RTDセンサで温度を計測する方法

はじめに

温度は、最も頻繁に記録される物理的な計測値であることをご存知ですか？
人体から自動車のエンジンまで、あらゆるものを正しく動かすには、温度を知ることが重要です。

温度は適切な温度センサで計測します。そのために使用される温度センサはいくつかありますが、私たちはすべてのセンサをサポートしています。

• 熱電対センサ（012 熱電対センサを使用した温度計測 参照）
• RTDセンサ（この記事で説明）
• サーミスタセンサ

この記事では、世界で最も人気のある温度センサの1つであるRTDセンサについて説明します。

RTDセンサとは何ですか？

RTDは熱電対に比べ、一般に測定範囲内で直線的でドリフトが少ないのが特徴です。しかしプラチナを含んでおり構造が複雑なため、熱電対よりも高価です。RTDは「測温抵抗体」と呼ばれることもあります。

一般的なRTDセンサ

RTDは、科学研究アプリケーション，産業アプリケーション，製薬アプリケーションで頻繁に使用されます。これらの用途に共通しているのは、コストよりも精度とドリフトフリーの性能が重要であり、センサタイプを選択する際に熱電対よりもRTDを優先することです。

しかし、それらは消費者製品でも頻繁に使用されています。 食器洗い機，衣類乾燥機，トースターやオーブントースター，壁のサーモスタット，エアコン，冷蔵庫，冷凍庫，そして携帯電話の中にもあります。もちろん、これらはRTDの非常に小型で安価なバージョンです。

RTDセンサの種類

RTDセンサの構造には主に3つのタイプがあります。

• 巻線式RTD
• 薄膜式RTD
• コイル状エレメントRTD

それぞれに長所と短所がありますので見てみましょう。

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巻線式RTD

巻線式RTDセンサは、セラミック製の非導電性のコアに細いワイヤ（センシングを行う抵抗線）を巻き付けたものです。 抵抗線には、プラチナ，ニッケル，銅が最もよく使われますが、これらはそれぞれ温度と抵抗の関係が非常にリニアで正確であるためです。それぞれの金属については、次の段落で詳しく紹介します。

一般的な巻線式RTDセンサ

薄膜式RTDはコイル状および巻線式よりも安価であるため、産業用アプリケーションで非常に人気があります。しかし、R0を精密に調整することができないため、他のタイプに比べると精度が劣ります。また、サイズが小さいため、自己発熱の現象が起こりやすくなっています。

薄膜式RTD

薄膜式RTDセンサは、セラミック基板上に非常に薄いプラチナ膜を蒸着したものです。組立品やフィルムを保護するために、通常ガラスやエポキシ樹脂がコーティングされています。ほとんどの薄膜式RTDは300℃までしか使えませんが、ある特殊な構成では、より高いレンジが可能になります。

一般的な薄膜式RTDセンサ

薄膜式RTDは、コイル状および巻線式よりも安価であるため、産業用アプリケーションで非常に人気があります。しかし、R0を精密に調整することができないため、他のタイプに比べると精度が劣ります。また、サイズが小さいため、自己発熱の現象が起こりやすくなっています。

コイル状エレメントRTD

これは抵抗線を非常に小さなコイル状にし、温度の変化に応じて自由に伸縮できるようにしたものです。それにより温度による機械的ストレスで抵抗値が変化し、計測に影響を与えることを防ぎます。このコイルはセラミックボディの中に設置され、その周囲を非導電性の粉末で覆っています。

一般的なコイル状エレメントRTDセンサ

コイル状エレメントRTDは、産業用アプリケーションで非常に人気があります。それらを保護するためにしばしば、金属製のシースの中に設置されています。

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RTDの温度の測り方

パッシブセンサである熱電対とは異なり、RTDは電気抵抗の原理で動作します。抵抗の変化を計測するためには、それらに小さな電流を流す必要があります。そのためDAQシステムのシグナルコンディショナは出力を読み取るために、このセンサの電力または「励起」を供給する必要があります。

RTDは特定の金属が抵抗と温度の間に、非常に安定した正確な関係を持つという原理に基づいて動作します。銅は最も優れた抵抗値対温度比を持っていますが、高温ではプラチナRTDほどうまく機能しません。

