温度センサの基礎

温度センサは、食品加工、HVAC環境制御、医療機器、内部監視下での化学製品の取り扱いおよび自動車（例：冷却剤、空気取入口、シリンダヘッド温度）などの多様なアプリケーションで使用されています。 温度センサは、プロセスが特定の範囲内にとどまっている、そのアプリケーションの安全な使用を提供している、または極度の熱、危険、またはアクセスできない測定点に対処する際の必須条件を満たしているのいずれかであることを確保するために、熱を測定する傾向があります。

接触および非接触温度センサの2つの主要な種類があります。 接触センサには、測定する物体に接触する熱電対およびサーミスタが含まれ、非接触センサは、その温度を決定するために熱源が放出する熱放射を測定します。 後者のグループは、距離からの温度を測定し、多くの場合、危険環境で使用されます。

温度センサのタイプ

熱電対

熱電対（TC）は、2つの異なる、非類似の金属から形成されるジャンクションのペアです。 1つのジャンクションはリファレンス温度を表し、もう1つのジャンクションは測定される温度を表します。 それらは、温度差が、温度に依存する電圧を引き起こす（ベック効果を参照）時に動作し、その電圧が温度の読み取り値に変換されます。 TCは、低コストで、堅牢であり、信頼でき、電池が不要で、かつ広い温度範囲にわたって使用可能なため、使用されます。 熱電対は、最大2,750°Cで良好な性能を達成し、最大3,000°Cおよび最小-250°Cの温度で短期間に使用することもできます。

熱電対の長所と課題には、次の項目が含まれます。

• それ自身の温度を測定します。
• 物体の温度が推測される必要があり、ユーザーは、それらの間に熱流がないことを確認する必要があります。
• 長期の使用の後、温度の読み取りに誤りが生じる傾向があります。 その理由は、 湿気または熱的条件によりワイヤの絶縁が抵抗を失うため、または、環境内に化学、核放射、または機械的干渉があるためです。
• 電気伝導体であり、別の電源に接触できません。
• ジャンクションで測定しません。
• これらのデバイスは、抵抗温度計と比べて急速に反応します。

サーミスタ

サーミスタは、熱電対と同様に、低コストですぐに入手でき、使用しやすく、かつ適応可能な温度センサです。 しかし、それらは、高温度アプリケーション向けではなく、シンプルな温度測定値を取得するために使用されます。 それらは、温度に特に敏感な抵抗性を備えた半導体材料から製造されています。 温度が変化すると、抵抗変化が予測できるように、サーミスタの抵抗は温度の上昇とともに低下します。 それらは、突入電流リミッタ、温度センサ、自己リセット過電流プロテクタ、そして自己制御式加熱エレメントとして広く使用されます。

サーミスタは、（1）抵抗温度検出器（RTD）用に使用される材料は純金属であり、（2）サーミスタとRTDの温度反応が異なる点において、RTDと異なっています。 サーミスタは、kの符号に応じて2つのタイプに分類されることができます（この関数は、サーミスタ抵抗をケルビン度での温度に変換するためのスタインハート-ハートサーミスタ方程式を指しています）。 kが正である場合、抵抗は温度の上昇とともに増加し、デバイスは、正温度係数（PTC）サーミスタと呼ばれます。 kが負である場合、抵抗は温度の上昇とともに低下し、デバイスは、負温度係数（NTC）サーミスタと呼ばれます。

NTCサーミスタの例として、断続的または継続的な患者体温監視向けに設計された、GEのタイプMAシリーズ サーミスタアセンブリを考察します。 このアプリケーションでは、特に幼児のケアや全身麻酔中での使用時に、再現性や高速応答が求められます。

MA300（図1）により、定期的な連続した患者体温監視は、患者の皮膚部位を体温のインジケータとして用いるといった利便性を使用することで、実行可能になっています。 使用されるステンレス鋼ハウジングは、患者の快適性を最大限に維持するとともに、再使用可能と使い捨て可能の両方のアプリケーションに好適です。 25°Cでの2,252、3,000、5,000、および10,000Ωの公称抵抗値が入手可能です。

