抵抗温度計

抵抗温度計は抵抗温度検出器RTDとも呼ばれ、物質(白金など)の電気抵抗を利用して温度を測定するセンサーです。多くのRTD素子は耐熱セラミックまたはガラスの芯に細いワイヤを巻き付けた構造ですが、他の構造のものもあります。RTDワイヤは通常、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、または(Cu)です。この材料は温度と抵抗の間に正確な関係があり、これを利用して温度を示します。RTD素子は壊れやすいため、サーモウェルと呼ばれる保護プローブに収納されていることがよくあります。RTDは熱電対よりも精度と再現性が高く[a]、そのため600℃未満の産業用途では徐々に電対に取って代わりつつあります。[1]

金属の抵抗と温度の関係

バイオメディカル用途で一般的に使用される白金(Pt)、ニッケル(Ni)、または(Cu)製のRTDセンシング素子は、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抵抗変化量として定義されます。[1]抵抗の相対変化(抵抗温度係数)はセンサーの有効温度範囲全体にわたってわずかにしか変化しません。[要出典]

プラチナは、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要素として提案されました[2]プラチナは貴金属であり、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) を超える温度では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、中程度の温度では酸化するため、150℃(302℉)を超える温度では使用できません。[要出典]

抵抗素子として用いられる金属の重要な特性は、0~100℃の範囲で抵抗と温度の関係が直線近似となることです。この抵抗の温度係数はαで表され、通常はΩ /(Ω·℃)の単位で表されます。[要出典]

どこ

0℃におけるセンサーの抵抗値、
100 °C におけるセンサーの抵抗です。

純白金は0~100℃の範囲でα = 0.003925 Ω/(Ω·°C) を示し、実験室グレードのRTDに使用されます。[要出典]一方、工業用RTDの広く認められた2つの規格であるIEC 60751とASTM E-1137では、α = 0.00385 Ω/(Ω·°C) が規定されています。これらの規格が広く採用される以前は、複数の異なるα値が使用されていました。プラチナ製の古いプローブの中には、α = 0.003916 Ω/(Ω·°C) や 0.003902 Ω/(Ω·°C) のものもあります。[要出典]

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、RT曲線が異なり、したがってα値も異なります。[要出典]

較正

計画された使用範囲を表す温度範囲におけるRTDのRTの関係を評価するには、0℃と100℃以外の温度で校正を行う必要があります。これは校正要件を満たすために必要です。RTDは動作において直線性を示すと考えられていますが、実際に使用される温度範囲において正確であることが証明されなければなりません(詳細は比較校正オプションを参照)。一般的な校正方法は、固定点法と比較法の2つです。[要出典]

固定小数点校正
は、国家計量標準研究所で最高精度の校正に使用されています。[3]純物質(水、亜鉛、スズなど)とアルゴンの三重点、凝固点または融点を使用して、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
二次標準白金抵抗温度計や工業用測温抵抗体(RTD)では、一般的にこの方法が用いられます。[4]校正対象の温度計は、温度が均一に安定した恒温槽を用いて、校正済みの温度計と比較されます。定点校正とは異なり、-100℃~500℃(-148°F~932°F)の任意の温度範囲で比較が可能です。この方法は、自動化された装置を用い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。これらの恒温槽は、電気加熱され、十分に撹拌され、様々な校正温度における媒体としてシリコーンオイルと溶融塩を使用します。

要素の種類

RTDセンサーには、薄膜、巻線、コイル型の3つの主要なタイプがあります。これらのタイプは産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。例えば、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
安価で広く利用されています。低温でも非常に再現性の高い結果が得られます。極めて広い温度範囲において最も信頼性が高く、一般的に大きなヒステリシスやひずみゲージ効果の影響を受けません。

歪みのない要素
SPRT(標準白金抵抗温度計)ガラスカプセル - RTD
不活性ガス(アルゴンなど)を充填した密閉ハウジング内に、最小限の支持で保持されたワイヤコイルを使用します。これらのセンサーは、最高961.78 °C(1,763.20 °F)まで動作し、ITS-90を規定するSPRT(標準白金抵抗温度計)に使用されます。 [説明が必要]これらのセンサーは、支持構造に緩く巻かれた白金線で構成されているため、素子は温度に応じて自由に膨張および収縮します。白金のループが前後に揺れ、変形を引き起こすため、衝撃や振動に非常に敏感です。

