如何降低铂热电阻温度传感器自热引起的测量精度误差

铂热电阻温度传感器本质上是一个受温度影响的电阻器，电流通过电阻会产生热量，这种原因引起的温度变化被称作为铂电阻的自热。电阻器自发热的计算是一个很基本的概念，但实际的工作中常常被我们忽略，从而造成传感器测量电路的测量精度误差加大。

在我阐述最近设计的高精度电阻式温度传感器变送器(RTD) 采集系统的电路原理时，我意识到了它的重要性。对于图 1 中的简化设计，需要考虑信号路径中温度铂电阻自发热引起的误差，才能防止它们所导致的我们不希望出现的测量误差。　　

图1：简化的铂热电阻温度传感器变送器电路原理图

该变送器电路针对比率计温度测量设计，因此模数转换器 (ADC) 的最终转换结果直接取决于参考电阻器RREF电阻­ 的绝对值。由于RREF上有激励电流经过，因此它会消耗电源并发热，从而可引起电阻变化，影响测量精确度。此外，电阻器自发热影响在电流感应或功率测量等众多其它应用中也很重要，其取决于电阻器绝对值，因为在电阻器消耗电源时它可能会改变阻值。

电阻器的温度系数(或TC)规定了电阻器温度变化时电阻的变化范围。电阻器TC的单位一般是每摄氏度百万分之一(ppm/°C)。一个 1% 电阻器具有大约 +/-100ppm/°C 的温度系数TC，而高精度金属膜电阻器则提供较低的温度系数不到0.1ppm/°C。

下面的公式1和公式2是温度从 25°C 到125°C 变化时，如何使用电阻器温度规范计算 1kΩ、±100ppm/°C 电阻器阻值 ΔRTC 变化的实例。　　

一般来说，较小表面安装电阻器组件(0201、0402、0603 等)在功率耗散方面效率较低，因此具有极高的自发热系数θSH，有时高达1000°C/W 以上！这些较小电阻器的额定功率级通常小于0.1W，但其温度会随功率耗散极其快速地变化。

公式3可计算功率耗散所引起的电阻器温度增加量 ΔTSH。公式4将 ΔTSH 插入公式1替代 ΔT，以确定 100°C/W 适度自发热和 0.5W 功率耗散情况下自发热所引起的电阻变化。

尽管电阻器的数据手册中通常不提供自发热系数，但通常都包含功率额定值下降曲线，您可通过该曲线反向计算出自发热系数。

功率额定值下降曲线可在不超过最大指定温度情况下，针对环境温度规定电阻器的最大功耗。图2是0.5W电阻器的电阻器功率额定值下降曲线实例。

图2：1/2W金属膜电阻器的功率额定值下降曲线

可以从图2的曲线中可以确定最大工作温度 TMAX，也就是在额定耗散等于0% 时x轴上的值。在所示实例中，最大工作温度是 150°C。另外，电阻器也不可能在100% 额定耗散 (TMAX_PWR100%)、85°C下工作。可通过该温度、最大工作温度以及电阻器的功率额定值计算出针对 θSH 的值，如图 5 所示。

现在可凭借计算得出的自发热系数确定热增加量，从而可使用公式 3 和公式 4 计算功率耗散所引起的电阻变化。因此，可根据电阻变化确定自热对温度传感器变送器电路对系统精度的最终影响。