温度センサーの紹介: サーミスター、熱電対、RTD、および温度計 IC

さまざまな種類の温度センサーとそれぞれの長所と短所について学びます。

温度センサーは最も一般的に使用されるセンサーの 1 つです。 コンピューター、自動車、キッチン家電、エアコン、そして (もちろん) 家庭用サーモスタットなど、あらゆる種類の機器で温度センサーが使用されています。 最も一般的な 5 つのタイプの温度センサーは次のとおりです。

この記事では、リストされている各センサー タイプについて簡潔に説明します。

名前が示すように、サーミスタ (すなわち、テルム何もないイスター) は、抵抗が温度の関数となる温度感知デバイスです。

サーミスタには、PTC (正の温度係数) と NTC (負の温度係数) の 2 つのタイプがあります。 PTC サーミスタの抵抗は、温度が上昇すると増加します。 対照的に、NTC サーミスタは温度が上昇すると抵抗値が減少するため、このタイプのサーミスタが最も一般的に使用されているようです。 以下の図 1 を参照してください。

図 2 に示すように、サーミスタの抵抗と温度の関係は非常に非線形であることを認識することが重要です。

温度の関数としての NTC サーミスタの抵抗の標準式は次のように与えられます。

$$R_T=R_{25C}\cdot e^{\left\{\beta\left[\left(1/\left(T+273\right)\right)-\left(1/298\right)\右]\右\}}$$

どこ：

R25C は、室温 (25 °C) におけるサーミスタの公称抵抗です。 通常、この値はデータシートに記載されています。

β (ベータ) は、ケルビン単位のサーミスタの材料定数です。 通常、この値はデータシートに記載されています。

T はサーミスタの実際の温度 (摂氏) です。

ただし、サーミスタの動作を線形化するために使用される 2 つの簡単な手法、つまり抵抗モードと電圧モードが使用されます。

抵抗モード線形化では、通常の抵抗器をサーミスタと並列に配置します。 抵抗器の値が室温でのサーミスタの値と同じである場合、線形化領域は室温に関して対称になります。 以下の図 3 を参照してください。

一方、電圧モード線形化では、サーミスタを通常の抵抗と直列に配置して分圧回路を形成します。分圧回路は、既知の固定の安定した電圧基準 VREF に接続する必要があります。

この構成には、温度に対してある程度線形な出力電圧を生成する効果があります。 抵抗モード線形化と同様に、抵抗器の値が室温でのサーミスタの抵抗と等しい場合、線形化領域は室温を中心に対称になります (図 4)。

熱電対は、より高い温度や広い温度範囲を測定するために一般的に使用されます。

熱電対の仕組みを要約すると、熱勾配にさらされた導体は小さな電圧を生成します。 この現象はゼーベック効果として知られています。 発生する電圧の大きさは金属の種類によって異なります。 ゼーベック効果の実際の応用には、一端で接合され、もう一端で分離される 2 つの異なる金属が含まれます。 接合部の温度は、接合部以外の端のワイヤ間の電圧によって決定できます。

熱電対にはさまざまな種類があります。 合金の特定の組み合わせが人気になっており、望ましい組み合わせは、コスト、入手可能性、化学的特性、安定性などの変数によって左右されます。 さまざまなタイプがさまざまな用途に最適であり、通常は必要な温度範囲と感度に基づいて選択されます。

図5に熱電対特性のグラフを示します。

測温抵抗体は測温抵抗体とも呼ばれ、おそらく最も理解しやすい温度センサーです。 RTD は、温度によって抵抗が変化するという点でサーミスタに似ています。 ただし、サーミスタのように温度変化に敏感な特殊な材料を使用するのではなく、RTD はセラミックまたはガラスで作られたコアの周りに巻かれたワイヤのコイルを使用します。