R v. T

言い換えれば、温度変化ごとに観察される抵抗値の変化量は、非常に線形で再現性があります。これは抵抗温度係数とも呼ばれます。

この抵抗値の変化を測定することで、温度変化を測定することができます。さまざまな金属によって、精度が異なり、また使用できる温度範囲も異なります。

3大RTDタイプのトップレベル比較

RTDの抵抗比とは何ですか？

温度変化に対する抵抗値の変化の傾きを抵抗比といいます。具体的には、0℃（R0）から100℃（R100）までの変化に対する平均的な傾きのことです。これは次のように書かれています。

(R100 - R0) / R0

プラチナ，ニッケル，銅といった特定の金属を選択することは、抵抗比に最も大きな影響を及ぼします。しかし、金属そのものの純度も要因の一つです。例えば、科学的アプリケーションに使用されるRTDには最も純度の高いプラチナが使用されますが、それほど高い精度を必要としない産業アプリケーションで使用されるRTDには、やや純度の低いプラチナを使用することができます。

抵抗とアルファの比較

特にプラチナの抵抗比は広いので、ニッケルや銅よりも計測範囲が広くなっています。
定数「アルファ」（α）は、単に抵抗比を100で割ったものです。

RTDモデル

RTDではプラチナが最も一般的であるため、PT100センサ（またはpt100プローブ）などのRTDモデルへのリファレンスを目にすることがあります。「PT」は「プラチナ」を意味し、100Ωは0℃での抵抗値（これが「R0」）です。PT100プラチナRTDは、現在市場で最も普及しているRTDです。

また、100℃での公称抵抗値が10倍となるPT1000モデルもあります。センサからの出力も高くなります。PT100モデルはいくつかのタイプ（巻線式、薄膜式）がありますが、PT1000モデルは通常、薄膜式のみです。

一般的なプラチナPt100RTDセンサ

デファクトスタンダードであるPT100は、非常に幅広い機器やアプリケーションと互換性があります。しかし、PT1000にはPT1000の良さがあります。たとえば、リード線が非常に長い場合は、抵抗値が高くなるため、より優れています。抵抗が高いということは、自己発熱と消費電力が少ないことも意味します。これは、バッテリ駆動のアプリケーションに最適です。

なお、500Ωが0℃での抵抗値であるPT500というモデルもあります。しかし、PT100やPT1000に比べると滅多にありません。PT2000というモデルもあり、0℃でのR0は2kΩです。

RTD配線方法

RTDは2線式センサですが、1線または2線を追加することにより(3線および4線接続)、自己発熱とリード線抵抗に対する補償が向上するため、強く推奨されています。したがって、2線式接続も可能ですが、Dewesoft社のシグナルコンディショナは、可能な限り最高の精度を提供するために、3線式および4線式接続をサポートしています。

3線式RTD接続

一般的な3線式接続では、RTDの出力はシグナルコンディショナのピン1（In +）とピン2（In-）に接続されます。 正の励起（Exc +）は、センサケーブルを通ってRTDまで延びるピン4から適用されます。 負の励起（Exc-）は、DAQシステムのピン2と3の間でジャンパされます。 ケーブルシールドからのドレインは、グランドループを回避するためにシグナルコンディショナにのみ接続されています。

そのため、このセンサケーブルには3本のワイヤーを使用し、編組または箔のシールドが必要です。

4線式RTD接続

4線式は、励磁のプラスとマイナスの両方がケーブルを通してRTDにつながることを除けば、同様です。この方式は、リード線の抵抗や自己発熱のエラーを排除するという点で、可能な限り最高のパフォーマンスを提供します。

そのため、このセンサケーブルには4本のワイヤーを使用し、編組または箔のシールドが必要です。

DIN RTD精度基準

RTDの精度は、DIN規格曲線が一般的です。これは、PT100センサのR対T比に基づいています。この規格では、0℃でのベース抵抗が100Ω，アルファ値（α）が0.00385と規定されています。

