NTC と RTD: どちらの温度センサーを使用する必要がありますか?

NTC と 測温抵抗体 を比較する場合、核となる答えは次のとおりです。 NTC サーミスタは低コスト、高速応答、狭い範囲のアプリケーション (通常 -55 °C ～ 150 °C) に適していますが、測温抵抗体 はより広い温度範囲 (最大 850 °C) にわたって優れた精度と安定性を提供します。 。コストと応答速度が最も重要な消費者向け製品、HVAC システム、または医療機器を設計している場合、 NTC温度センサー 通常は正しい選択です。実験室レベルの精度、工業用プロセス制御、または長期にわたる再現性が必要な場合は、RTD (特に Pt100 または Pt1000) がより良い投資です。

NTC温度センサーとは何ですか?

NTCはの略です 負の温度係数 。 NTC サーミスタは、半導体金属酸化物材料 (通常はマンガン、ニッケル、コバルト、または銅の酸化物) で作られた抵抗器の一種で、温度が上昇すると電気抵抗が指数関数的に減少します。この非線形関係は、スタインハート・ハート方程式で記述されるか、B (ベータ) 定数を使用して簡略化されます。

一般的な NTC サーミスタの抵抗値は次のとおりです。 10,000Ω(10kΩ) 25℃にて 、50℃では約3,600Ω、75℃では約1,450Ωまで低下します。この大きな抵抗変化は、多くの場合、 3 ～ 6%/℃ — NTC センサーは非常に高感度であり、精密な設計において 0.01°C 程度の温度変化を検出できます。

NTC サーミスタの仕組み

NTC サーミスタは半導体伝導原理で動作します。温度が上昇すると、より多くの電荷キャリアが熱的に励起され、伝導に利用できるようになり、抵抗が減少します。通常、センサーは既知の基準抵抗を備えた分圧回路に配置され、電圧出力はマイクロコントローラーのアナログデジタルコンバーター (ADC) によって読み取られ、ルックアップテーブルまたは方程式を介して温度値に変換されます。

NTC サーミスタの一般的な仕様

• 25℃での公称抵抗: 1kΩ、10kΩ、100kΩ (10kΩが最も一般的)
• B 定数範囲: 通常 3000K ～ 4500K
• 動作範囲：標準タイプは−55℃〜150℃、高温タイプでは最大 300°C
• 精度: ±0.1℃ ～ ±1°C (グレードに応じて)
• 応答時間: 1～10秒 静止空気中のビーズタイプの場合。移動流体中では 1 秒未満

RTD温度センサーとは何ですか?

RTD の略 測温抵抗体 。 NTC サーミスタとは異なり、RTD は純粋な金属 (最も一般的にはプラチナですが、ニッケルや銅も使用) で作られており、その抵抗は温度とともに直線的に増加します。この関係は非常に予測可能であり、すべてのプラチナ RTD 標準の基礎となっている Callendar-Van Dusen 方程式によって記述されます。

最も広く使用されている RTD は、 Pt100 、正確に の抵抗を持ちます。 100Ω（0℃） そして約増加します 0.385Ω/℃ (IEC 60751 規格による)。 Pt1000 バリアントは 0°C で 1000 Ω から始まり、より高い抵抗を提供するため、長いケーブル配線でのノイズ耐性が向上します。

RTD の構造タイプ

• 巻線 RTD: セラミックまたはガラス管内のプラチナ線コイル。最高の精度と安定性。実験室の参照標準に使用されます。
• 薄膜RTD: セラミック基板上にプラチナを蒸着。よりコンパクト、より低コスト、より高速な応答。産業および商業用途で最も一般的です。
• コイル状要素 RTD: 高振動産業環境向けのセラミックハウジング内のプラチナコイル。

2 線式、3 線式、および 4 線式 RTD 構成

RTD ではリード線の抵抗を考慮する必要があるため、測定誤差が生じる可能性があります。 3 つの構成はこれを異なる方法で管理します。

• 2線式: 最もシンプルで低コストですが、リード抵抗により誤差が増加します。短いケーブル配線または高精度が必要ない場合にのみ適しています。
• 3線式: 工業用途で最も一般的です。 1 本の余分なワイヤにより、部分的なリード抵抗の補償が可能になります。標準精度は±0.5℃です。
• 4線式(ケルビン接続): 2 本のワイヤが電流を流し、2 本のワイヤが電圧を測定します。鉛抵抗を完全に排除します。精度が以下の場合に使用されます。 ±0.1°C が必要です。

