RTDを使用した温度測定入門

更新しました May 23, 2021

環境

ハードウェア

  • CompactDAQ Chassis

ソフトウェア

  • LabVIEW

ドライバ

  • NI-DAQmx

オペレーティング・システム

  • Windows

このドキュメントは、最も一般的な測定のハウツーガイドの一元化されたリソースポータルの一部です。

RTDの概要

白金測温抵抗体(Resistance Temperature Detector; RTD)は、0°Cでの標準抵抗が100Ωのデバイスです。これは、プラスチックフィルム上のプラチナの薄膜で構成されています。その抵抗は温度によって変化し、通常は850°Cまでの温度を測定できます。 RTDに電流を流すと、RTDの両端に電圧が発生します。この電圧を測定することにより、その抵抗、したがってその温度を決定できます。抵抗と温度の関係は比較的線形です。

図1. RTDの物理アーキテクチャ
RTDの基礎

RTDは、純金属の電気抵抗の変化の原理に基づいて動作し、温度による抵抗の線形の正の変化を特徴としています。 RTDに使用される代表的な元素には、ニッケル(Ni)と銅(Cu)がありますが、温度範囲、精度、安定性が広いため、白金(Pt)が圧倒的に一般的です。

RTDは、2つの異なる製造構成のいずれかを使用して構築されます。巻線RTDは、細いワイヤをコイルに巻くことによって作成されます。より一般的な構成は、プラスチックまたはセラミック基板上に配置された非常に薄い金属層で構成される薄膜要素です。薄膜素子は、より少ない白金でより高い公称抵抗を達成できるため、より安価で広く入手できます。 RTDを保護するために、金属シースがRTDエレメントとそれに接続されたリード線を囲みます。

安定性のために人気のあるRTDは、電子温度センサーの温度に対して最も線形な信号を示します。ただし、プラチナの慎重な構造と使用のため、一般的に代替品よりも高価です。 RTDは、応答時間が遅く、感度が低いという特徴もあります。また、RTDは電流励起を必要とするため、自己発熱する傾向があります。

RTDは通常、0°Cでの公称抵抗によって分類されます。白金薄膜RTDの一般的な公称抵抗値には、100Ωと1000Ωが含まれます。抵抗と温度の関係はほぼ線形であり、次の式に従います。

<0°Cの場合RT = R0 [1 + aT + bT^2 + cT^3(T-100)](式1)

> 0°Cの場合RT = R0 [1 + aT + bT^2]

ここで、RT =温度Tでの抵抗

R0 =公称抵抗

a、b、およびc = RTDのスケーリングに使用される定数

一般にPt100と呼ばれる100Ωの白金RTDの抵抗/温度曲線を図2に示します。

図2. 100ΩプラチナRTDの抵抗-温度曲線、a = 0.00385
この関係は比較的直線的に見えますが、正確なRTD測定を行うには、カーブフィッティングが最も正確な方法であることがよくあります。

最も一般的なRTDは、aが0.385%/°Cの白金薄膜であり、DIN EN 60751に従って指定されています。値は、使用する白金のグレードによって異なり、通常は0.3911%/°Cと0.3926%も含まれます。この値は金属元素の感度を定義しますが、通常、さまざまなRTDの抵抗/温度曲線を区別するために使用されます。

表1.一般的なRTDに対応するCallendar-VanDusen係数
標準温度係数(a)ABC
DIN 437600.003850
アメリカン0.003911
ITS-900.003926
* 0°C未満の温度の場合のみ。 0°Cを超える温度の場合、C = 0.0。

RTD測定を行う方法

RTDによる温度の測定

すべてのRTDは通常、赤と黒、または赤と白のワイヤと色の組み合わせで提供されます。赤い線は励起線で、黒または白の線はアース線です。どのワイヤが抵抗素子のどちら側に接続されているかわからない場合は、デジタルマルチメータ(DMM)を使用してリード間の抵抗を測定できます。抵抗が0Ωに近い場合、リード線は同じノードに接続されています。抵抗が公称ゲージ抵抗に近い場合(100Ωは一般的なRTD公称ゲージ抵抗です)、測定しているワイヤは抵抗素子の反対側にあります。さらに、RTDの仕様を参照して、その特定のデバイスの励起レベルを確認します。

