抵抗温度検出器またはRTD | 構造と動作原理

RTD（抵抗温度検出器）とは何か

抵抗温度検出器（Resistance Temperature Detector、または抵抗温度計またはRTDとも呼ばれる）は、電線の抵抗を測定することによって温度を決定するために使用される電子デバイスです。この電線は温度センサーと呼ばれています。高精度で温度を測定したい場合、RTDは理想的なソリューションであり、広い温度範囲で良好な線形特性を持っています。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ともにどのように変化するかは以下の式で表されます。

ここで、RtとR0はそれぞれto℃とt0o℃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に対して適用されます。狭い温度範囲の場合、式は次のようになります。

RTDデバイスでは、銅、ニッケル、プラチナが広く使用されています。これらの3つの金属は、温度変化に対する抵抗変化が異なります。これが抵抗-温度特性と呼ばれます。

プラチナの温度範囲は650oCであり、銅とニッケルはそれぞれ120oCと300oCです。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、その抵抗は約0.4オーム/度の速度で変化します。

プラチナの純度はR100 / R0を測定することで確認されます。なぜなら、実際にRTDを作成するために使用している材料は純粋であるべきだからです。それが純粋でない場合、従来の抵抗-温度グラフから逸脱し、αとβの値も金属により変わります。

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、マイカのクロスフレームに設置され、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長さが伸びるときの物理的なひずみは無視できるほど小さくなります。ワイヤーのひずみが増えると、張力が増加し、望ましくない抵抗の変化が生じます。したがって、温度変化以外の不要な変化による抵抗の変化は避けたいです。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役立ちます。マイカは、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、より良い電気絶縁を提供します。抵抗ワイヤーのひずみが少ないため、マイカシート上に慎重に巻きつける必要があります。図2は産業用抵抗温度検出器の構造を示しています。

RTDの信号調整

市場でこのRTDを入手できますが、それをどのように使用するか、どのように信号調整回路を作るかの手順を知っておく必要があります。これにより、リードワイヤーの誤差や他の校正誤差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するもので非常に小さいです。

したがって、RTDの値はブリッジ回路を使用して測定されます。ブリッジ回路に一定の電流を供給し、抵抗の両端の電圧降下を測定することで、RTDの抵抗値を計算することができます。これにより、温度も決定することができます。この温度は、RTDの抵抗値を校正式を使って変換することで決定されます。RTDの異なるモジュールは以下の図に示されています。



2本ワイヤーRTDブリッジでは、ダミーワイヤーはありません。残りの2つの端子から出力を取ります（図3参照）。しかし、延長ワイヤーの抵抗は考慮することが重要です。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RTDブリッジ回路で最小限に抑えられます。

ワイヤAとBが長さと断面積で適切にマッチングされている場合、それらのインピーダンス効果は互いに打ち消されます。そのため、ダミーワイヤーCはRTD抵抗の電圧降下を測定するためのセンスリードとして機能し、電流は流れません。これらの回路では、出力電圧は温度に直接比例します。したがって、温度を見つけるために校正式が必要です。

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を求めることができます。その後、校正式を使って温度値を求めることができます。ここでは、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。これを手動で行うこともできますが、手動計算を避ける場合は、単に式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。RLが存在する場合、Rgの式は次のようになります：

したがって、RL抵抗により、RTD抵抗値に誤差が生じます。そのため、すでに説明したように、ダミーライン‘C’を接続することでRL抵抗を補償する必要があります（図4参照）。

抵抗温度検出器またはRTDに関するビデオプレゼンテーション

RTDの制限