基礎知識

白金抵抗温度計の自己発熱

白金抵抗温度計の測定は自己発熱を最小限に抑えるために、測定電流を十分に考慮する必要があります。

引用：ISOTECH Whitepaper　Platinum Resistance Thermometer: Self Heating ISSUE 01-06/20

白金抵抗温度計の構造について

白金測温抵抗体は、温度計のシースの先端に検出部があります。
これらの検出素子のボディはセラミックであり、アプリケーションに応じて長さと直径を変えることができます。
検出素子内には、部分的または完全に検出素子の本体内でサポートされている微細な白金線のコイル（複数可）があります。この支持により、加熱/冷却や膨張/収縮時に個々のコイルが短絡するのを防ぐことができます。
このようなタイプのセンサーエレメントは「ワイヤーワウンド」と呼ばれています。

白金抵抗温度計の抵抗値の測り方は？

通常の使用では、白金抵抗温度計は、何らかの温度測定器に接続されているでしょう。
温度測定器は、温度計の検出素子を介して既知の電流Ｉを流し、電圧Ｖは、測定される検出素子を越えて開発されています。その後、オームの法則を使って、抵抗Ｒが計算されます。
Ｖ　=　ＩＲ　転置して、Ｒ　=　Ｖ／Ｉ
これは、ほとんどの温度測定器で自動的に行われます。

自己発熱とは？

抵抗体に電流を流すと（電気ストーブと同じように）電力Ｐが発生し、それが熱として放出されます。
Ｐ　=　Ｉ２Ｒ
この温度測定器からの電流による熱を自己発熱といいます。
自己発熱は、測定しようとしている温度計の環境の温度に加えて発生します。
ここで、ｔＥは測定対象の環境による温度計の温度、ΔｔＳＨは自己発熱による温度計の追加の温度上昇です。これは、抵抗の観点から書き直すことができます。
温度計からの測定抵抗値をＲｔとすると
Ｒｔ　=　ＲＥ　+　ΔＲＳＨ
ここで、
REは、測定環境に起因する温度計の抵抗値であり
ΔＲＳＨは、自己発熱効果による温度計の追加の抵抗増加値です。

白金測温抵抗体の自己発熱（ΔＲＳＨ）を測定する方法は？

問題点：
　白金測温抵抗体は電流を流さないと測定できないため、常に自己発熱が発生してしまいます。1回の測定では、自己発熱の割合と、温度計が測定しようとしている実際の環境に起因する割合とを区別することはできません。
解決策：
　2回の測定を行う。 1つは通常の測定電流で、もう1つは電力を半分または2倍にした電流で測定します。

このことから、自己発熱効果（ΔＲＳＨ）は、ゼロパワー抵抗（自己発熱効果のない抵抗）とともに計算することができ、測定時に検出素子の熱として放散される電力は、次のように表されます。

Ｐ　=　Ｉ２Ｒ

電力を半分にするには、電流を次のような値に変更します。
Ｉ×1／√2または（Ｉ x 0.7071)
電力を2倍にするには、電流を次の値に変更します。
Ｉ x √2 または (Ｉ x 1.4142)

それぞれの電流で測定した抵抗値を以下のようにすると

ノーマルパワー　　　　　　　　　ＲＰ１
ハーフパワー　　　　　　　　　　ＲＰ０．5
ダブルパワー　　　　　　　　　　ＲＰ２

自己発熱効果ΔＲＳＨを算出するには、以下のいずれかを用いることができる。

ΔＲＳＨ　=　ＲＰ２　－　ＲＰ１
または
ΔＲＳＨ　=　ＲＰ１　－　(ＲＰ０．５ｘ　2）

ここから、ゼロパワー抵抗ＲＺＰを算出することができる。
ＲＺＰ　=　ＲＰ１　－　ΔＲＳＨ

注記：　microKやmilliKなどの精密温度測定器では、自己発熱の測定を自動的に行うことができます。

温度計の自己発熱の大きさは、さまざまな要因に左右されます。
・感温体に流れる電流の大きさ
・検知素子の公称抵抗値
・温度計の構造
・温度計が測定する環境との熱的接触

適切な温度測定を行うためには、これらすべてを考慮する必要があります。

気温を測定する工業用温度計では、自己発熱の影響が大きく、10分の1度以上になることもありますし、液槽中のSPRTでも、通常1mK以上の何らかの影響があります。

なぜ自己加熱を測定し、ゼロパワー抵抗を計算するのか？

例として定点セルの測定があげられます。
定点セルで高精度の測定を行う場合、SPRTをセル（同じセルの場合もある）に挿入するたびに、セルとの熱接触が異なり、その結果、自己発熱の値も異なります。
また、異なる測定システムでSPRTを使用した場合、公称では同じ測定電流を流すことになりますが、温度測定器の仕様によりごくわずかな違いがあり、やはり自己発熱効果が異なります。したがって、最高レベルの精度で測定値を比較するには、この自己発熱効果を補正する必要があります。

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