に導入することで、R対T曲線が異なり、したがって α 値も異なるというものです。^[要出典]

計画された使用範囲を表す温度範囲で RTD のR対T の関係を特性評価するには、0 °C と 100 °C 以外の温度で校正を実行する必要があります。これは校正要件を満たすために必要です。RTD は動作が直線的であると考えられていますが、実際に使用される温度に関して正確であることが証明される必要があります (詳細については比較校正オプションを参照してください)。一般的な校正方法は、固定小数点法と比較法の 2 つです。^{[引用が必要]}

固定小数点校正

は、国家計量標準研究所による最高精度の校正に使用されています。^[3]水、亜鉛、スズ、アルゴンなどの純物質の三重点、凝固点、融点を使用して、既知で再現性のある温度を生成します。これらのセルを使用すると、ユーザーはITS-90温度スケールの実際の状態を再現できます。固定点校正は、極めて正確な校正（±0.001 °C以内）を提供します。工業用プローブの一般的な固定点校正方法は、氷浴です。この機器は安価で使いやすく、一度に複数のセンサーを収容できます。氷点は、精度が±0.005 °C（±0.009 °F）であるのに対し、一次固定点の精度は±0.001 °C（±0.0018 °F）であるため、二次標準として指定されています。

比較較正

は、二次標準白金抵抗温度計や工業用RTDでよく使用されます。^[4]校正対象の温度計は、温度が均一に安定している槽を使用して校正済みの温度計と比較されます。固定点校正とは異なり、-100 °C ～ 500 °C (-148 °F ～ 932 °F) の任意の温度で比較できます。この方法は、自動化された装置を使用して複数のセンサーを同時に校正できるため、より費用対効果が高い可能性があります。これらの電気的に加熱され、十分に撹拌された槽では、さまざまな校正温度の媒体としてシリコンオイルと溶融塩が使用されます。

RTDセンサーには、薄膜、巻線、コイル素子の3つの主なカテゴリがあります。これらのタイプは業界で最も広く使用されていますが、より特殊な形状のものもあります。たとえば、カーボン 抵抗器は超低温（-273℃～-173℃）で使用されます。^[5]

炭素抵抗素子

安価で広く使用されています。低温で非常に再現性の高い結果が得られます。非常に広い温度範囲で最も信頼性があります。通常、大きなヒステリシスやひずみゲージの影響を受けません。

歪みのない要素

不活性ガスで満たされた密閉ハウジング内で最小限に支えられたワイヤー コイルを使用します。これらのセンサーは、961.78 °C (1,763.20 °F) まで動作し、ITS-90 を定義する SPRT で使用されます。^{[説明が必要]}これらは、サポート構造上に緩く巻かれたプラチナ ワイヤーで構成されているため、要素は温度に応じて自由に膨張および収縮します。プラチナのループが前後に揺れて変形するため、衝撃や振動に非常に敏感です。

薄膜素子

抵抗体（通常はプラチナ）の非常に薄い層をセラミック基板上に堆積（めっき）して形成される感知素子を有する。この層の厚さは通常わずか10～100オングストローム（1～10ナノメートル）である。^[6]このフィルムは、堆積されたフィルムを保護するとともに外部リード線の張力緩和の役割を果たすエポキシまたはガラスでコーティングされる。このタイプの欠点は、巻線型やコイル型のものほど安定していないことである。また、基板と抵抗体の膨張率が異なるため限られた温度範囲でしか使用できず、抵抗温度係数に見られる「ひずみゲージ」効果が生じる。これらの素子は、追加のパッケージングなしで300℃（572℉）までの温度で動作するが、ガラスまたはセラミックで適切にカプセル化すれば600℃（1,112℉）まで動作することができる。特殊な高温 RTD エレメントは、適切なカプセル化により、最大 900 °C (1,652 °F) まで使用できます。

巻線素子

より高精度な測定が可能で、特に温度範囲が広い場合に有効です。コイルの直径は、機械的安定性と、ワイヤの膨張による歪みとそれに伴うドリフトを最小限に抑えることの間で妥協点を見つけます。センシングワイヤは絶縁マンドレルまたはコアの周りに巻き付けられます。巻きコアは円形でも平らでもかまいませんが、電気絶縁体でなければなりません。巻きコア材料の熱膨張係数は、機械的歪みを最小限に抑えるためにセンシングワイヤと一致しています。エレメントワイヤにかかるこの歪みにより、熱測定エラーが発生します。センシングワイヤは、通常エレメントリードまたはワイヤと呼ばれる、より大きなワイヤに接続されます。このワイヤは、センシングワイヤと互換性があるように選択され、組み合わせによって熱測定を歪める起電力が発生しないようにします。これらのエレメントは、660 °C までの温度で動作します。