薄膜素子
薄膜PRT(白金抵抗温度計)
抵抗体には、通常プラチナなどの非常に薄い抵抗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がある。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、外部リード線のひずみを緩和する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、基板と堆積された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°F)までの温度で動作するが、ガラスやセラミックで適切にカプセル化すれば、600℃(1,112°F)まで動作することができる。特殊な高温 RTD 要素は、適切なカプセル化により、最高 900 °C (1,652 °F) まで使用できます。

巻線素子
巻き線式PRT
温度範囲が広い場合、特に広い範囲で精度が向上します。コイルの直径は、機械的安定性と、ワイヤの膨張を許容して歪みとそれに伴うドリフトを最小限に抑えることとの間の妥協点となります。センシングワイヤは、絶縁性のマンドレルまたはコアに巻き付けられます。巻きコアは円形でも平らでも構いませんが、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。素子ワイヤにかかるこの歪みは、熱測定誤差につながります。センシングワイヤは、通常、素子リードまたはワイヤと呼ばれる、より太い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。これらの素子は、660 °C までの温度で動作します。

コイル状要素
コイルエレメントPRT
産業界では、巻き線式素子に代わる新しいセンサが広く普及しています。この設計では、温度変化によって自由に膨張するコイル状のワイヤが機械的支持部によって保持されており、コイルの形状を維持します。この「歪みのない」設計により、センシングワイヤは他の材料の影響を受けずに膨張および収縮します。この点では、ITS-90のベースとなる主要標準であるSPRTに類似しており、産業用途に必要な耐久性も備えています。センシング素子のベースは、白金センシングワイヤの小型コイルです。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た、焼成された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充填されます。これにより、センシング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℃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。現在、産業界で最も一般的に使用されているデバイスは、0℃における公称抵抗が100Ωで Pt100センサーと呼ばれています(「Pt」は白金の記号、「100」は0℃における抵抗値(Ω)を表します)。また、Pt1000センサーも入手可能です。ここで、1000は0℃における抵抗値(Ω)を表します。標準的な100Ωセンサーの感度は、公称0.385Ω/℃です。感度0.375Ω/℃、0.392Ω/℃、その他様々な感度のRTDも利用可能です。

関数

抵抗温度計は様々な形状で作られており、場合によっては熱電対よりも優れた安定性、精度再現性を備えています。熱電対はゼーベック効果を利用して電圧を発生させますが、抵抗温度計は電気抵抗を利用するため、動作には電源が​​必要です。理想的には、抵抗はカレンダー・ヴァン・デューゼンの式に従って温度に対してほぼ直線的に変化します。

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保つ必要があります。白金線または白金フィルムは、型による差動膨張やその他の歪みが最小限に抑えられ、かつ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。鉄または銅製の 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の抵抗の温度係数は0.00385/°C (0.385%/°C) (欧州基本音程) です。[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。米国基本音程は 0.00392/°C で、[8]欧州規格よりも純度の高いグレードの白金を使用することに基づいています。米国規格は科学機器製造者協会 (SAMA) によるものですが、SAMA はこの規格分野にはもう関わっていません。その結果、「アメリカの標準」は米国でも標準とはほとんど言えなくなります。

リード線抵抗も測定に影響する可能性があります。2線式接続の代わりに3線式または4線式接続を採用することで、測定における接続リード抵抗の影響を排除できます(下記参照)。3線式接続はほとんどの用途に十分であり、ほぼ普遍的な産業用接続方法です。4線式接続は、最も高精度なアプリケーションに使用されます。

利点と限界

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
  • 精密用途に適しています。

制限事項:

工業用途におけるRTDは、660℃を超える温度で使用されることはほとんどありません。660℃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る白金の汚染を防ぐことがますます困難になります。そのため、実験室標準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。-270℃(3K)以下の非常に低温では、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、温度とは基本的に無関係になります。その結果、RTDの感度は実質的にゼロとなり、実用的ではありません。 [要出典]

サーミスタと比較すると、白金測温抵抗体(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、サーミスタは温度範囲が狭く、安定性も劣ります。

