温度センサープロジェクト：抵抗温度検出器（RTD）

これは、電子プロジェクトで使用する可能性のあるすべての主要な温度センサーのタイプを見ていくシリーズの第4部です。さまざまなセンサーを設計に実装する方法を見ています。シリーズの最後には、実際の条件を使用してセンサーと実装を直接比較します。この実世界でのテストにより、異なるセンサーが条件の変化にどのように反応し、温度をどれだけ線形かつ正確に感知できるかについて、より良い理解を得ることができます。

私のプロジェクトと同様に、このプロジェクトの設計ファイルはオープンソースのMITライセンスの下でGitHubに公開されています。商用プロジェクトであっても、回路やプロジェクトを自由に使用することができます。私が大量にオープンソース化したAltium Designer Libraryでは、議論する抵抗温度検出器の詳細に加えて、さまざまな他の抵抗温度検出器の範囲も見つけることができます。また、このライブラリに含まれるさまざまな他の温度センサータイプや多種多様なコンポーネントの詳細も見つけることができます。

このシリーズのこの部分では、簡単にアクセスできる最も正確な温度測定要素の一つである抵抗温度検出器（RTD）について見ていきます。ここで意図的に「要素」と言及しているのは、今後の記事で見ていく集積回路やマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）デバイスが、より精密で、より線形の出力を持つことができるからです。RTDセンサーは、温度変化に伴って非常に正確な割合で値が変化するタイプの抵抗器です。

温度センサーは多くの産業にとって不可欠です。PCB上でも、温度センサーを使用して他のセンサーから受け取ったデータの正確性を保証したり、基板の過熱から保護することができます。このシリーズでは、さまざまなタイプのセンサーとそれらを最適に使用する方法について見ていきます。次のようなセンサーを見ていきます：

• 負温度係数（NTC）サーミスタ
• 正温度係数（PTC）サーミスタ
• 抵抗温度検出器（RTD）
• アナログ温度センサーIC
• デジタル温度センサーIC
• 熱電対

このシリーズの温度センサーに関する序論で、異なる温度センサーを標準的なテストセットアップで評価できるように、同じインターフェースとコネクタ配置を持つ2つのプロジェクトテンプレートを構築しました。これらのプロジェクトの1つはデジタル温度センサー用に、もう1つはアナログ温度センサー用に設計されています。この記事では、高解像度ADC用にデジタルプロジェクトテンプレートを、その他の実装にはアナログテンプレートを使用します。

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このシリーズの最後に、これらのセンサーカード用に2つのホストボードを構築します。1つは検証目的で単一のカードをテストするために設計され、もう1つはカードのスタックにインターフェースするために設計されます。複数のセンサーが搭載されたこの2番目のホストボードを使用して、すべてのセンサー実装のパフォーマンスを相互に評価します。

抵抗温度検出器（RTD）

TRANSLATE: 抵抗温度検出器、略してRTDは、サーミスタと似た実装を持っていますが、一般的にはより正確です。1%の精度を持つサーミスタが正確で許容されると考えられている一方で、0.1%の許容誤差を持つRTDセンサーは珍しくありません。RTDセンサーのコストはサーミスタよりもかなり高いですが、それはより高い精度を得るためのトレードオフです。NTCサーミスタの記事で見たサーミスタと比較したRTDのより厳しい許容誤差に加えて、RTDセンサーははるかに線形な温度曲線を持っており、測定された抵抗の利用をはるかに簡単に実装することができます。

ニッケルベースの抵抗温度検出器は、そのプラチナ製の対応品に比べて、最大感知温度が低い傾向にあります。プラチナ検出器ははんだの融点をはるかに超える温度まで測定可能であるため、高温度アプリケーションには、表面実装コンポーネントとしてではなく、圧着接続を使用してケーブルに取り付けられたり、プローブデバイスに組み込まれたりすることが多いです。多くの抵抗温度検出器は、低温域でもかなりうまく機能することができ、自然環境で一般的に見られるものよりもはるかに低い動作温度でのオプションが市場に多数存在します。表面実装RTDコンポーネントは、通常、他の表面実装部品と同様の動作温度範囲（約-55°Cから175°C）を持つことが一般的です。しかし、リードマウントRTDコンポーネントは、-200°Cから850°Cの範囲で動作することができます。

