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            如何降低鉑熱電阻溫度傳感器自熱引起的測量精度誤差

            發布時間:2015-11-17??????發布人:長沙澤天??????點擊:

            鉑熱電阻溫度傳感器本質上是一個受溫度影響的電阻器,電流通過電阻會產生熱量,這種原因引起的溫度變化被稱作為鉑電阻的自熱。電阻器自發熱的計算是一個很基本的概念,但實際的工作中常常被我們忽略,從而造成傳感器測量電路的測量精度誤差加大。

            在我闡述最近設計的高精度電阻式溫度傳感器變送器(RTD) 采集系統的電路原理時,我意識到了它的重要性。對于圖 1 中的簡化設計,需要考慮信號路徑中溫度鉑電阻自發熱引起的誤差,才能防止它們所導致的我們不希望出現的測量誤差?! ?

            鉑熱電阻溫度傳感器變送器電路原理圖

            圖1:簡化的鉑熱電阻溫度傳感器變送器電路原理圖

            該變送器電路針對比率計溫度測量設計,因此模數轉換器 (ADC) 的最終轉換結果直接取決于參考電阻器RREF電阻- 的絕對值。由于RREF上有激勵電流經過,因此它會消耗電源并發熱,從而可引起電阻變化,影響測量精確度。此外,電阻器自發熱影響在電流感應或功率測量等眾多其它應用中也很重要,其取決于電阻器絕對值,因為在電阻器消耗電源時它可能會改變阻值。

            電阻器的溫度系數(或TC)規定了電阻器溫度變化時電阻的變化范圍。電阻器TC的單位一般是每攝氏度百萬分之一(ppm/°C)。一個 1% 電阻器具有大約 +/-100ppm/°C 的溫度系數TC,而高精度金屬膜電阻器則提供較低的溫度系數不到0.1ppm/°C。

            下面的公式1和公式2是溫度從 25°C 到125°C 變化時,如何使用電阻器溫度規范計算 1kΩ、±100ppm/°C 電阻器阻值 ΔRTC 變化的實例?! ?

            電阻器溫度規范計算公式

            一般來說,較小表面安裝電阻器組件(0201、0402、0603 等)在功率耗散方面效率較低,因此具有極高的自發熱系數θSH,有時高達1000°C/W 以上!這些較小電阻器的額定功率級通常小于0.1W,但其溫度會隨功率耗散極其快速地變化。

            公式3可計算功率耗散所引起的電阻器溫度增加量 ΔTSH。公式4將 ΔTSH 插入公式1替代 ΔT,以確定 100°C/W 適度自發熱和 0.5W 功率耗散情況下自發熱所引起的電阻變化。

            電阻變化計算

            盡管電阻器的數據手冊中通常不提供自發熱系數,但通常都包含功率額定值下降曲線,您可通過該曲線反向計算出自發熱系數。

            功率額定值下降曲線可在不超過最大指定溫度情況下,針對環境溫度規定電阻器的最大功耗。圖2是0.5W電阻器的電阻器功率額定值下降曲線實例。

            電阻器功率額定值下降曲線

            圖2:1/2W金屬膜電阻器的功率額定值下降曲線

            可以從圖2的曲線中可以確定最大工作溫度 TMAX,也就是在額定耗散等于0% 時x軸上的值。在所示實例中,最大工作溫度是 150°C。另外,電阻器也不可能在100% 額定耗散 (TMAX_PWR100%)、85°C下工作??赏ㄟ^該溫度、最大工作溫度以及電阻器的功率額定值計算出針對 θSH 的值,如圖 5 所示。

            電阻器的功率額定值計算  

            現在可憑借計算得出的自發熱系數確定熱增加量,從而可使用公式 3 和公式 4 計算功率耗散所引起的電阻變化。因此,可根據電阻變化確定自熱對溫度傳感器變送器電路對系統精度的最終影響。

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