温度検出

説明

今日の世界には非常に広範囲の温度検出および制御アプリケーションが存在するため、多数の設計の選択肢があります。このソリューションは、最も一般的な温度センサーを使用して温度検出シグナルチェーンを構築するための詳細な設計情報および回路を提供します。

通常、温度検出および制御システムを設計するための最初のステップは、検出が必要な温度範囲と動作環境の決定です。次のステップは、温度センサーの選択です。温度センサーには、シリコン、サーミスタ、RTD、および熱電対の4つの主なタイプがあります。マキシムは、温度トランスデューサの信号を受信して処理し、制御デバイスに戻るアナログまたはデジタル通信経路を提供する、完全なシグナルチェーンソリューションまたは高集積ICを提供しています。

温度検出機能の構築に必要な主要パラメータおよび回路について理解するには、「設計上の考慮点」タブをクリックしてください。さまざまな温度検出アプリケーションで使用するためのリファレンスデザインおよび推奨製品を見るには、「回路」または「ブロック図」タブをクリックしてください。


温度センサー回路の設計における最初のステップは、使用する温度トランスデューサの選択です。それには、測定する媒体(空気、水、液体、固体)および測定する温度範囲を把握する必要があります。次に、測定範囲にわたって確保する必要がある測定の精度を把握する必要があります。

一般的な温度トランスデューサには、以下が含まれます。

  • 熱電対(範囲:-180℃~+1300℃)
  • RTD (範囲:-200℃~+900℃)
  • サーミスタ(範囲:-50℃~+150℃)
  • シリコンセンサー(範囲:-20℃~+100℃)

選択するセンサーの測定範囲はアプリケーションの測定範囲に適合している必要がある一方、追加の基準として、一般にセンサーおよび対応シグナルチェーンの両方の実装オプションとコストがあります。

トランスデューサの選択後、次のステップはトランスデューサから使用可能な信号を抽出し、その信号をコントローラに供給する方法の決定です。信号抽出回路は、シグナルチェーンと呼ばれます。各トランスデューサに対して、シングルチップソリューションを含むシグナルチェーンの選択肢があります。使用するシグナルチェーンを選択する要素には、精度、柔軟性、設計の容易さ、およびコストが含まれます。

このページでは、各種の一般的な温度トランスデューサのタイプについて、いくつかの本質的な設計上の考慮点を示します。

熱電対


熱電対は、異なる金属の2つのワイヤを接合することによって作られます。ワイヤ間の接点に、ほぼ温度に比例する電圧が発生します。特性として、広い温度範囲(最大+1800℃)、低コスト(パッケージに依存)、非常に低い出力電圧(Kタイプの場合で約40µV/℃)、適度なリニアリティ、および信号調整の中程度の複雑さがあります。熱電対は、温度リファレンスの役割を果たす第2の温度センサー(冷接点補償)を必要とし、信号調整にはルックアップテーブルまたはアルゴリズムによる補正が必要です。

この表は、一般的な熱電対タイプの出力電圧と温度の関係を示します。

タイプ 温度範囲(℃) 公称感度(µV/℃)
K -180~+1300 41
J -180~+800 55
N -270~+1300 39

下のグラフ(図1)は、温度範囲にわたる出力電圧を示します。グラフは適度にリニアですが、絶対的なリニアリティと比べると明らかに大幅な偏差があります。

図1. Kタイプ熱電対の出力電圧と温度の関係
図1. Kタイプ熱電対の出力電圧と温度の関係

下図は、41.28µV/℃の平均感度で0℃~+1000℃のリニア出力を仮定した場合の、直線近似からの偏差を示します。精度を向上させるため、実際の値の計算またはルックアップテーブルの使用によってリニアリティ補正を行うことができます。

図2. Kタイプ熱電対の直線近似からの偏差
図2. Kタイプ熱電対の直線近似からの偏差

熱電対の出力は非常に低いため、温度範囲が狭い場合は熱電対による温度測定が困難になります。また、熱電対のワイヤと、信号調整回路につながる銅ワイヤ(またはトレース)とが接続されるポイントに、追加の熱電対が形成されるという複雑さもあります。このポイントは、冷接点と呼ばれます(図3を参照)。

図3. 簡素な熱電対回路
図3. 簡素な熱電対回路

完全な熱電対-デジタル回路を、図4に示します。高精度オペアンプおよび高精度抵抗が、熱電対の出力信号に利得を提供します。冷接点温度を補償するために冷接点の位置の温度センサーが監視され、必要な分解能の出力データがADCによって提供されます。一般に、アンプのオフセット電圧に加えて、抵抗、温度センサー、および電圧リファレンスの誤差を補正するための較正が必要になり、熱電対の温度-電圧の非直線的な関係による影響を補正するためのリニアライゼーションを実行する必要があります。