サーミスタが25°Cでの抵抗を仕様抵抗として定義するのに対し、RTDセンサーは0°Cでの抵抗を仕様抵抗として使用します。

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サーミスタと同様に、検出器を通る電流を減らすことは、自己加熱効果を通じて結果に影響を与えることなく、正確な温度を正確に測定できるようにするために重要です。通常、RTDを通る電流を0.1 mAから1.5 mAの間に保ちたいと考えます。RTDはサーミスタよりもはるかに低い抵抗値を持つ傾向があるため、高い電流が流れると、チェックされない場合には重大な自己加熱問題を引き起こす可能性があります。これは、正確な読み取りを行うために、単純な電圧分割器を使用する代わりに別の方法を採用する必要があることを意味します。

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RTDセンサー実装：電圧分割器

電圧分割器のような単純な回路は、RTDセンサーとの使用には推奨されません。検出器の低抵抗のため、自己発熱効果が小さくなり、特にここで見ていくような100オームのセンサーを使用する場合、測定が不正確になる可能性があります。1キロオームのRTDを使用する場合は電圧分割器を実装できますが、それはそれほど楽しいものではありません！100オームのRTDでは、電圧分割器がはるかに悪い性能を示し、追加の複雑さにもかかわらず、代替トポロジーを使用する方がはるかに良いアイデアであることを示すことを期待しています。0°Cでは、RTDセンサーを通過する電流が約16.5 mAであることが期待され、理想的な最大値の2倍になりますが、これが感知される温度にどのように影響するかを見るのが興味深いです。

この実装のための回路基板は、プロジェクトテンプレート基板と比較して、たった2つの追加部品がある程度の基本的なものです。

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再び、これはRTD実装にとってかなり悪いアイデアです。自身が発生する熱が多すぎて、その精度と許容差を活用することができません。シンプルな電圧分割器はサーミスタタイプのデバイスに任せましょう。

RTD実装：基本的なウィートストンブリッジ

抵抗を測定する最も正確な方法の一つは、ウィートストンブリッジを使用することです。ウィートストンブリッジは、ブリッジ回路の2つのバランスの取れた脚を使用して、4つの脚のうちの1つにある未知の抵抗器の未知の抵抗を測定します。この未知の抵抗がRTDセンサーのようなデバイスである場合、そのデバイスの抵抗を非常に正確に測定することができます。この回路は、抵抗が変化すると電圧の変化を提供し、マイクロコントローラーや他の監視デバイスが未知の要素 - この場合はRTD - の抵抗を測定することを可能にします。

このシリーズで後ほど構築する予定のホストボードには、マイクロコントローラーを使用する予定です。これらには差動入力と、そのピンに接続された16ビットADCが搭載されます。これは、ウィートストンブリッジをマイクロコントローラーの差動ADC入力に直接接続できることを意味します。これは、後ほどこの記事で議論する増幅されたウィートストンブリッジほどの精度は提供しません。しかし、これはシステムにアンプ関連の誤差やバイアスを導入しないことを意味し、デバイスのテストと工場校正の要件を減らします。これはまた、RTDセンサーを使用したウィートストンブリッジの生の出力を見る機会を私たちに与えます。

出力の解像度がアプリケーションにとって十分であり、差動入力を持つADCが利用可能であれば、これはシンプルな実装です。オペレーショナルアンプまたは計測アンプを追加することで、ウィートストンブリッジの差動電圧出力を増加させることができ、ADCの典型的な解像度により適した、より使用可能な電圧を提供し、差動入力を持たないADCとも互換性を持たせることができます。