RTDと熱電対

産業用途における温度測定の最も一般的な方法は、測温抵抗体(RTD)と熱電対の2つです。どちらを選択するかは、通常、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°F)の場合、工業用RTD(測温抵抗体)が推奨されます。熱電対の測定範囲は-180~2,320℃(-292.0~4,208.0°F)であるため[9] 、 500℃(932°F)を超える温度では、物理学実験室で一般的に使用されている接触型温度測定装置です。
応答時間
プロセスにおいて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秒単位)が求められる場合、熱電対が最適です。応答時間は、1 m/s(3.3 ft/s)の速度で移動する水中にセンサーを浸漬し、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℃の許容誤差が許容範囲で、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、熱電対は使用開始後数時間でドリフトする可能性があります。

工事

これらの要素には、ほぼ常に絶縁リード線が必要です。約250℃以下の温度では、 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、ガラス繊維またはセラミックが使用されます。測定点、そして通常はほとんどのリード線には、ハウジングまたは保護スリーブが必要です。これらのスリーブは、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ることが多いです。保護シースは化学的または物理的攻撃に耐え、適切な接続ポイントを提供する必要があるため、保護シースの選定と設計には、センサー本体よりも細心の注意が必要です。

RTDの構造設計は、シース内に圧縮酸化マグネシウム(MgO)粉末を組み込むことで、衝撃や振動への耐性を高めることができます。MgOは、導体を外部シースから、そして導体同士を絶縁するために使用されます。MgOは、その誘電率、丸みを帯びた結晶構造、高温耐性、そして化学的不活性という特性から採用されています。

配線構成

2線構成

2線式抵抗温度計
2線式抵抗温度計

最もシンプルな抵抗温度計の構成は、2本の導線を使用します。この構成は、接続線の抵抗がセンサーの抵抗に加算され、測定誤差が生じるため、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、平衡ブリッジ(ホイートストンブリッジ)方式と固定ブリッジ方式にも同様に適用されます。

平衡ブリッジの場合、通常はR2 = R1、R3はRTDの測定範囲の中央付近に設定します。例えば、0~100℃(32~212°F)の温度を測定する場合、RTDの抵抗値は100Ω~138.5Ωの範囲になります。R3 = 120Ωを選択します。こうすることで、ブリッジで小さな測定電圧が得られます。

3線構成

3線式RTDホイートストンブリッジ
3線式RTDホイートストンブリッジ

リード抵抗の影響を最小限に抑えるために、3 線式構成を使用できます。ここに示す構成の推奨設定は、R1 = R2、R3 を RTD の範囲の中央付近にすることです。ここに示すホイートストン 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) は差の V_rtd − V_R3 になります。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 かつ R1、R2 >> RTD、R3 の場合には常に適用されます。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線構成

4線式抵抗温度計、DVM(デジタル電圧計)
4線式抵抗温度計、DVM(デジタル電圧計)

4線式抵抗測定構成は、抵抗測定の精度を向上させます。4端子センシングにより、測定リードにおける電圧降下が誤差要因として排除されます。さらに精度を高めるために、異なる種類のリード線やネジ接続によって発生する残留熱起電力は、1mA電流の方向とDVM(デジタル電圧計)へのリード線の方向を反転させることで除去されます。熱起電力は一方向にのみ発生します。反転した測定値を平均化することで、熱起電力誤差電圧は相殺されます。[要出典]

RTDの分類

超高精度白金抵抗温度計(UPRT)
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実現されています。UPRTの素子は、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製で、内部支持体は石英または溶融シリカ製です。シースは、温度範囲に応じて、通常は石英製ですが、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は広い温度範囲(-200 °C~1000 °C)を持ち、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。
標準白金抵抗温度計(標準PRTまたはSPRT)
実験室用白金抵抗温度計(PRT)のもう一つの分類は、標準白金抵抗温度計(標準PRTまたはSPRT)です。UPRTと同様の構造ですが、使用する材料はよりコスト効率に優れています。SPRTは通常、基準グレードの高純度小径白金線、金属シース、セラミック絶縁体を使用します。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℃~500℃)、温度範囲全体で約±0.03℃の精度です。
産業用PRT
産業用PRTは、産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を備えています。用途に応じて、薄膜またはコイル巻きの素子を使用できます。内部リード線は、センサーのサイズと用途に応じて、PTFE絶縁のニッケルメッキ銅撚線から銀線まで、様々な材質を使用できます。シース材質は通常ステンレス鋼ですが、高温用途ではインコネルが使用される場合があります。特殊な用途では、その他の材料が使用されます。