コイル状要素

業界では、巻き線式素子が広く置き換えられています。この設計では、温度に応じて自由に膨張するワイヤ コイルが機械的サポートによって固定されており、コイルの形状が維持されます。この「歪みのない」設計により、感知ワイヤは他の材料の影響を受けずに膨張および収縮できます。この点では、ITS-90 のベースとなる主要標準である SPRT に似ていますが、産業用途に必要な耐久性も備えています。感知素子のベースは、プラチナ感知ワイヤの小さなコイルです。このコイルは白熱電球のフィラメントに似ています。ハウジングまたはマンドレルは、軸に対して横方向に等間隔に穴が開いている硬質焼成セラミック酸化物チューブです。コイルはマンドレルの穴に挿入され、非常に細かく粉砕されたセラミック粉末が詰められます。= これにより、感知ワイヤはプロセスとの良好な熱接触を維持しながら移動できます。これらの素子は 850 °C までの温度で動作します。

白金抵抗温度計 (PRT) の許容誤差と温度と電気抵抗の関係を規定する現在の国際規格は IEC 60751:2008 です。米国では ASTM E1137 も使用されています。業界で使用されている最も一般的なデバイスは、0 °C での公称抵抗が 100オームで、Pt100 センサーと呼ばれています (「Pt」は白金の記号、「100」は 0 °C での抵抗 (オーム単位) です)。Pt1000 センサーも入手可能で、1000 は 0 °C での抵抗 (オーム単位) です。標準の 100 Ω センサーの感度は、公称 0.385 Ω/°C です。感度が 0.375 および 0.392 Ω/°C の RTD や、その他さまざまな RTD も利用できます。

抵抗温度計はさまざまな形で作られており、場合によっては熱電対よりも安定性、精度、再現性に優れています。熱電対はゼーベック効果を利用して電圧を生成しますが、抵抗温度計は電気抵抗を使用するため、動作には電源が​​必要です。抵抗は理想的には、Callendar-Van Dusen 方程式に従って温度にほぼ比例して変化します。

白金検出線は、安定性を保つために汚染物質が付着しないようにする必要があります。白金線またはフィルムは、型からの差動膨張やその他の歪みが最小限に抑えられ、振動に対して適度な耐性があるような方法で型に支持されます。鉄または銅で作られた RTD アセンブリも、一部のアプリケーションで使用されます。市販の白金グレードは、抵抗の温度係数が0.00385/°C (0.385%/°C) です (欧州基本間隔)。^[7]センサーは通常、0 °C で 100 Ω の抵抗を持つように作られています。これは、BS EN 60751:1996 (IEC 60751:1995 から引用) で定義されています。米国基本間隔は 0.00392/°C で、^[8]欧州規格よりも純度の高い白金を使用しています。米国規格は Scientific Apparatus Manufacturers Association (SAMA) によるものですが、SAMA はこの規格分野にはもう関与していません。その結果、「アメリカの標準」は米国でも標準とはなり得ません。

リード線の抵抗も要因の 1 つです。2 線式接続の代わりに 3 線式接続や 4 線式接続を採用すると、測定から接続リード線の抵抗の影響を排除できます (以下を参照)。3 線式接続はほとんどの目的に十分であり、ほぼ普遍的な産業慣行です。4 線式接続は、最も精密なアプリケーションに使用されます。

白金抵抗温度計の利点は次のとおりです。

• 高精度
• 低ドリフト
• 広い動作範囲
• 精密アプリケーションに適しています。

制限事項:

工業用途の RTD は、660 °C を超えるとほとんど使用されません。660 °C を超える温度では、温度計の金属シースからの不純物によってプラチナが汚染されるのを防ぐことがますます難しくなります。このため、実験室標準の温度計では金属シースをガラス構造に置き換えています。非常に低い温度、たとえば -270 °C (3 K) 未満では、フォノンが非常に少ないため、RTD の抵抗は主に不純物と境界散乱によって決まり、基本的に温度とは無関係です。その結果、 RTD の感度は実質的にゼロになり、役に立ちません。^{[引用が必要]}

サーミスタと比較すると、プラチナ RTD は小さな温度変化に対する感度が低く、応答時間が遅くなります。ただし、サーミスタの温度範囲と安定性は狭くなります。

工業用途で温度を測定する最も一般的な 2 つの方法は、抵抗温度検出器 (RTD) と熱電対を使用することです。通常、これら 2 つの方法の選択は、次の 4 つの要素によって決まります。

温度

プロセス温度が−200〜500℃（−328.0〜932.0℉）の場合、工業用RTDが推奨される選択肢です。熱電対の範囲は−180〜2,320℃（−292.0〜4,208.0℉）であるため、^[9] 500℃（932℉）を超える温度では、物理学の研究室でよく見られる接触型温度測定装置となります。

