NTC热敏电阻在气相色谱中的应用

郭继红

（眉山麦克在线设备股份有限公司，四川 眉山 620020）

0 引言

图1 NTC热敏电阻参数计算工具软件界面Fig.1 NTC thermistor parameter calculation tool software interface

气相色谱分析仪主要由自集成压力控制（EGC），自集成进样、分离、检测模块、电子系统、通道信息电子管理单元和诊断功能组成，单次的平均分析周期不大于3min。其可以广泛地应用在炼气厂、生物气体、永久气体测量、反应监测、天然气计量、燃料电池监测、煤矿安全、环境监测、制冷剂测试和录井仪集成[1,2]。针对气体的色谱分析操作需要对取样气体进行测温操作，而测温计量传感器通常有RTD 热电阻和NTC 热敏电阻，RTD 易于溯源和检定校准，常分为AA 级、A 级、B 级、1/3B 级和1/5B 级，用于气体工况温度补偿的热电阻通常为Pt100，精度为A 级。但是RTD 有一个缺点就是响应速度较慢，在色谱分析的过程中不易在短的测量周期内实现被测气体介质的准确测温，而NTC 热敏电阻却能很好地解决这个问题，其较好的线性度和测量灵敏度可以弥补RTD 在色谱分析应用中的不足，而且通常NTC 的测温范围是-50℃～150℃，色谱取样的气体温度通常低于50℃，NTC 热敏电阻完全可以满足气相色谱的测量要求[3,4]。

1 NTC表格工具

以VISHAY 公司BC 组件的NTCS0603 系列热敏电阻（SMD0603）作为参考，计算出NTC 相关参数的电子表格数据。计算程序为热敏电阻NTCS0603 提供了一个随温度变化的电阻表，电阻值包括从2kΩ ～100 kΩ 的R25 阻值系列表。计算表的初始温度可以自由定义，温度从-55℃开始，温度步长可以选择在0.1℃～10℃之间，最高温度设定在150℃。除此之外，注意R25 和B25/85 两个参数需要参照NTC 系数表格填写，如选择表格中number 为2 的热敏电阻参数时，R25=2200 Ohm；B25/85=3520 K[5]。在参数的填写过程中，如果填入的数值无效，或者某些值未填写，将出现对应的错误消息智能提示。

1）温度步长，单位：℃，范围：0.1℃～10℃。

图2 NTCS0603系列NTC热敏电阻参数Fig.2 NTCS0603 series NTC thermistor parameters

2）起始温度，单位：℃，范围：-55℃～150℃。

3）25℃热敏电阻值R25，单位：Ω。

4）B25/85 系数值，单位：K。

5）NTC 的允差值，单位：%，数值为：1%、2%、3%或5%。

6）基准温度值，单位：℃，数值默认为：25℃。

2 NTC计算公式

热敏电阻分为NTC（负温度系数）和PTC（正温度系数），NTC 热敏电阻器的特点是其电阻随温度上升而减少，电阻对温度变化的响应通常是线性的。当需要连续线性改变电阻与温度时，例如：气相色谱传感器的温度补偿、PID温度控制系统和浪涌保护电流限制时，通常选择NTC 热敏电阻。相比较而言，PTC 热敏电阻器的特点是其电阻随温度上升而增加，PTC 电阻值会随温度的增加发生轻微变化，直到达到临界点之后电阻值会发生几何量级的变化。因此，PTC 热电阻通常用于具有自复位功能的保险丝以及大功率加热器。NTC 可以较好地用于气相色谱仪表的温度补偿，气相色谱仪表的应用场合一般小于150℃，在热敏电阻的测温范围内，且NTC 价格便宜，具有良好的灵敏度和重复性，便于对气相色谱仪表进行计量补偿[6-8]。NTC 热敏电阻的换算包括温度计算电阻值和电阻计算温度值，NTC 的计算公式为

