抵抗温度検出器とは何か
抵抗温度検出器とは何ですか？
抵抗温度検出器の定義
抵抗温度検出器（Resistance Temperature Detector、または略してRTD）は、電線の抵抗を測定することによって温度を決定する電子デバイスです。この電線は温度センサーと呼ばれます。高精度な温度測定が必要な場合、RTDは広い温度範囲で良好な線形特性を持つため理想的なソリューションです。他の一般的な温度測定用電子デバイスには、熱電対やサーミスタがあります。
金属の抵抗値が温度と共に変化する関係は以下の式で表されます。
ここで、RtとR0はそれぞれtoCおよびt0oCの温度での抵抗値です。αとβは金属に依存する定数です。この式は広い温度範囲で使用されます。狭い温度範囲では、以下の式を使用することができます。この表現は広い温度範囲に対して適用されます。狭い温度範囲に対しては、以下の式が使用できます。
RTDデバイスは銅、ニッケル、プラチナなどの金属を一般的に使用します。各金属には温度変化に対応する独自の抵抗変化があり、これを抵抗-温度特性と呼びます。
プラチナは650℃の温度範囲を持ち、銅とニッケルはそれぞれ120℃と300℃の温度範囲を持っています。図1は3つの異なる金属の抵抗-温度特性曲線を示しています。プラチナの場合、その抵抗値は温度1度あたり約0.4オーム変化します。
RTD内のプラチナの純度は、R100 / R0の比によって確認されます。材料中の不純物は期待される抵抗-温度グラフから逸脱し、特定の金属に対するαとβの値に影響を与えます。
抵抗温度検出器またはRTDの構造
通常、ワイヤーはコイル状に巻かれ、ノッチ付きミカのクロスフレームに巻かれることで小型化され、熱伝導性が向上し、応答時間が短縮され、高い熱伝達率が得られます。産業用RTDでは、コイルはステンレス鋼製のシースまたは保護管で保護されています。
これにより、ワイヤーが温度変化に伴って伸びる際に物理的なストレスが最小限に抑えられます。ワイヤーのストレスが増えると、張力も増加します。そのため、望ましくない抵抗値の変化が生じます。したがって、温度変化以外の不要な変化による抵抗値の変化は避けたいものです。
これは、プラントが稼働中にRTDのメンテナンスを行う際にも有用です。ミカは、ステンレス鋼製のシースと抵抗ワイヤーの間に配置されて、より良い電気絶縁を提供します。抵抗ワイヤーのストレスが少ないため、ミカシート上に慎重に巻かれる必要があります。図2は、産業用抵抗温度検出器の構造図を示しています。
RTDの信号調整
市場でこのRTDを入手することができますが、どのように使用し、どのように信号調整回路を作成するかの手順を知っておく必要があります。これにより、リードワイヤーのエラーおよび他のキャリブレーションエラーを最小限に抑えることができます。このRTDでは、抵抗値の変化は温度に対して非常に小さいです。
RTDの抵抗はブリッジ回路を使用して測定され、一定の電流を供給し、抵抗器間の電圧降下を測定して温度を計算します。この温度は、RTD抵抗値をキャリブレーション式を使用して換算することで決定されます。以下に示す図は、RTDの異なるモジュールを示しています。
2本ワイヤーのRTDブリッジでは、ダミーワイヤーは存在しません。残りの2つの端子から出力を取ります（図3）。しかし、延長ワイヤーの抵抗は考慮する必要があります。なぜなら、延長ワイヤーのインピーダンスが温度読み取りに影響を与える可能性があるからです。この影響は、ダミーワイヤーCを接続することで3本ワイヤーのRTDブリッジ回路で最小限に抑えられます。
3本ワイヤーのRTDでは、ワイヤーAとBが長さと断面積が同じであれば、そのインピーダンス効果は互いに中和されます。ダミーワイヤーCは、電流を流さずに電圧降下を測定するセンシングリードとして機能します。これらの回路では、出力電圧は直接温度に比例します。したがって、温度を見つけるために1つのキャリブレーション方程式が必要です。
3本ワイヤーRTD回路の式
VSとVOの値を知っている場合、Rgを見つけ、キャリブレーション方程式を使用して温度値を見つけることができます。ここで、R1 = R2と仮定します。
R3 = Rgの場合、VO = 0となり、ブリッジはバランスします。これは手動で行うことができますが、手動計算を行いたくない場合は、方程式3を解いてRgの式を得ることができます。
この式は、リード抵抗RL = 0の場合を想定しています。もしRLが存在する場合、Rgの式は以下のようになります。
したがって、RL抵抗の存在により、RTD抵抗値に誤差が生じます。これが、既に説明したように、図4のようにダミーライン‘C’を接続してRL抵抗を補償する必要がある理由です。
RTDの制限事項
RTD抵抗では、デバイス自体がI2R発熱を引き起こし、微小な加熱効果が生じます。これをRTDの自己加熱と呼びます。これにより誤った読み取りが生じることがあります。したがって、RTD抵抗を通る電流は十分に低くかつ一定に保たれ、自己加熱を避ける必要があります。