応答時間

プロセスで温度変化に対する非常に高速な応答 (数秒ではなく数分の 1 秒) が必要な場合は、熱電対が最適です。時間応答は、1 m/s (3.3 フィート/秒) で移動する水にセンサーを浸し、63.2% のステップ変化で測定します。

サイズ

標準的な RTD シースの直径は 3.175 ～ 6.35 mm (0.1250 ～ 0.2500 インチ) ですが、熱電対のシースの直径は 1.6 mm (0.063 インチ) 未満になる場合があります。

精度と安定性の要件

2 °C の許容誤差が許容され、最高レベルの再現性が必要ない場合は、熱電対が適しています。RTD はより高い精度を実現し、長年にわたって安定性を維持できますが、熱電対は使用開始から数時間以内にドリフトする可能性があります。

これらの要素には、ほとんどの場合、絶縁リード線を取り付ける必要があります。約 250 °C 未満の温度では、 PVC、シリコン ゴム、またはPTFE絶縁体が使用されます。これを超える温度では、ガラス ファイバーまたはセラミックが使用されます。測定ポイント、および通常はほとんどのリード線には、監視対象のプロセスに対して化学的に不活性な金属合金で作られたハウジングまたは保護スリーブが必要です。保護シースの選択と設計には、実際のセンサーよりも注意が必要です。シースは化学的または物理的攻撃に耐え、便利な取り付けポイントを提供する必要があるためです。

RTD 構造設計は、圧縮酸化マグネシウム (MgO) 粉末をシース内に含めることで、衝撃や振動に対処できるように強化できます。MgO は、導体を外部シースから、また導体同士から絶縁するために使用されます。MgO が使用されるのは、誘電率、丸みを帯びた粒子構造、高温耐性、化学的不活性などの理由からです。

最もシンプルな抵抗温度計構成では、2 本のワイヤを使用します。接続ワイヤの抵抗がセンサーの抵抗に追加され、測定エラーにつながるため、高精度が要求されない場合にのみ使用されます。この構成では、100 メートルのケーブルを使用できます。これは、バランスブリッジ システムと固定ブリッジ システムにも同様に適用されます。

バランスブリッジの場合、通常は R2 = R1、R3 は RTD の範囲の中央付近に設定します。たとえば、0 ～ 100 °C (32 ～ 212 °F) の範囲を測定する場合、RTD 抵抗は 100 Ω ～ 138.5 Ω の範囲になります。R3 = 120 Ω を選択します。こうすることで、ブリッジで測定される電圧が小さくなります。

リード抵抗の影響を最小限に抑えるために、3 線構成を使用できます。示されている構成の推奨設定は、R1 = R2、R3 が RTD の範囲の中央付近です。示されているホイートストン ブリッジ回路を見ると、左下側の電圧降下は V_rtd + V_lead、右下側は V_R3 + V_lead であるため、ブリッジ電圧 (V_b) は差 V_rtd − V_R3 です。リード抵抗による電圧降下は相殺されています。これは、R1=R2 で、R1、R2 >> RTD、R3 の場合に常に適用されます。R1 と R2 は、RTD を流れる電流を制限するために使用できます。たとえば、1 mA、5 V に制限する Pt100 の場合、制限抵抗はおよそ R1 = R2 = 5/0.001 = 5,000 オームになります。

4 線式抵抗構成により、抵抗測定の精度が向上します。4端子センシングにより、測定リードの電圧降下がエラーの原因となることがなくなります。さらに精度を高めるために、異なる種類のワイヤやねじ込み接続によって生成される残留熱起電力は、1 mA 電流の方向と DVM (デジタル電圧計) へのリードの方向を反転することで除去されます。熱起電力は一方向にのみ生成されます。反転した測定値を平均化することで、熱起電力エラー電圧が相殺されます。^{[引用が必要]}

すべての PRT の中で最も精度が高いのは、超高精度白金抵抗温度計(UPRT) です。この精度は、耐久性とコストを犠牲にして達成されています。UPRT の要素は、基準グレードの白金線で巻かれています。内部のリード線は通常白金で作られ、内部のサポートは石英または溶融シリカで作られています。シースは、温度範囲に応じて、通常石英製ですが、インコネル製の場合もあります。直径の大きい白金線が使用されるため、コストが高くなり、プローブの抵抗が低くなります (通常 25.5 Ω)。UPRT は温度範囲が広く (-200 °C ～ 1000 °C)、温度範囲全体で約 ±0.001 °C の精度です。UPRT は研究室での使用にのみ適しています。