図4. 熱電対の信号調整回路の例
図4. 熱電対の信号調整回路の例

マキシムは、各種の熱電対タイプ用の信号調整機能を実行する、専用のシングルチップ熱電対インタフェースを製造しています。これによって設計作業が簡素化され、熱電対の出力の増幅、冷接点補償、およびデジタル化に必要な部品数が大幅に削減されます。このICは「回路」タブに記載されています。

マキシムの熱電対ソリューション

マキシムは、熱電対センサーとともに使用するシングルチップとディスクリート部品のシグナルチェーンの両方の選択肢を提供しています。マキシムのシングルチップ熱電対-デジタルインタフェースICは、MAX31855です。

ICソリューションを参照するには「回路」タブを、さらに多くの回路例については「ブロック図」タブをクリックしてください。「技術資料」に列挙したアプリケーションノートで、追加の設計情報を提供しています。

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測温抵抗体 - RTD


RTDは、本質的には温度とともに抵抗値が変化する抵抗です。特性として、広い温度範囲(最大800℃)、優れた精度と再現性、適度なリニアリティ、および信号調整の必要性があります。RTDの信号調整は、通常は高精度電流ソースと高分解能ADCで構成されます。RTDはかなり標準化されていますが、基礎材料によっては高コストです。白金は最も一般的なRTDの材料で、Pt-RTDと呼ばれる白金RTDは最も高精度です。その他のRTDの材料には、ニッケル、銅、およびタングステン(まれ)があります。RTDは、プローブ、表面実装パッケージ、およびベアリード付きで提供されます。

RTDの有効範囲を判断する上で1つの要素となるのが、RTDのパッケージです。RTDはセラミック基板上に白金を蒸着するか、またはパッケージ内に封止した白金線エレメントを使用して作ることができます。基板またはパッケージと白金エレメントの膨張率の違いによって、追加の誤差が発生する可能性があります。

Pt-RTDの場合、0℃での定格抵抗値の最も一般的な値は、100Ω (Pt100)、500Ω (Pt500)、および1kΩ (Pt1000)ですが、他の値も入手可能です。0℃と+100℃間の平均傾斜はアルファ(α)と呼ばれます。この値は、白金に含まれる不純物とその濃度によって決まります。最も広く使用されている2つのアルファの値は0.00385と0.00392で、IEC 751 (Pt100)およびSAMA規格に対応します。

抵抗値と温度の関係を示すグラフは適度な直線性を備えていますが、ある程度の曲率は存在し、Callendar-Van Dusenの式によって表されます。

R(T) = R0(1 + aT + bT2 + c(T - 100)T3)

この式の詳細については、マキシムのサーマルハンドブックを参照してください。

下図(図5)は、Pt100 RTDの抵抗値と温度の関係を示すグラフとともに、αを使用した直線近似を示します。直線近似は-20℃~+120℃の範囲で±0.4℃よりも良好であることに留意してください。


図5. Pt100 RTDの抵抗値と温度の関係。0℃~+100℃の直線近似も示しています。

下の図6は、実際の抵抗値と直線近似から計算される値の間の誤差(単位:℃)を示します。


図6. 0℃~+100℃の傾斜に基づく直線近似と比較したPt100の非直線性

簡素な2線式RTDの信号調整は、通常はRTDと直列に接続した高精度抵抗(基準抵抗)で構成されます。電流ソースは、RTDと高精度基準抵抗、および高分解能ADCの入力に強制的に電流を流します。基準抵抗の両端の電圧は、ADCのリファレンス電圧です。ADCの変換結果は、単に基準抵抗値に対するRTDの抵抗値の比です。簡素なRTD信号調整回路の例を図7に示します。

いくつかの一般的なバリエーションがあります。電流ソースはADCに内蔵される場合があり、また電流ソースなしで電圧ソースを使用してRTD抵抗(RREF)分圧器にバイアスを提供する場合もあります。電圧ソースはRTDと回路を接続するワイヤの抵抗が非常に低い場合にのみ高精度の結果を提供するため、この方式は電流ソースを提供する方式ほど一般的ではありません。

図7. 簡略化したRTD信号調整回路
図7. 簡略化したRTD信号調整回路

3線式または4線式RTDインタフェース

RTDのケーブル抵抗が大きい場合は(Pt100の場合で数mΩ以上)、3線式または4線式RTDが一般的に使用されます。4本のワイヤによってRTDへのフォース/センス接続が可能になり、ワイヤ抵抗の影響が除去されます。3本のワイヤは、ケーブル抵抗の影響を部分的に相殺する折衷的なソリューションを提供します。一般的にルックアップテーブルを使用してリニアライゼーションが行われますが、外部リニア回路は限られた温度範囲にわたって良好なリニアライゼーションを提供することができます。

