PT1000｜白金RTD1000Ωで高精度

2025.10.04

PT1000

PT1000は白金抵抗温度センサ（RTD: Resistance Temperature Detector）の一種で、0℃における公称抵抗が1000Ωである素子を指す。白金の抵抗温度係数の直線性と長期安定性を活かし、産業計測、HVAC、二次電池の熱管理、各種実験装置の温度フィードバックなどで広く用いられる。配線抵抗の影響が相対的に小さい点や、アナログ前段の設計自由度が高い点が特長である。

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原理と温度係数

PT1000は、白金の抵抗値が温度上昇とともに増加する性質（正の温度係数）を利用する。工業規格で最も一般的な感度はα=0.00385（Ω/Ω/℃）で、これはIEC 60751で規定される特性に対応する。理想的な一次式近似ではR(T)=R0(1+αT)と表せるが、高精度領域ではCallendar–Van Dusen式を用い、A=3.9083×10−3、B=−5.775×10−7、C=−4.183×10−12（T<0℃）といった係数で非線形性を補正するのが通例である。

規格・許容差（IEC 60751）

IEC 60751ではクラスA・クラスBなどの許容差が定義され、例えばクラスAは±(0.15+0.002|T|)℃、クラスBは±(0.3+0.005|T|)℃といった温度依存の精度枠が与えられる。さらに1/3DINや1/10DIN相当の高精度素子も流通しており、校正証明付きロットを選定すればシステム不確かさの見積りが容易になる。温度範囲は素子構造（薄膜型/巻線型）や保護管の材質に依存し、一般に薄膜型は応答が速く、巻線型は広温度域かつ高精度に適する傾向がある。

配線方式とリード補償

PT1000はリード線の抵抗による指示誤差を考慮する必要がある。方式の要点は以下の通りである。

  • 2線式：最も簡易で配線コストが低いが、リード抵抗がそのまま測定値に加算される。
  • 3線式：産業用途で標準的。ブリッジの対称性を利用してリード抵抗を一次近似で相殺する。
  • 4線式：基準計測・ラボ用途。電流駆動と電圧検出を分離し、リード抵抗影響を実質的に除去する。

測定電流と自己発熱

自己発熱はI2Rで増大し、素子周囲の放熱条件に依存して温度指示にオフセットを生む。一般にPT1000はRが大きいため、同一感度（V/℃）を得るのに必要な駆動電流を小さくでき、自己発熱を抑えやすい。実務では50～500µA程度の定電流駆動が多く、応答速度やノイズ環境、A/D分解能とのトレードオフで最適値を決める。自己発熱係数（℃/mW）はメーカーのデータシートで確認し、総合不確かさに織り込むべきである。

測定回路とA/D変換

代表的な測定回路は、(1)定電流源＋シャント電圧測定、(2)ブリッジ回路＋差動増幅、である。前者は回路が単純で直感的、後者は相対測定でダイナミックレンジを効率的に活かしやすい。A/D変換は低帯域で高分解能のsigma-delta型が適し、リファレンスの安定度、ノイズ密度、入力換算雑音（nV/√Hz）などを指標に選定する。高分解能を狙う場合はチョッパ安定化アンプやガード配線、ケルビン接続を併用する。

直線化・補正アルゴリズム

制御系やログ用途では、マイコンまたはFPGA内での直線化が定石である。方法は以下の通りである。

  1. Callendar–Van Dusen直接計算：広範囲で高精度だが演算量がやや大きい。
  2. 区分線形近似：温度帯を分割し一次式を当てる。実装が容易で計算も軽い。
  3. 多項式近似またはLUT：固定小数点でも扱いやすく、高速性に優れる。

ノイズ対策とEMC

PT1000は高インピーダンス化しやすいため、配線の誘導ノイズや商用周波数ハムの重畳に注意する。ツイストペアやシールド、低通フィルタ（RC/アクティブ）を設け、50/60Hzとその高調波を十分に減衰させる。長尺配線ではコモンモードノイズに対して差動入力と適正なCMRRを確保し、アースの一点化と絶縁耐力を満たすことが重要である。

素子構造とパッケージ

薄膜型はセラミック基板上に白金薄膜を形成し、応答が速く小型で量産に適する。巻線型は白金線をコイル状にし、ひずみ影響が小さく長期安定性に優れる。パッケージはガラス封止、ステンレス保護管、表面実装チップなど多様で、熱時定数、最大温度、化学的耐性（湿気・薬品）を考慮して選ぶ。熱インターフェース材や挿入深さ、プローブ径は応答と伝熱誤差に直結する設計パラメータである。

設計・選定の実務ポイント

  • 目標不確かさを定義し、素子許容差、自己発熱、A/D分解能、基準電圧ドリフト、配線抵抗、直線化誤差を合算評価する。
  • 環境条件（温湿度、振動、結露、EMI）を仕様化し、適合する筐体・ケーブル・防水等級を選ぶ。
  • 校正計画（出荷時校正、年次点検、トレーサビリティ）を策定し、ドリフト監視用の基準点を設ける。
  • 安全要件（過電圧カテゴリ、絶縁距離、保護接地）を満たし、異常時のフェイルセーフを規定する。

応用例

PT1000はBMSのセル温度監視、インバータのヒートシンク温度制御、化学プロセスのPID温調、恒温槽や環境試験器の基準センサ、医療機器の温度トレンド監視などに適用される。高い再現性と入手性により、量産から研究用途までスケールを問わず導入できる点が強みである。適切な配線方式と電流設定、直線化アルゴリズムを組み合わせることで、広範な温度域で確度と応答のバランスを最適化できる。

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