実験室用 PRT の別の分類は、標準白金抵抗温度計(標準 SPRT) です。UPRT と同様に構築されていますが、材料はよりコスト効率に優れています。SPRT では、通常、基準グレードの高純度小径白金線、金属シース、セラミック タイプの絶縁体が使用されます。内部リード線は通常、ニッケル ベースの合金です。標準 PRT は温度範囲がより限定されており (-200 °C ～ 500 °C)、温度範囲全体で約 ±0.03 °C の精度です。

工業用 PRT は、工業環境に耐えられるように設計されています。熱電対とほぼ同等の耐久性があります。用途に応じて、工業用 PRT では薄膜またはコイル巻きの要素を使用できます。内部リード線は、センサーのサイズと用途に応じて、PTFE 絶縁の撚り線ニッケルメッキ銅から銀線までさまざまです。シース材料は通常ステンレス鋼ですが、高温用途ではインコネルが必要になる場合があります。特殊な用途には他の材料が使用されます。

ゼーベック効果と同時期に、金属の電気抵抗が温度に依存するという発見は、1821年にハンフリー・デービー卿によって発表されました。^[10]電気伝導体の温度上昇とともに電気抵抗が増加する 傾向の実際的な応用は、 1871年に英国王立協会で行われたベーカーン講演でウィリアム・シーメンス卿によって初めて説明され、白金が適切な元素であると示唆されました。 ^[10]必要な構築方法は、1885年から1900年の間に カレンダー、グリフィス、ホルボーン、ウェインによって確立されました。

1871 年、カール ヴィルヘルム シーメンスは白金抵抗温度検出器を発明し、3 項補間式を発表しました。シーメンスの RTD は温度の読み取りが不安定だったため、急速に人気がなくなりました。ヒュー ロングボーン カレンダーは 1885 年に初めて商業的に成功した白金 RTD を開発しました。

1971年にエリクソン、クーザー、グラッツェルが発表した論文では、ほぼ直線的な抵抗温度特性を持つ6つの貴金属合金（63Pt37Rh、37Pd63Rh、26Pt74Ir、10Pd90Ir、34Pt66Au、14Pd86Au）が特定されています。合金63Pt37Rhは、熱電対に使用される入手しやすい70Pt30Rh合金線に似ています。^[11]

スペースシャトルでは白金抵抗温度計が広く使用されていた。スペースシャトルのメインエンジンが飛行中に停止した唯一のケース（ミッションSTS-51F）は、熱と冷却のサイクルが何度も繰り返され、脆くなり信頼性が低下したRTDの多重故障が原因であった。（センサーの故障により、燃料ポンプが危険なほど過熱していると誤って判断され、エンジンが自動的に停止した。）エンジン故障事故の後、RTDは熱電対に交換された。^[12]

温度センサーは通常、薄膜素子とともに供給されます。抵抗素子は、BS EN 60751:2008 に従って次のように評価されます。

1000 °C まで機能する抵抗温度計素子を供給できます。温度と抵抗の関係は、Callendar-Van Dusen の式で表されます。

${\displaystyle R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}+CT^{3}(T-100)\right]\;(-200\;{}^{\circ }\mathrm {C} <T<0\;{}^{\circ }\mathrm {C} ),}$

${\displaystyle R_{T}=R_{0}\left[1+AT+BT^{2}\right]\;(0\;{}^{\circ }\mathrm {C} \leq T<850 \;{}^{\circ }\mathrm {C} ).}$

ここで、 は温度Tでの抵抗、は 0 °C での抵抗、定数（α = 0.00385 プラチナ RTD の場合）は次のとおりです。 ${\displaystyle R_{T}}$${\displaystyle R_{0}}$

${\displaystyle A=3.9083\times 10^{-3}~^{\circ }{\text{C}}^{-1},}$

${\displaystyle B=-5.775\times 10^{-7}~^{\circ }{\text{C}}^{-2},}$

${\displaystyle C=-4.183\times 10^{-12}~^{\circ }{\text{C}}^{-4}.}$

B係数とC係数は比較的小さいため、抵抗は温度に対してほぼ直線的に変化します。

温度が正の場合、二次方程式を解くと、温度と抵抗の間に次の関係が得られます。

${\displaystyle T={\frac {-A+{\sqrt {A^{2}-4B\left(1-{\frac {R_{T}}{R_{0}}}\right)}}}{2B}}.}$

^{次に、1mAの高精度電流源[13]}を備えた4線式構成の場合、温度と測定電圧の関係は次のようになります。 ${\displaystyle V_{T}}$

${\displaystyle T={\frac {-A+{\sqrt {A^{2}-40B(0.1-V_{T})}}}{2B}}.}$

• サーモウェル
• サーミスタ
• サーモスタット
• 熱電対