Wheatstoneブリッジは、完全にバランスが取れているときに出力間で零ボルトになります。バランスの取れた回路であるため、これを実現するためには高精度の抵抗器を使用する必要があります。また、これを温度センサーとして使用しているため、誤差を最小限に抑えるために低温度係数の抵抗器を使用する必要があります。私が使用しているすべての抵抗器は、0.1%の許容差と25 ppm/°Cの温度係数を持っています。

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RTDを上記のように設定すると、0°Cの温度でブリッジがバランスしていることを意味します。なぜなら、ブリッジの両側が0°Cで同じ電位を持っているからです。センサーの最大感知温度である約150°Cでは、約0.344Vの電位差が生じると予想されます。最小感知温度の-50°Cでは、約-0.106Vの電位差が生じると予想されます。これらの電圧値は相対的なものであり、実際にはグラウンドに対して負の電圧ポテンシャルを作り出しているわけではないことに注意してください。これは非常に小さな電圧範囲であることがわかります。ブリッジの「上」側の抵抗値を小さくすることで、より大きな範囲を実現することができます。しかし、これを行うと、RTDを通過する電流の量を超えてしまいます。5V電源と直列に追加の抵抗を取り付けることで、全体の電流の流れを減らすことによってこれをカウンターできます。

この低い電圧変化でも、ホストボードに使用しようとしているNXP KinetisのADCは、ADC解像度に対して約0.02°Cのステップを提供するはずです。これは、ほとんどの実用的なアプリケーションにとって十分な解像度です。

気づいたかもしれませんが、この回路には、他のすべてに使用していたクリーンな3.3 Vではなく、5 Vで電力を供給しています。ボードの電源としてUSBポートからの5 V供給を使用することで、出力で少し広い電圧範囲を得ることができます。ウィートストンブリッジがバランスしているため、共通モードノイズは回路によって自動的に拒否されるので、USBからの供給に少しノイズが存在しても、オンボードフィルタリングがあまりなくても大きな問題にはなりません。

また、このボードにはアナログチャネルの順序が異なることに気づいたかもしれません。マイクロコントローラーへのアナログ入力が10以上になるため、これらのアナログ出力を新しいスタックに配置する方が簡単でした。入力が記事の順序と異なる順序であっても、問題にはなりません。

このPCBでは、ブリッジの他の抵抗要素をボード上の熱ブレークの反対側に配置しました。これらのコンポーネントによって発生する熱が感知される温度に影響を与えるとは思わず、温度感知コンポーネントが常に熱ブレーク内に単独であるように、ボードを一貫性のあるものに保ちます。

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RTD実装：誤差補償付きオペレーショナルアンプ

では、もし使用しているマイクロコントローラに差動ADCがない場合、あるいは高解像度ADCさえ搭載されていない場合はどうすればよいでしょうか？最高の測定精度を得るために、私はプログラマブルゲインアンプが内蔵された24ビット以上のアナログ・デジタル変換器を使用することを好みます。このオプションについては、後ほどこの記事で見ていきます。

ウィートストンブリッジは未知の抵抗を測定する素晴らしい方法ですが、RTDにはいくつかの非線形性があり、それが測定に影響を与えます。代替案があり、低コストの回路を使用してRTDの抵抗を測定し、センサーの出力を線形化してより正確な測定を提供することができます。以下に示す回路では、R4がわずか1mA未満の励起電圧をRTD（R5）に提供します。出力を線形化するために、R3は温度が上昇するにつれて増加する励起電流を提供し、RTD要素の非線形性を補償するのに役立ちます。