歴史

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]電気伝導体温度上昇に伴って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記念講演ウィリアム・シーメンズ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計を発明し、3項補間式を提示しました。シーメンスのRTDは温度測定の不安定さから急速に人気を失いました。1885年、ヒュー・ロングボーン・カレンダーは白金抵抗温度計として初めて商業的に成功したRTDを開発しました。

1971年にエリクソン、クーサー、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示す6種類の貴金属合金(63Pt37Rh、37Pd63Rh、26Pt74Ir、10Pd90Ir、34Pt66Au、14Pd86Au)が特定されています。63Pt37Rh合金は、熱電対に用いられる入手しやすい70Pt30Rh合金線に類似しています。[11]

スペースシャトルは白金抵抗温度計を多用しました。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事例( STS-51Fミッション)は、RTD(抵抗温度計)が複数回の加熱と冷却の繰り返しによって脆くなり、信頼性が低下したことが原因でした。(センサーの故障により、燃料ポンプが危険な過熱状態にあると誤認され、エンジンが自動的に停止しました。)このエンジン故障事故の後、RTDは熱電対に交換されました。[12]

標準抵抗温度計データ

温度センサーは通常、薄膜素子で供給されます。抵抗素子はBS EN 60751:2008に従って以下のように定格されています。

許容クラス有効範囲
F0.3−50~+500℃
F 0.15−30~+300℃
F 0.10~+150℃

1000℃まで動作する抵抗温度計素子を供給可能です。温度と抵抗の関係は、カレンダー・ヴァン・デューゼンの式で表されます。

ここで、温度Tでの抵抗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。

B係数とC係数は比較的小さいため、抵抗は温度とともに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。

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。

温度
(℃)
抵抗(Ω)
ITS-90 Pt100 [14]
Pt100
タイプ: 404
Pt1000
タイプ: 501
PTC
タイプ: 201
NTC
タイプ: 101
NTC
タイプ: 102
NTC
タイプ: 103
NTC
タイプ: 104
NTC
タイプ: 105
−5079.90119280.31803.11032
−4581.92508982.29822.91084
−4083.94564284.27842.7113550475
−3585.96291386.25862.5119136405
−3087.97696388.22882.2124626550
−2589.98784490.19901.913062608319560
−2091.99560292.16921.613661941414560
−1594.00027694.12941.214301459610943
−1096.00189396.09960.91493110668299
−598.00047098.04980.41561313898466
099.996012100.001000.01628238686536
5101.988430101.951019.51700182995078
10103.977803103.901039.01771141303986
15105.964137105.851058.5184710998
20107.947437107.791077.919228618
25109.927708109.731097.32000680015000
30111.904954111.671116.72080540111933
35113.879179113.611136.1216243179522
40115.850387115.541155.4224434717657
45117.818581117.471174.723306194
50119.783766119.401194.024155039
55121.745943121.321213.22505429927475
60123.705116123.241232.42595375622590
65125.661289125.161251.6268918668
70127.614463127.071270.7278215052
75129.564642128.981289.8288012932
80131.511828130.891308.9297710837
85133.456024132.801328.030799121
90135.397232134.701347.031807708
95137.335456136.601366.032856539
100139.270697138.501385.03390
105141.202958140.391403.9
110143.132242142.291422.9
150158.459633157.311573.1
200177.353177175.841758.4
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参照

注記

  1. ^ 長期間にわたる周囲の影響下での繰り返し測定の一貫性
  2. ^ 周囲の環境の影響下で、同じ温度に対して同じ測定値は変化しないことを意味します。

プラチナは1874年にウィリアムズ・シーメンスによって提案されました。

参考文献

  1. ^ ab Jones, Deric P. (2010), センサーテクノロジーシリーズ: バイオメディカルセンサー, Momentum Press, ISBN 9781606500569、 2009年9月18日閲覧。
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  5. ^ Carbon Resistors (PDF) 、 2011年11月16日閲覧
  6. ^ RTD要素の種類
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  14. ^ Strouse, GF (2008). 「Ar TPからAg FPまでの標準白金抵抗温度計の校正」メリーランド州ゲイサーズバーグ:国立標準技術研究所.
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