4線式RTDに対応する 集積型の温度計測システム、 高精度の計測用途に最適

Technical Article 4線式RTDに対応する 集積型の温度計測システム、 高精度の計測用途に最適 著者：Thomas Brand、フィールド・アプリケーション・エンジニア あらゆる製品の製造工程には、高精度かつ信頼性に優れた温度測 2線式の測定回路では、RTDに励起電流Iを供給する2本のワイ 定技術が必要になります。多くの場合、温度は接触型のセンサー ヤを、電圧の測定にも使用します。この場合、RTDの抵抗値が小 を使用して測定されます。例えば、センサーを液体に浸したり、 さいので、ワイヤの抵抗RLの値が比較的小さくても、比較的大き マシンの表面に接触させたりといったことが行われるということ な測定誤差が生じます。この誤差は、3線式、4線式の測定回路 です。こうした用途には、サーミスタや熱電体、RTD（測温抵抗体） の場合、最小限に抑えることが可能です。RTDの励起電流は独 などの温度センサーがよく使われます。RTDは応答が速く、最高 立したワイヤによって供給し、電圧の測定に使用するワイヤは通 で数百μV/℃という優れた感度を有しています。また、-200℃ 常インピーダンスの高い測定用デバイスの入力に直接接続できる ～800℃という広範な温度範囲で、直線的な挙動を示します。 からです。 RTDには、2線式、3線式、4線式などの種類があり、多様なア RTDにおける小さな電圧降下により、残念ながら、生成される電 プリケーションに適用できるだけの柔軟性を備えています。 圧信号はノイズの多いものになりがちです。それらのノイズは、 RTDによって温度に対応する電圧を生成するためには、励起電流 電圧の増幅が信号源（RTD）にできるだけ近い位置で行われる が必要です。数十mVから数百mVまで、電圧のレベルはRTD製 ようにすることで低減できます。そのため、測定用のワイヤはで 品の種類によって異なります。温度計測システムの精度は、RTD きるだけ短く抑える方がよいでしょう。また、電圧信号を取得し をはじめとする温度センサーだけによって決まるわけではありま てデジタル・データに変換する処理には、S/N比と感度に優れる せん。適切な計測器を選択しているか否か、システムをどのよう A/Dコンバータ（ADC）を使用するべきです。例えば、アナロ に構成しているか、測定用の回路としてはどのようなものを使用 グ・デバイセズの「AD7124ファミリ」のようなADC製品を選 するのかといったことにも依存します。RTDを使用する場合、2 択するべきだということです。同製品は、分解能が24ビットの 線式、3線式、4線式のそれぞれに対応する測定回路を使用する シグマ・デルタ（ΣΔ）型ADCです。アナログ・フロント・エ ことになります。具体的には図1のような回路を構成します。 ンド（AFE）機能を含む完全な集積化を実現した製品であり、高 精度の計測アプリケーションに最適な高いノイズ性能を備えてい ます。 R I I L1RL1 I R R L2L1 RL2 RTD V RTD V RTD V R RL2 L3 RL3 RL4 図1. 2線式/3線式/4線式の測定回路 VISIT ANALOG.COM/JP

入力部は、差動またはシングルエンド／疑似差動として選択的に まとめ 構成することが可能です。AD7124ファミリは、デジタル・フィ AD7124ファミリのようなAFE機能を備えるADC製品を使用す ルタやプログラマブルなアンプ段も備えています。また、低電圧 れば、RTDをベースとする温度計測システムを比較的容易に実現 のアプリケーションにも最適です。 できます。高い精度、少ない消費電力、小さなノイズをバランス 良く組み合わせられるので、高精度の計測アプリケーションや、 図2に、AD7124を用いた4線式の温度計測システムの例を示し 低消費電力であることが求められる携帯型の機器に最適です。ま ました。 た、この種のADC製品は集積度や柔軟性が高いので、アーキテ クチャを簡素化することができます。更に、種類が異なる複数の AD7124 センサーを用いた計測アプリケーション（温度、電流、電圧など RTDセンサー R を計測）を短期間で設計することが可能になります。L1 IOUT0 (AIN0) R L2 1 kΩ AIN2 著者について 0.01 µF Thomas Brand（thomas.brand@analog.com）は、 0.1 µF 2015年10月に修士課程の一環としてアナログ・デバイ R L3 1 kΩ セズのミュンヘン支社でキャリアをスタートさせました。 AIN3 2016年5月から2017年1月まで、アナログ・デバイセ 0.01 µF R L4 ズにおいて、フィールド・アプリケーション・エンジニア 1 kΩ を目指す人のための研修プログラムに参加。2017年2月 REFIN1(+) にフィールド・アプリケーション・エンジニアとなり、主 0.01 µF R 5.11 kΩRef1 に産業分野の大口顧客を担当してきました。産業用イー 0.1% 0.1 µF サネットを専門としており、中欧における関連事業のサ 1 kΩ REFIN1(–) ポートにも携わっています。ドイツのモースバッハにある 0.01 µF R University of Cooperative Education（UCE）で電気工Ref2 250 Ω 学を専攻した後、ドイツのコンスタンツ応用科学大学 大学 院で国際営業を学び、修士号を取得しました。 図2. AD7124を用いて構成した温度計測システム。 4線式のRTDをベースにしています。 AD7124のアナログ入力ピンAIN2、AIN3は、差動入力として EngineerZone® 構成しています。これらによって、RTDから生成される電圧を測 オンライン・ 定します。RTD用の励起電流は、アナログ電源電圧AVDDを基 サポート・コミュニティ にAD7124内部で生成し、AIN0から供給します。励起電流は、 アナログ・デバイセズのオンライン・サポート・コミュニ リファレンス抵抗RRef1にも流れます。RRef1としては高精度の抵抗 ティに参加すれば、各種の分野を専門とする技術者との連 を使用しますが、ここでも電圧降下が生じます。この電圧降下は、 携を図ることができます。難易度の高い設計上の問題につ リファレンス・ピンREFIN1(+)、REFIN1(-)によって検出します。 いて問い合わせを行ったり、FAQを参照したり、ディス そして、この電圧降下は、RTDにおける電圧降下に比例します。 カッションに参加したりすることが可能です。 このようなレシオメトリックな構成であることから、励起電流の 変化は、システム全体の精度には一切影響を及ぼしません。RRef2 ez.analog.com にアクセス は、AD7124が内蔵するアナログ・バッファの正常な動作に必要 なオフセット電圧を生成します。それらのバッファは、A/D変換 を実施する前の信号のフィルタリングに使用します。このフィル ＊英語版技術記事はこちらよりご覧いただけます。 タによって、エイリアスの除去とノイズの低減が実現されます。 別の方法として、すべてのアナログ入力とリファレンス入力に個 別のRCフィルタを接続することも可能です。AD7124を採用す れば、計測システムの校正（ゼロスケール校正とフルスケール 校正）を実施することにより、測定の開始前にゲイン誤差とオフ セット誤差を容易に最小化することもできます。 2　 4線式RTDに対応する集積型の温度計測システム、高精度の計測用途に最適

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