この回路図で選択されたコンポーネントは、0°Cで1.65Vの出力を提供することを目的としています。しかし、標準値のコンポーネントを使用する必要があるため、実際の値は少し異なることになります。目標は、約25 mV/°Cのゲインを提供することで、センサーの最大感知範囲150°Cで、マイクロコントローラーのADCの入力電圧範囲を最大化するために3.3Vの信号を提供します。実際には、実世界のコンポーネントを使用した場合、150°Cでの入力電圧は約3.27Vになるでしょう。

この回路は、センサーの全動作範囲にわたって非常に小さな温度誤差を提供するはずです。

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この回路で使用されるオペアンプは、測定する温度の全範囲を感知し出力するために、負の電源が必要です。最近では、負の電圧は新しいエンジニアやあまり経験のないエンジニアにとって少し「怖い」と考えられがちですが、ここで必要とされるような少量の電流を供給するだけであれば、実際には非常に簡単に生成できます。以前のプロジェクト記事では、TPS60403デバイスを大いに活用しましたが、負の電圧を生成するのにとても簡単な方法なので、ここでも再び使用します。

これにより、実際に何かをするように見える小さな回路基板が得られます。これは、抵抗器が数個しかない他の基板と比較してです。

RTD実装：線形補償付き計測アンプ

上記の回路は、低コストで線形化されたRTDを実装するための優れたオプションですが、わずかな追加費用でさらに一歩進めることができます。オペアンプを計測アンプに変更することで、オペアンプにバッファアンプを追加するよりも安価に入力をバッファできます。計測アンプは非常に高い入力インピーダンスを持っているため、センサーの測定を定量的に偏らせることはありません。

TRANSLATE: 私たちの回路は、上記の以前の設計と非常に似ており、R3がRTD（R5）にバイアス電流を供給し、その温度が上昇するにつれて増加します。R4は、前述のように、RTDにとって正しい領域にある約0.9 mAの公称励起電流を提供します。

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前回の実装と同様に、計測用アンプに負の電源電圧を生成する必要があります。ここではシンプルに保ち、運用アンプ用に使用したのと同じ負の電源回路をこの実装にも使用します。

RTD実装：デジタル化されたウィートストンブリッジ

上で議論された増幅回路は、何が起こっているのかを見て理解するのに非常に良い方法ですが、必要な追加の抵抗器と増幅器の数が多くなると、測定に余分な誤差とバイアスが生じます。アナログからデジタルへの変換器（PGA-ADC）用のプログラマブルゲインアンプは、基本的にADCが完備された単一パッケージの同じ回路です。しかし、工場でトリミングされ補償されているため、より正確な増幅と変換を提供するという利点があります。私たちが複数の個別のコンポーネントを使用してこれを実装すると、理想的な世界では気付かれないであろう許容差の積み重ねが生じます。しかし、どの抵抗値をどのタイプの増幅器と組み合わせるかによって、これは完璧でない可能性があります。

デジタル化されたウィートストンブリッジは、基本的なブリッジ実装で使用したのと本質的に同じ回路ですが、ブリッジの出力間のカップリングコンデンサが取り除かれています。代わりに、ADC入力のフィルタリングセクションにコンデンサが取り付けられます。また、ADCには内部スイッチがあり、それがグラウンドに接続されるため、ブリッジはもはや直接グラウンドに接続されません。これにより、すべての接続がADCで終了することが保証されます。また、5V電源とブリッジのグラウンドの間にデカップリングコンデンサC6を追加しました。

私はテキサス・インスツルメンツのADS1220IPWRデバイスを使用しています。これは、ウィートストンブリッジ用のPGA-ADCとして私のお気に入りです。24ビットのADCで、このアプリケーションに必要な解像度よりもはるかに高い解像度を提供します。しかし、それが提供するフル解像度のデータを見てみるのも興味深いと思いました。データシートには、RTD用の2線式、3線式、4線式接続を使用するための複数の実装例が含まれていますが、この例ではこれらのいずれも使用しません。このプロジェクトの目的のために、ウィートストンブリッジの差動出力を直接入力に接続するだけです。ADS1220のデータシートに実装例がよく文書化されているため、ここで再度それらを示す利点は見当たりません。代わりに、生のウィートストンブリッジから出る読み取り値を示し、以前に議論された回路と直接比較できるようにすることにもっと興味があります。この方法で、それらの効果を比較検討できます。