DIN規格のRTDには、次の3つの標準公差クラスがあります。

プラチナ，ニッケル，銅　どれを選ぶ？

RTDの主要な3種類の金属はどのように選ばれているのか、またその理由は？
下の表は、プラチナ，ニッケル，銅のRTDの主な用途を示したものです。

RTDメタルによるアプリケーション

RTDアプリケーションの広い世界

RTDは世界中で文字通り何千ものアプリケーションで使用されていますが、ここではそのいくつかを紹介します。

• 自動車：エンジンブロック温度，吸気口センサ，冷却水温度，外気温度，気候制御システム，オイル温度
• 食品加工：製造および保管中の温度監視，生鮮食品の出荷監視
• 医薬品：製造および保管中の温度監視
• HVAC：気温監視，火災検知，自動気候制御
• 航空宇宙：エンジン温度，冷却水温度，コンプレッサ温度，燃料タンク監視，火災制御装置
• 産業用：機械温度，電気モータ，巻線，発電機，熱電対補償（CJC），オーブン，マイクロ波電力測定
• 医療：乳児保育器，呼吸装置，透析装置
• 通信：増幅器の監視，送信機の温度補償
• コンピュータ：突入電流制限
• 科学および研究室：全分野にわたる研究
• 消費者製品：コーヒーメーカー，携帯電話，家庭用気象観測装置，バッテリーパック，トースター，サーモスタット，給湯器，冷蔵庫と冷凍庫，食器洗い機，衣類洗濯機と乾燥機，エアコン，電気毛布

RTD計測の課題と解決策

前述の通りRTDの接続は熱電対よりも複雑ですが、DewesoftのDAQシステムでは、センサとDAQシステムを簡単に接続できます。KRYPTONやIOLITEなど、特定の製品シリーズではRTDセンサ専用のシグナルコンディショナを提供しています。DSI-RTDアダプタを使用することで、すべてのDewesoftDAQシステムにRTDを接続できます。

出力が小さいセンサにはノイズがつきものですが、高アイソレーション入力は考えられる限りの最善の防止策です。さらに、自己発熱エラーを減らすために2線式および3線式接続をサポートしており、DewesoftはRTDやほとんど全てのセンサに対して非常に正確なDAQシステムを提供しています。

ノイズを低減する別の方法は、計測システムをできるだけセンサの近くに配置することです。長い信号線を回避することは、信号の忠実度を最大化しコストを削減するために有効な戦略です。特にKRYPTONモデルは、計測ポイントに直接配置することができ、信号がすぐにデジタル化され EtherCATを介してタイムスタンプ付きでDAQシステムに返送されるため、長いリード線の問題を回避することができます。

RTDセンサのメリット

• 最も安定している
• 最も正確
• 熱電対より線形

RTDセンサのデメリット

• 熱電対やサーミスタより高価
• センサの電力が必要
• 計測範囲が狭い
• 絶対抵抗が低い
• 自己発熱の補正が必要

基本的な比較：熱電対，RTD，サーミスタ

代表的な仕様

RTDセンサ用のDewesoftの計測器

Dewesoftは、温度を効果的に計測，保存，表示できるいくつかのDAQシステムを提供しています。そして科学，医療，製薬の分野で最も頻繁に使用されている温度センサであるRTD（測温抵抗体）を接続することで、それを実現することができます。DewesoftのDAQシステムは、1～数百チャネルの温度をリアルタイムに計測，保存，解析，および視覚化できます。

KRYPTONシリーズ RTD測定

KRYPTONは、Dewesoft製品の中でも最も堅牢なデータ収録製品です。極端な温度，衝撃，振動に耐えるように設計されており、IP67に準拠し水やほこりなどから保護されます。

これらはEtherCAT経由であらゆるWindowsコンピュータ（Dewesoft社製の堅牢なIP67対応KRYPTON-CPUモデルを含む）に接続され、最大50mまで離すことができるので、信号源の近くに配置することが可能です。 SIRIUSと同様、収録解析ソフトウェアDewesoft Xも搭載しています。

RTDセンサは、KRYPTON RTDシグナルコンディショニングモジュールに直接接続することができます。8チャネル構成(KRYPTONi-8xRTD)で使用可能です。