NTC と RTD: 直接比較

以下の表は、エンジニアが十分な情報に基づいて選択できるように、NTC サーミスタと RTD センサーの間で最も重要な性能と実用的なパラメータを比較しています。

精度と直線性: 精密作業において RTD が優れている理由

NTC センサーと RTD センサーの実際的な最も大きな違いは、直線性です。 RTD は直線に近い抵抗温度曲線をたどるため、各ユニット間での校正が簡単かつ一貫したものになります。 IEC 60751 では、クラス A Pt100 の精度を次のように定義しています。 ±(0.15 0.002|T|)℃ クラスBとして ±(0.30 0.005|T|)℃ ここで、T は測定温度 (°C) です。この予測可能性は、個別の校正を行わなくても、RTD 測定値が同じクラスのユニット間で高度に互換性があることを意味します。

対照的に、NTC サーミスタは指数関数的な抵抗曲線を持ち、Steinhart-Hart 方程式または B 定数近似を使用してソフトウェアで線形化する必要があります。ハイグレードな NTC センサーは次のことを達成できますが、 ±0.1℃の精度 狭い範囲 (0°C ～ 70°C など) では、動作範囲の極端な値ではこの精度が大幅に低下します。同じ公称仕様の 2 つの NTC サーミスタでは、個別に校正を行わないと ±1°C 以上の差が生じる可能性があります。これは、大規模製造における重要な問題です。

感度と応答時間: NTC サーミスタが優れている点

狭い範囲の温度変化を迅速に検出する必要があるアプリケーションには、NTC サーミスタが決定的な利点を持っています。それらの感度 (温度変化 1 度あたりの抵抗の変化) は次のとおりです。 5～10倍 室温付近の Pt100 RTD よりも優れています。これは、小さな温度変動によって容易に測定できる大きな抵抗変化が生じ、ADC 分解能と信号調整回路への要求が軽減されることを意味します。

小さなビーズ NTC サーミスタ ( 直径0.5mm ) 未満の熱時定数を持つことができます。 0.5秒 撹拌液体中で使用できるため、安全性が重要な過熱状態への迅速な対応が重要な静脈内液の温度監視、バッテリー管理システム (BMS)、および CPU の熱保護に最適です。

RTD、特に保護シースに巻線されたタイプの RTD の時定数は通常、 5～30秒 動く空気の中で。薄膜 RTD はより高速に応答できますが、それでも小型 NTC サーミスタには遅れます。工業用オーブン、オートクレーブ、恒温槽など、温度がゆっくりと変化するプロセスの場合、この差は無視できる程度です。

温度範囲: 150℃ を超える場合は RTD が唯一のオプションです

アプリケーションで上記の温度測定が必要な場合 150°C 、NTC サーミスタは事実上失格です。これらの温度では、半導体サーミスタの材料が劣化し始め、校正の安定性が失われます。また、ほとんどの標準 NTC デバイスは 125°C ～ 150°C を超える定格には対応していません。

RTD は測定機能を拡張し、 白金タイプは850℃ 、次のようなアプリケーションには不可欠です。

• 工業炉およびキルンの温度監視
• 蒸気およびガスタービン入口温度測定
• プラスチック射出成形および押出プロセス制御
• 医薬品滅菌（オートクレーブ）検証
• −200℃までの極低温用途

ローエンドでは、RTD は極低温領域でも NTC センサーよりも優れた性能を発揮します。標準の NTC サーミスタは -55°C まで使用可能ですが、特殊な RTD (特に白金タイプ) は、-55°C に近い温度でも校正された精度を維持します。 −200℃ 、これは液化ガスの取り扱いや航空宇宙用途において重要です。

自己発熱エラー: 両方のセンサー タイプに対する重要な考慮事項

NTC サーミスタと RTD はどちらも、そこを通過する測定電流によって熱を発生し、読み取り値を損なう可能性があります。これは自己加熱エラーと呼ばれる現象です。正確な測定にはこれを管理することが不可欠です。