RTDの抵抗値を測定するため、センサー内に小さい電流(約1mA)を流して必要な電圧降下を発生させる必要があります。この電流によってRTD内の白金エレメントが発熱し、RTDの環境より高い温度になります(ジュール熱とも呼ばれます)。発熱量は、RTD内の電力(P = I2R)およびRTDの検出エレメントとRTDの環境間の熱伝達に比例します。

RTDの許容誤差の最も一般的な規格は、米国規格(ASTM E1137)グレードAおよびBと、欧州規格IEC 751クラスAまたはBです。

ASTM E1137 IEC 60751 (2008)
グレード 許容誤差 クラス 許容誤差
A ±(0.13 + 0.0017 |t|)  A (クラスF0.15) ±(0.15 + 0.002 |t|) 
B ±(0.25 + 0.0042 |t|)  B (クラスF0.3) ±(0.3 + 0.005 |t|)

ここで|t|は温度の絶対値(単位:℃)です。

マキシムのRTDソリューション

マキシムは、RTDセンサーとともに使用するシングルチップとディスクリート部品のシグナルチェーンの両方の選択肢を提供しています。マキシムのシングルチップRTC-デジタルインタフェースは、MAX31865です。

ICソリューションを参照するには「回路」タブを、回路例については「ブロック図」タブをクリックしてください。「技術資料」に列挙したアプリケーションノートで、追加の設計情報を提供しています。

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サーミスタ


サーミスタは、温度に依存した抵抗で、通常、金属酸化物のセラミックやポリマーなどの伝導体材料で作られています。温度検出に使用される最も一般的なサーミスタは、負の温度係数(NTC)の抵抗値を備えています。サーミスタは、プローブ、表面実装パッケージ、ベアリード付き、およびさまざまな特殊パッケージで提供されます。

特性として、中程度の温度範囲(一般的には最大+150℃、ただし一部の製品ははるかに高い温度に対応)、低~中程度のコスト(精度に依存)、不十分ではあるものの再現性の高いリニアリティがあります。サーミスタのリニアリティは、温度によって大幅に変化します。0℃~70℃の範囲でのサーミスタの非直線性は±2℃~±2.5℃ですが、10℃~40℃の範囲での非直線性は±0.2℃ (typ)の場合もあります。

サーミスタを使用する簡素で一般的な方法は、図8に示すように電圧分圧器を使用します。ここでは、サーミスタと固定値の抵抗が電圧分圧器を形成し、その出力がアナログ-デジタルコンバータ(ADC)によってデジタル化されます。


図8. この基本的な回路は、サーミスタとADCのインタフェース方法を示します。抵抗R1とサーミスタによって電圧分圧器を形成し、温度に依存した出力電圧が得られます。

NTCサーミスタは、広い温度範囲にわたって大きい負の温度係数を備えています。一般的なNTCの抵抗値と温度の関係を図9に示します。これは、広い温度範囲にわたるリニア補正と対数補正の両方にとって問題となります。


図9. 標準的なNTCの抵抗対温度曲線。定格抵抗値は+25℃で10kΩです。曲線(a)の非直線性および大きい相対温度係数に注意してください。曲線(b)は対数目盛に基づいたもので、顕著な非直線性も表しています。

広い温度範囲にわたるNTCの非直線性は、温度信号のデジタル化に使用するADCの選択に影響します。図9の曲線の傾斜は極限の温度で大幅に減少しているため、NTCサーミスタとともに使用されるすべてのADCの有効温度分解能はそれらの極限で制限され、そのために多くの場合、より高分解能のADCを使用する必要があります。

図8のような電圧分圧器の回路内の固定抵抗とNTCを組み合わせることによって、図10に示すように若干の線形化を実現することができます。固定抵抗に適切な値を選択すれば、曲線が最も直線的である温度範囲をシフトすることでアプリケーションニーズを満たすことができます。


図10. 図9のようなNTCの電圧分圧器を形成することによって、限定された温度範囲に対してNTCの抵抗曲線を線形化することができるようになります。NTCと外付けの抵抗R1の電圧は温度の関数として示されています。0℃~+70℃のとき電圧がほぼ直線的であることがわかります。

広い温度範囲のアプリケーションの場合は、Steinhart-Hart式を使用するのが一般的な手法です。これは3次の近似を提供します。Steinhart-Hart式の誤差は、一般には200℃の測定範囲にわたって0.02℃以下です。

Steinhart-Hart式の詳細については、マキシムのサーマルハンドブックを参照してください。

マキシムのサーミスタソリューション

マキシムは、サーミスタに基づく数種類のシングルチップデジタル出力ICを製造しています。MAX31865はRTDとともに使用するように設計されていますが、サーミスタとの使用にも最適です。

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シリコン


シリコン温度センサーは、アナログまたはデジタル出力を備えた製品が提供されています。シリコンセンサーは範囲が限られていますが、使いやすく、多くの製品がサーモスタット機能などの追加機能を備えています。