ほとんどの機器は、RTD測定用に同様のピン構成を提供します。次の例では、使用RTD測定のデモンストレーションをCompactDAQ シャーシおよびNI 9217 RTDモジュール(図3)を用いて行います。チャンネル数の多い測定システム向けに、NIはPXIe-4357 RTD入力モジュール を提供しています。


図3.NICompactDAQシャーシとNI9217RTDモジュール

図4. PXIe-4357RTDモジュール

RTDはパッシブ測定デバイスです。したがって、励起電流を供給してから、端子間の電圧を読み取る必要があります。その後、簡単なアルゴリズムを使用して、この読み取り値を温度に簡単に変換できます。 RTDを流れる電流によって引き起こされる自己発熱を回避するには、この励起電流を可能な限り最小限に抑えます。 RTDを使用して温度を測定するには、基本的に3つの異なる方法があります。

2線式–RTD信号接続

赤いRTDリード線を励起のプラス極(EX+)に接続します。データ収集デバイスの励起プラス極(EX+)からチャネルプラス極(CH+)へのジャンパーを配線します。黒(または白)のRTDリード線を励起のマイナス極(EX-)に接続します。データ収集デバイスの励起マイナス極(EX-)からチャネルマイナス極(CH-)へのジャンパーを配線します。


図4. 2線式RTD測定

2線式では、RTDに励起電流を供給する2本の線と、RTD電圧が測定される2本の線は同じです。

RTDで温度を読み取る最も簡単な方法は、2線式を使用することです。ただし、この方法の欠点は、ワイヤのリード抵抗が高い場合、測定された電圧VOがRTD自体の両端に存在する電圧よりも大幅に高くなることです。 NI 9217は、2線式測定構成をサポートしていません。

3線式–RTD信号接続

赤いRTDリード線を励起のプラス極(EX+)に接続します。励起プラス極(EX+)からデータ収集デバイスのチャネルプラス極(CH+)へのジャンパを配置します(注:この手順はNI 9217では必要ありません。これらの2つのチャネルは内部で接続されています。以下を参照してください)。黒(または白)のRTDリードの一方を励起マイナス極(EX-)に接続し、もう一方をチャネルマイナス極(CH-)に接続します。

図5に、測定用の外部接続とNI 9217 RTDモジュールのピン配列を示します。 NI 9217が内部で励起端子に接続しているため、励起プラス極(EX+)はRTD0 +に接続されています。


図5. 3線式RTD測定

4線式–RTD信号接続

このRTDを接続するには、抵抗素子のプラス側にある赤いリード線のそれぞれを、データ収集デバイスの励起プラス極とチャネルプラス極に接続するだけです。抵抗素子の負側にある黒(または白)のリード線を、データ収集デバイスの励起およびチャネルマイナス極に接続します。 2線式RTDからの2つの追加リードにより、測定精度が向上します。図6に、測定用の外部接続とNI 9217 RTDモジュールのピン配列を示します。


図6. 4線式RTD測定

4線式方式には、リード線が高インピーダンス経路上にあるためリード抵抗の影響を受けないという利点があります。したがって、RTDの両端の電圧をはるかに正確に測定できます。

RTDノイズに関する考慮事項

RTD出力信号は通常ミリボルト範囲で動作するため、ノイズの影響を受けやすくなります。RTDデータ収集システムで一般的に高周波ノイズはローパスフィルターによって効果的に除去できます。たとえば、ローパスフィルタはほとんどの実験室やプラントの環境でよく見られる60Hzの電力線ノイズを除去するのに役立ちます。

信号源の近くの低レベルRTD電圧を増幅することにより、システムのノイズ性能を大幅に改善することもできます。 RTD出力電圧レベルは非常に低いため、アナログ-デジタルコンバータ(ADC)の入力レンジを有効活用するゲインを選択する必要があります。

測定値を確認する:NI LabVIEW

センサーを測定器に接続すると、LabVIEWグラフィカルプログラミングソフトウェアを使用して、必要に応じてデータを視覚化および分析できます。


図7. LabVIEWRTD測定