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ADCの回路図は、ウィートストンブリッジに接続するのに典型的なものです。内部スイッチを使用してREFN1をグラウンドに接続し、ADCには5V（AVDD）が供給され、同様に5Vの参照入力（REFP1）も提供されます。この基板を通して行う温度変化には、瞬間的な大きな温度変化や変動は含まれないため、共通モードノイズを拒否するためにかなり積極的なフィルタを実装することができます。

この実装では、2つのチップセレクトラインを保持しています。過去にADS1120を使用したとき、DRDYピンからの割り込みが、マイクロコントローラに読み取りを行うことができるタイミングを通知するのに非常に便利であることがわかりました。この機能を使用することは、「もう着いた？ もう着いた？」とADCを絶えずポーリングするよりもずっと簡単です。DRDYピンにより、変換が完了したときにすぐにADCから読み取りを行うことができ、データのタイムスタンプができるだけ正確になるようにします。DRDYピンのチップセレクトラインは、このデバイスに使用しているマイクロコントローラの割り込み入力ラインに単純に接続されます。

ADS1220のより安価な代替品はADS1120シリーズで、同じピン配置と機能を持ちながら、解像度が16ビットのみです。このシリーズのような16ビット増幅ADCは、一般的な温度センシングアプリケーションには十分以上であり、検出器の能力を大幅に上回ります。

その他のオプション：RTDコンバータIC

電圧分割器やウィートストンブリッジから電圧を読み取ることによって温度を測定する他に、サーミスタと使用するために見ていくような温度センサーアンプリファイアを使用することもできます。これらのICは、電圧レベルではなくデジタル温度出力を提供し、センサーが提供できる最も正確な温度測定を提供するために必要なすべての増幅および補償回路を通常組み込んでいます。このオプションのコストは重要な要素ですが、上述のようにPGA-ADCを使用するコストも同様に重要です。PGA-ADCの使用は、この記事のためのより良い学習体験とデモンストレーションを提供するため、RTDコンバータICについて詳細には触れません。

要約

この温度センサーシリーズの一環として4つの異なる回路基板を構築しましたが、RTDセンサーを利用する多くの異なる方法についてはほんの触りに過ぎません。2線式、3線式、4線式のセンサーを考慮する必要があり、これらの回路図を基板実装センサーで実装する能力もあり、RTDとのインターフェース方法は多岐にわたります。RTDは、優れた精度と許容値、そして一部のデバイスで利用可能な膨大な温度感知範囲を持つ、より汎用性の高い温度センサーの一つです。

何度か言ったように、Texas InstrumentsのADS1220は私のお気に入りの高解像度ADCの一つです。RTDを使用して温度を測定するための他のトポロジーに興味がある場合、ADS1220のデータシートにはRTDの異なる配線すべてに対する実装が記載されており、ADS1220デバイスがプロジェクトの予算を超える場合でも、自分のADC/増幅ニーズに合わせて適応できます。

TRANSLATE: これらのテスト回路基板の詳細は、他の温度センサー実装と共にGitHubで見つけることができます。これらの基板はMITオープンソースライセンスの下で公開されているため、自分で構築すること、自分のプロジェクトでそれらの回路を実装すること、または好きな方法で使用することができます。

温度センサーに興味がある場合は、このシリーズの他のプロジェクトもぜひご覧ください。RTDの使用よりも安価な代替品を見つけるか、プロジェクトに適した別のオプションが見つかるかもしれません。このシリーズの最後には、すべての異なるセンサータイプを比較するため、異なるセンサー実装が相互に比較してどのように様々な条件でパフォーマンスするかを直接比較できます。

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