アナログ温度センサー

アナログ温度センサーは、電流ループを介して出力を監視デバイスに送信する必要があるアプリケーションで役立ちます。その場合、デジタル出力を変換することも可能ですが、信号が2つの追加の変換ステップを通過することになります。

アナログ温度センサーICは、バイポーラトランジスタの温度特性を使用して、温度に比例する出力電圧または(場合により)電流を発生させます。

最も簡素なアナログ温度センサーは、グランド、電源電圧入力、および出力の3つのアクティブ接続のみを備えます。機能が強化されたその他のアナログセンサーには、コンパレータや電圧リファレンス出力などの追加の入力または出力を備えるものもあります。

図11は、標準的なアナログ温度センサーのMAX6605の出力電圧と温度の関係のグラフを示します。図12は、このセンサーの直線からの偏差を示します。0℃~+85℃でのリニアリティは約±0.2℃以内であり、サーミスタ、RTD、および熱電対と比較して非常に良好です。

図11. アナログ温度センサーICのMAX6605の出力電圧と温度の関係
図11. アナログ温度センサーICのMAX6605の出力電圧と温度の関係


図12. MAX6605の直線からの出力電圧偏差。0℃~+85℃のリニアリティは、約±0.2℃です。

アナログ温度センサーには、優れた精度を備えた製品があります。たとえば、DS600は-20℃~+100℃で±0.5℃の精度が保証されています。その他のアナログセンサーは許容誤差が大きくなりますが、それらの多くは動作電流が非常に小さく(15µA (max)程度)、小型パッケージ(たとえば、SC70)で提供されます。

デジタル温度センサー

アナログ温度センサーをADCとともに内蔵することは、直接デジタルインタフェースを備えた温度センサーを作成するための簡単な方法です。それらのデバイスは、通常はデジタル温度センサー、またはローカルデジタル温度センサーと呼ばれます。「ローカル」は、外部のICやディスクリート部品のトランジスタの温度を測定するリモートセンサーとは異なり、センサーが自身の温度を測定するという事実を指しています。

図13は、2つのデジタル温度センサーのブロック図を示します。図13aは、単に温度を測定して3線式デジタルインタフェースを介して結果データをクロックアウトするセンサーを示します。図13bは、過熱/過冷出力、それらの出力のトリップスレッショルドを設定するためのレジスタ、およびEEPROMなど、いくつかの追加機能を内蔵したセンサーを示します。


図13. ローカルデジタル温度センサーのブロック図。(a)シリアルデジタル出力を備えた簡素なセンサー。(b)過熱/過冷アラーム出力やユーザーEEPROMなどの追加機能を備えたセンサー。

デジタル温度センサーを使用する利点の1つは、温度値のデジタル化に伴うすべての誤差がセンサーの精度の仕様に含まれるということです。それに対して、アナログ温度センサーの場合は、仕様上の誤差にADC、アンプ、電圧リファレンス、またはセンサーとともに使用するその他の部品の誤差を加算する必要があります。非常に高性能のデジタル温度センサーの好例がMAX31725で、-40℃~+105℃の温度範囲にわたって±0.5℃の精度を達成しています。MAX31725は-55℃~+125℃の温度範囲にわたって使用可能で、わずか±0.7℃ (max)の温度誤差と16ビット(0.00390625℃)の分解能を提供します。

ほとんどのデジタル温度センサーは、測定された温度が事前に設定された(通常はソフトウェアで設定可能な)制限を超えたことを示す1つまたはそれ以上の出力を備えています。この出力は、温度がスレッショルド以上のときに1つの状態、温度がスレッショルド以下のときにもう1つの状態という、コンパレータ出力のように動作するものがあります。もう1つの一般的な実装は、出力が割込みとして動作し、マスターによる対応への反応としてのみリセットされるというものです。

デジタル温度センサーは、I2C、SMBus、SPI、1-Wire®、およびPWMを含むさまざまなデジタルインタフェースを備えた製品が提供されています。

マキシムのシリコンベースのアナログおよびデジタル温度ソリューション

マキシムは、アナログまたはデジタル出力を備えたさまざまなシリコンベースの温度センサーを提供しています。

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高集積/高精度RTDおよび熱電対温度トランスミッタ


RTD-デジタル 熱電対-デジタル リファレンス LDO DAC オペアンプ IO-Link RS-485 DC-DC

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ポータブル温度較正器


オペアンプ駆動 リファレンス オーディオアンプ RS-232 LCDディスプレイ USB 監視回路 温度 リファレンス バッテリチャージャ 電流検出 LDO ステップダウンDC-DCコンバータ 絶縁型電源 過電圧/過電流保護 RTD AFE TC AFE

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種類 ID PDF タイトル
チュートリアル 4679 Thermal Management Handbook