NTC センサーの自己発熱

NTC サーミスタは通常、(抵抗が低いため) より高い電流レベルで動作するため、自己発熱がより顕著になります。 10kΩ NTC サーミスタはちょうど 1mWの電力 熱放散定数 (δ) に応じて、0.1 °C ～ 0.5 °C の自己発熱誤差が生じることがあります。誤差を最小限に抑えるには、印加電圧を低く保つ必要があります (通常は 1V )、サーミスタは損失定数の高いものを選択する必要があります。

RTD センサーの自己発熱

RTD は通常、次の定電流で励起されます。 1mA以下 。 Pt100 の場合、0°C では 1 mA でのみ生成されます。 0.1mWの損失 その結果、ほとんどの設置では自己発熱は無視できる程度になります。ただし、熱伝導の悪い静止空気または真空環境では、この小さな電力でも誤差が生じる可能性があるため、最高精度の実験用機器ではパルス励起による 4 線式測定が推奨されます。

一般的なアプリケーション: ジョブに適したセンサーの選択

最適なセンサーは常に、アプリケーションの特定の要件に一致するセンサーです。次の内訳は、最も一般的な使用例をカバーしています。

コストと回路設計の複雑さ

ハードウェア設計の観点から見ると、NTC サーミスタは実装が非常に簡単で安価です。基本的な NTC 測定回路に必要なのは、高精度の基準抵抗、電源電圧、および ADC 入力だけであり、コンポーネントのコストは以下のとおりです。 合計 $0.50 。信号チェーン全体は、ADC を内蔵したシンプルなマイクロコントローラーの GPIO ピンに実装できます。

RTD 回路には、より洗練されたフロントエンド電子機器が必要です。 3 線式または 4 線式構成には、高精度の定電流源、ホイートストン ブリッジまたは計装アンプ、および高分解能 ADC (通常は 16ビットまたは24ビット ）。 Maxim MAX31865 や Texas Instruments LMP90100 などの専用 RTD インターフェイス IC はこれを簡素化しますが、追加の作業が必要になります。 チャンネルあたり 3 ～ 8 ドル 部品表に。数百のポイントを監視するマルチチャンネル システムの場合、このコストの差はさらに大きくなります。

長期的な安定性とドリフト

長期安定性（センサーが数か月、数年にわたって校正を維持できる能力）は、再校正が困難またはコストがかかるアプリケーションでは重要な差別化要因となります。

プラチナ RTD は非常に安定しています。 高品質の Pt100 センサーは、次の範囲内で校正を維持できます。 10年間で±0.1℃ 通常の動作条件下では。この安定性が、RTD が -259.35°C ～ 961.78°C の国際温度スケール (ITS-90) の基礎となっている理由です。

NTC サーミスタは、特に繰り返しの熱サイクル、湿度、または機械的ストレスにさらされた場合、ドリフトの影響を受けやすくなります。一般的な高品質 NTC センサーはドリフトする可能性があります 年間0.1℃～0.2℃ 、低グレードのデバイスのドリフトは大幅に大きくなります。寿命が 1 ～ 3 年の消費者製品の場合、これは許容されます。再校正なしで 10 年間動作すると予想される産業機器にとって、これは重大な制限です。

NTC と RTD のどちらを選択するか: 実践的な意思決定ガイド

センサーの選択を決定するには、次の基準を使用してください。

1. 150℃を超える温度範囲? →測温抵抗体を使用してください。 NTCサーミスタは適していません。
2. 温度範囲は-55℃以下ですか? →測温抵抗体（Pt100）を使用してください。標準の NTC サーミスタは仕様外です。
3. コストが主な制約であり、±0.5°C の精度で十分ですか? → NTCサーミスタを使用してください。
4. 可能な限り最速の応答時間が必要ですか? → 小型ビーズNTCサーミスタを使用してください。
5. 高い長期安定性または規制上のトレーサビリティが必要ですか? → RTD、できれば 4 線 Pt100 を使用してください。
6. 室温付近（0℃～70℃）を高感度に測定したいのですが？ → 多くの場合、NTC サーミスタが最良の選択です。
7. 産業用設備には多数の測定点がありますか? → システムの総コストを比較します。 RTD 信号調整はチャネルごとにすぐに加算されます。
8. ノイズに敏感な環境、または長いケーブル配線環境ですか? → 最高のノイズ耐性を得るには、3 線式または 4 線式構成の Pt1000 RTD を使用してください。