表1 NTC数据计算表格Table 1 NTC Data calculation table

式中，NTC 热敏电阻Temperature T（单位：℃），温度范围是-55.0℃～150.0℃，RT/R25参数是温度T 时，热敏电阻阻值与25℃时阻值的比值。为了保证计算精度，一般将NTC 热敏电阻分为低于25℃的低温区和高于25℃的高温区。

电阻值计算温度值的计算系数为：

A=-13.4095689

B=4481.7989

C=-150521.69

D=1877103

温度值计算电阻值的计算系数为：

A=0.003354016

B=0.0002828750

C=2.989645E-06

D=4.840855E-08

计算表格的信息包括8 项数据：

1）Temperature T：NTC 热敏电阻温度（℃）。

2）RT/R25：T 温度下的阻值与25℃阻值的比值。

3）RT：T 温度下的阻值，（Ohm）。

4）ΔR/R：阻值偏差率，（%）。

5）a：热敏电阻特性系数，（%/K）。

6）ΔT±：T 温度偏差值，（K）。

7）Rmin：T 温度时最小电阻值（Ohm）。

8）Rmax：T 温度时最大电阻值，（Ohm）。

Temperature T，（℃）起始温度值作为起点，以设置的时间间隔为步长累加，从-55.0℃开始至150.0℃结束，间隔步长为5℃。

3 气相色谱应用

微型气相色谱仪在天然气计量管理工作中有着广泛的应用，天然气实时组份信息对介质密度、压缩因子、热值和理论声速都有着较大的决定作用。具体的设置操作包括通道配置，热值计算和臭味物质分析等步骤[9,10]，气相色谱分析仪的具体工作原理如图3 所示。

图3 气相色谱的工作原理Fig.3 Working principle of gas chromatography

图4 色谱分析计算报告Fig.4 Chromatographic analysis calculation report

天然气介质的色谱分析包括：永久气体C1-C9（丙烷、异丁烷、正丁烷、新戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷）、臭味物质（如THT），具体包括：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氧气、氮气、氯化氢和其它气体（如氦气、氢气、氩气、氖气）。依据不同国际标准进行计算（GPA 2171-09/ ASTM3588-98（2003）/ ISO-6976），中国热值标准GB/T-11062-1998 采用同ISO-6976 一样的计算方法和参数，并可根据AGA8 计算天然气发热量、密度、相对密度、气体压缩因子、沃泊指数、GPM 值等。针对任一标准，用户可增减化合物和编辑相应的物化参数。色谱分析仪还提供每种标准方法中默认标准化合物物化性质参数[11,12]。

以天然气的测试数据为例：

1）实际测量组份值

氮气 0.653、甲烷 93.36、二氧化碳1.523、乙烷 3.937、丙烷 0.287、异丁烷 0.057、正丁烷 0.1、异戊烷 0.052、正戊烷 0.024、正己烷 0.007。上述数据的计算结果：相对密度0.5982、密度0.720515、工况压缩因子 0.914776（压力40bar，温度21℃）、标况压缩因子0.997907。

2）现有流量计算机组份值

氮气 0.613、甲烷 92.688、二氧化碳 1.321、乙烷 4.77、丙烷 0.321、异丁烷 0.05、正丁烷 0.106、异戊烷 0.077、正戊烷 0.042、正己烷 0.011。上述数据的计算结果：相对密度0.6013、密度0.724263、工况压缩因子0.912867（压力40bar，温度21℃）、标况压缩因子0.997863。

色谱分析仪实测数据值和流量计算机运行组份数据值的K 系数分别为0.9167 和0.9148，误差为-0.2%；热值（MJ/M3）分别为37.8 和38.2，误差为1.06%。对于贸易交接用的天然气来说，色谱分析仪的正确使用对准确计量起到至关重要的作用。

4 结论

NTC 热敏电阻较好的灵敏度可以弥补RTD 热电阻测温响应慢的不足，在气体色谱分析中应用NTC 热敏电阻可以迅速地在测试周期内获取取样气体介质的准确温度值，对现有的RTD 热电阻测温是一个延伸补充。经测试比较，此NTC 热敏电阻成本低廉，测温灵敏度高，可以稳定地实现气相色谱测温。