【抵抗温度計】について解説：電気抵抗を利用した温度計

概要

金属や非金属の電気抵抗が温度によって変化することを利用した温度計を抵抗温度計といいます。

工業用途の温度計の中では、熱電対を使用する熱電温度計と並んでよく使用されます。

本記事では抵抗温度計の特徴を解説します。

原理

物質(抵抗体)に電気を流しその電気抵抗を測定することで、その抵抗値に見合った温度を知ることができます。

代表的な抵抗体の抵抗比を以下の図に示します。抵抗比とは任意の温度tの抵抗値Rtを0℃の抵抗値R0で割ったものです。

一般に金属の抵抗比は温度とともに増加します。

低温だと金属原子の運動が小さいため電子が通過しやすく電気抵抗が小さくなります。

高温だと金属原子の運動が活発となり電子の通過を阻害するようになるため電気抵抗が大きくなります。

最も代表的な抵抗温度計の材質は上図に示した白金で、0℃の抵抗値R0と100℃の抵抗値R100の比(R100/R0)が1.3851であることがJISで規定されています。

一方で、温度が高くなるにつれて電気抵抗が小さくなる物質もあります。

代表的なものが上図に示したサーミスタで、マンガン・ニッケル・コバルト等の金属酸化物を焼成したセラミックス半導体です。

サーミスタは純金属とは違い自由電子をそれほど持っていないため、低温だと電子の流れが悪く電気抵抗が大きいです。

高温になるほど熱振動により電子の移動が促進されるため、電気抵抗が小さくなります。

抵抗温度計の種類

抵抗温度計の種類を以下の表に示します。

"エネルギー管理士試験講座　熱分野Ⅳ"より引用

ここではよく使用される白金とサーミスタについて以下に別途まとめています。

白金測温抵抗体

白金測温抵抗体は、直径が10～40μm程度の白金線を巻き枠に巻いて、0℃のときの抵抗値が100Ωになるよう作ったものです。

白金線を巻き枠に巻いた部分を抵抗素子といい、通常はこれを保護管に入れて使用します。

抵抗素子から保護管の端子までの間は、互いに絶縁された内部導線により接続します。

巻き枠にはマイカ(雲母)、ガラス、セラミックス等が使用されます。

測定温度範囲

また、白金測温抵抗体の温度範囲は以下の4種類が挙げられます。

• 低温用：-200～100℃
• 常温用：-30～200℃
• 中温用：0～350℃
• 高温用：0～600℃

結線方式

白金測温抵抗体はサーミスタよりも抵抗値が小さいため、導線抵抗の影響で誤差が出やすいです。

誤差の程度は結線方式によって異なります。

• 2線式：最も安く済むが、導線抵抗の変化がそのまま誤差となる。
• 3線式：抵抗素子・導線を含めた電圧降下と導線のみの電圧降下を計測し、差を取ることで抵抗素子のみの電圧降下を算出する。4線式に近い精度で測定でき、4線式より安いためよく使用される。
• 4線式：導線抵抗の影響を全く受けずに測定できる。高精度の測定用。

長所

• 熱電対より大きい出力が得られる
• 熱電対とは異なり、基準接点の温度補償が不要
• 経時変化が少なく、安定性が良い
• 熱電対より測定精度が良い

短所

• 測定温度の上限が低く、650℃を超えるような温度測定はできない
• 応答が遅い
• 導線抵抗が測定誤差の要因となる
• 古い計器では導線抵抗による自己加熱が誤差の原因となる
• 熱電対より構造が複雑で大きい

サーミスタ

前述したように、サーミスタは金属酸化物を焼成したセラミックス半導体です。

JISの定義では"金属の酸化物からなり、抵抗の温度係数が負である抵抗素子で、表面をガラスで被覆したもの"とされていますが、一般には感温半導体の総称として使われています。

サーミスタの抵抗値は前述したように指数関数的に減少し、温度に対する感度は良いです。

ただし、1個の素子でカバーできる温度範囲は狭いため、抵抗を付加して互換性を高める方式がJISで規定されています。

また、白金測温抵抗体が工業用・実験室用に広く使用されているのに対して、サーミスタはもちろん工業用にも使用されますが、家電用・OA用・住宅用など民生用にも多く用いられます。

長所

• 抵抗の変化が大きいので、微小温度変化の検出に有利
• 素子の寸法が小さく、応答が速い
• 量産性に富み、安価である
• 素子の抵抗が大きい(3kΩ～30kΩ程度)ので、導線の抵抗はほぼ無視できる

短所

• 抵抗の変化が著しく非線形なので、広範囲の温度測定には不向き
• 抵抗値や温度特性にバラツキがあり、素子単体での互換性は良くない

まとめ

抵抗温度計について解説しました。

白金測温抵抗体とサーミスタは特徴をよく覚えておきましょう。