図1：GEのMA300サーミスタアセンブリは、医療グレードのPVCテフロン絶縁を備えたステンレス鋼から製造されています。 （GEの提供。）

抵抗温度検出器

抵抗温度検出器（RTD）は、温度変化とともに同時に抵抗値を変化させる抵抗器を備えた温度センサです。 高精度で、再現性と安定性で知られているRTDは、薄膜では-50°C～500°C、各種巻線では-200°C～850°Cの広い温度範囲で使用されることができます。

薄膜RTDエレメントは、基板上の白金の薄膜を有しています。 特定の抵抗を付与するためにトリムされる電気回路を提供するパターンが作成されます。 リード線が取り付けられ、膜および接続の両方を保護するためにアセンブリがコーティングされます。 比較すると、巻線エレメントは、セラミックまたはガラス管でパッケージされたワイヤのコイルか、周囲にガラスまたはセラミック材料を巻きつけられているかのどちらかです。

RTDの例として、HoneywellのTDシリーズがあります。この製品群は、室内、ダクトおよび冷媒温度用のHVAC、過負荷保護用のモータ、そして気温または油温用の自動車アプリケーション向けに使用されます。 TDシリーズ内のTD4A液温センサは、2つのターミナルを備えたネジ式の陽極処理アルミハウジングです。 環境密封型のこの液温センサは、トラックの側面などにおける容易な取り付けのために設計されていますが、 全面浸漬のために設計されてはいません。 （1つの時定数での）標準応答時間は、静止空気で4分、静水で15秒です。

TDシリーズ 温度センサは、温度変化に迅速に反応（図2）し、20°Cで±0.7°Cまでの高精度を実現します。そして、再較正なしで完全に相互交換が可能です。 それらはRTD（抵抗温度検出器）センサであり、ほぼリニアな出力を備え、8Ω/°Cの感度を提供します。

RTDは、良好な相互交換性に加えて、熱電対よりも優れた精度を備えています。 それらはまた、長期にわたって安定しています。 それらはこうした高温能力を持ち、多くの場合、産業用設定で使用されます。 腐食または酸化の影響を受けない白金からRTDが製造されていると、安定性が向上します。

赤外線センサ

赤外線センサは、-70～1,000°Cの範囲の表面温度の測定に使用されます。 それらは、すべての周囲温度を補正した後、0.7～20umの波長範囲での物体から送信された熱エネルギーを、温度単位で表示するための電気信号に変換します。

これらのセンサは、次の場合の温度測定に使用されます。

• 熱電対またはプローブが使用不可。
• 対象物体が（ローラー、移動機械、コンベヤベルト上で）動いている場合。
• 対象物体が真空状態にある場合。
• 高電圧などの危険がある場合。
• 距離が大きい場合。
• 接触センサには温度が高すぎる場合。
• 非常に高速の応答が必要な場合。

赤外線のオプションを選択する際の重要な考慮事項として、視野（視角）、放射率（同じ温度で完全なラジエータが放射するエネルギーに対する、物体が放射するエネルギーの比率）、スペクトル応答、温度範囲、および実装があります。

近年発表された製品に、Texas InstrumentsのTMP006（図3）があります。この製品は、チップスケールパッケージに収められた赤外線サーモパイルセンサです。 この製品は非接触で、測定される物体から放射される赤外線エネルギーを吸収するサーモパイルを使用し、対応するサーモパイルの電圧の変化を利用して物体の温度を測定します。

赤外線センサの電圧範囲は、-40°C～125°Cの範囲に仕様規定され、広範な応用が可能です。 低動作電圧に加えて低消費電力であるため、この部品は電池駆動アプリケーションに適しています。 チップサイズフォーマットの低いパッケージ高さにより、標準の大量アセンブリ工法を採用でき、測定される物体にスペースの制限がある場合に有用です。

接触または非接触センサの使用には、温度測定に使用される際の基本的前提および推論が必要です。 したがって、実際の温度が、示される温度と同じであると確信できるように、データシートを入念に読み、影響因子について理解することが重要です。