KRYPTONi-8xRTD：ユニバーサルRTDシグナルコンディショナ付DAQモジュール

KRYPTON STGモジュールとDSI-RTD（DSIアダプタ）を使用すれば、RTDセンサの計測も可能です。

いろいろなDSIアダプタが接続されたマルチチャネルKRYPTONi-6xSTG

KRYPTONモジュールの相互参照と、RTDや熱電対，温度測定用に作られたDSIアダプタとの互換性を紹介します。KRYPTONでは、PT100, PT200, PT500, PT1000, PT2000といったRTDセンサをネイティブに扱える8チャネルのRTDモジュールを提供しています。

KRYPTON マルチチャネル モジュール

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IOLITE-RとIOLITEシリーズ RTD計測

IOLITEとIOLITEdは、リアルタイム産業用制御システムの本質的な機能と強力なDAQシステムを組み合わせた製品です。IOLITEを使えば、数百のアナログ/デジタルチャネルをフルスピードで記録しながら、同時にサードパーティのEtherCATマスターコントローラにリアルタイムでデータを送信することが可能です。

左：IOLITE-R12（PC接続ラックタイプ)　　右：IOLITE-R8（PC接続ボックスタイプ）

DAQシステムの優れた性能に加えEtherCATによるリアルタイム制御、そして収録解析ソフトウェアDewesoft X がDAQ組み合わされています。

産業用DAQモジュール　IOLITEシリーズ

IOLITE入力モジュールの相互参照と、RTDや熱電対，温度測定用に作成されたDSIアダプタとの互換性を紹介します。

IOLITE

IOLITEi-8xRTDアンプモジュールは、チャネル-グランド間絶縁だけでなく、最大1000Vまでのチャネル-チャネル間絶縁を提供します。24ビットΔΣADCにより、最大100S/sのサンプルレートで8チャネル全てから同時にデータを収録します。このモジュールは、最大10kΩの抵抗計測や最大1Vの電圧計測にも使用できます。

RTDセンサ用IOLITEi-8xRTDモジュール

6xSTGモジュールは8チャネルではなく6チャネルであることを除けば、サンプルレートとアイソレーションの仕様は同じです。6xSTGは、DSIシリーズのアダプタとの互換性に加えて、ひずみゲージ，抵抗，低電圧の計測が可能な、非常に用途の広いモジュールです。

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SIRIUSシリーズ RTD計測

SIRIUSは、Dewesoft製品のフラッグシップモデルです。収録解析ソフトウェアDewesoftXと組み合わせて、最高のパフォーマンスを発揮します。

RTDをSIRIUSデータ収録システムに接続するには、DSIアダプタを使用します。

SIRIUSは、USBやEtherCATでコンピュータに接続するモジュール式の「スライス」，R3ラックマウントシステム，コンピュータを内蔵したR1，R2，R8スタンドアロンシステムなど、さまざまな構成を用意しています。

SIRIUSラインナップ

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DSI-RTDアダプタは、Pt100，Pt200，Pt500，Pt1000，およびPt2000を含むいくつかの一般的なタイプのRTDセンサと互換性があります。

DSI-RTDアダプタ

DSIアダプタは内蔵のTEDSセンサインタフェースを使用して、収録解析ソフトウェアDewesoftXで自動的に構成することができます。DSI-RTDアダプタを、選択したSIRIUSのDB9入力に差し込み、ハードウェア設定画面で設定を確認するだけで、計測を開始することができきます。

SIRIUSモジュールの相互参照と、温度計測用に作成された各種DSIアダプタとの互換性を紹介します。

※SIRIUS-STGシグナルコンディショナはRTDをネイティブに扱えるため、DSI-RTDは必要ありません。

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DEWE-43AとMINITAURs RTD計測

DEWE-43Aは、非常にポータブルなハンディタイプの汎用データ収録システムです。 ロック式のUSBコネクタでコンピュータに接続し、8つのユニバーサルアナログ入力を備えています。 その "兄貴分 "がMINITAURsです。これはDEWE-43Aにコンピュータといくつかの機能を組み合わせ、携帯性の高い一つの筐体に収めたものです。 両システムのユニバーサル入力は、DewesoftのDSIアダプタと互換性があり、8つの入力チャネルのいずれか、またはすべてにRTDセンサを接続することができます。

左：DEWE-43A　　右：MINITAUR

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