NTC熱敏電阻在氣相色譜中的應(yīng)用

郭繼紅

（眉山麥克在線設(shè)備股份有限公司，四川 眉山 620020）

0 引言

圖1 NTC熱敏電阻參數(shù)計算工具軟件界面Fig.1 NTC thermistor parameter calculation tool software interface

氣相色譜分析儀主要由自集成壓力控制（EGC），自集成進樣、分離、檢測模塊、電子系統(tǒng)、通道信息電子管理單元和診斷功能組成，單次的平均分析周期不大于3min。其可以廣泛地應(yīng)用在煉氣廠、生物氣體、永久氣體測量、反應(yīng)監(jiān)測、天然氣計量、燃料電池監(jiān)測、煤礦安全、環(huán)境監(jiān)測、制冷劑測試和錄井儀集成[1,2]。針對氣體的色譜分析操作需要對取樣氣體進行測溫操作，而測溫計量傳感器通常有RTD 熱電阻和NTC 熱敏電阻，RTD 易于溯源和檢定校準，常分為AA 級、A 級、B 級、1/3B 級和1/5B 級，用于氣體工況溫度補償?shù)臒犭娮柰ǔ镻t100，精度為A 級。但是RTD 有一個缺點就是響應(yīng)速度較慢，在色譜分析的過程中不易在短的測量周期內(nèi)實現(xiàn)被測氣體介質(zhì)的準確測溫，而NTC 熱敏電阻卻能很好地解決這個問題，其較好的線性度和測量靈敏度可以彌補RTD 在色譜分析應(yīng)用中的不足，而且通常NTC 的測溫范圍是-50℃～150℃，色譜取樣的氣體溫度通常低于50℃，NTC 熱敏電阻完全可以滿足氣相色譜的測量要求[3,4]。

1 NTC表格工具

以VISHAY 公司BC 組件的NTCS0603 系列熱敏電阻（SMD0603）作為參考，計算出NTC 相關(guān)參數(shù)的電子表格數(shù)據(jù)。計算程序為熱敏電阻NTCS0603 提供了一個隨溫度變化的電阻表，電阻值包括從2kΩ ～100 kΩ 的R25 阻值系列表。計算表的初始溫度可以自由定義，溫度從-55℃開始，溫度步長可以選擇在0.1℃～10℃之間，最高溫度設(shè)定在150℃。除此之外，注意R25 和B25/85 兩個參數(shù)需要參照NTC 系數(shù)表格填寫，如選擇表格中number 為2 的熱敏電阻參數(shù)時，R25=2200 Ohm；B25/85=3520 K[5]。在參數(shù)的填寫過程中，如果填入的數(shù)值無效，或者某些值未填寫，將出現(xiàn)對應(yīng)的錯誤消息智能提示。

1）溫度步長，單位：℃，范圍：0.1℃～10℃。

圖2 NTCS0603系列NTC熱敏電阻參數(shù)Fig.2 NTCS0603 series NTC thermistor parameters

2）起始溫度，單位：℃，范圍：-55℃～150℃。

3）25℃熱敏電阻值R25，單位：Ω。

4）B25/85 系數(shù)值，單位：K。

5）NTC 的允差值，單位：%，數(shù)值為：1%、2%、3%或5%。

6）基準溫度值，單位：℃，數(shù)值默認為：25℃。

2 NTC計算公式

熱敏電阻分為NTC（負溫度系數(shù)）和PTC（正溫度系數(shù)），NTC 熱敏電阻器的特點是其電阻隨溫度上升而減少，電阻對溫度變化的響應(yīng)通常是線性的。當(dāng)需要連續(xù)線性改變電阻與溫度時，例如：氣相色譜傳感器的溫度補償、PID溫度控制系統(tǒng)和浪涌保護電流限制時，通常選擇NTC 熱敏電阻。相比較而言，PTC 熱敏電阻器的特點是其電阻隨溫度上升而增加，PTC 電阻值會隨溫度的增加發(fā)生輕微變化，直到達到臨界點之后電阻值會發(fā)生幾何量級的變化。因此，PTC 熱電阻通常用于具有自復(fù)位功能的保險絲以及大功率加熱器。NTC 可以較好地用于氣相色譜儀表的溫度補償，氣相色譜儀表的應(yīng)用場合一般小于150℃，在熱敏電阻的測溫范圍內(nèi)，且NTC 價格便宜，具有良好的靈敏度和重復(fù)性，便于對氣相色譜儀表進行計量補償[6-8]。NTC 熱敏電阻的換算包括溫度計算電阻值和電阻計算溫度值，NTC 的計算公式為

表1 NTC數(shù)據(jù)計算表格Table 1 NTC Data calculation table

式中，NTC 熱敏電阻Temperature T（單位：℃），溫度范圍是-55.0℃～150.0℃，RT/R25參數(shù)是溫度T 時，熱敏電阻阻值與25℃時阻值的比值。為了保證計算精度，一般將NTC 熱敏電阻分為低于25℃的低溫區(qū)和高于25℃的高溫區(qū)。

電阻值計算溫度值的計算系數(shù)為：

A=-13.4095689

B=4481.7989

C=-150521.69

D=1877103

溫度值計算電阻值的計算系數(shù)為：

A=0.003354016

B=0.0002828750

C=2.989645E-06

D=4.840855E-08

計算表格的信息包括8 項數(shù)據(jù)：

1）Temperature T：NTC 熱敏電阻溫度（℃）。

2）RT/R25：T 溫度下的阻值與25℃阻值的比值。

3）RT：T 溫度下的阻值，（Ohm）。

4）ΔR/R：阻值偏差率，（%）。

5）a：熱敏電阻特性系數(shù)，（%/K）。

6）ΔT±：T 溫度偏差值，（K）。

7）Rmin：T 溫度時最小電阻值（Ohm）。

8）Rmax：T 溫度時最大電阻值，（Ohm）。

Temperature T，（℃）起始溫度值作為起點，以設(shè)置的時間間隔為步長累加，從-55.0℃開始至150.0℃結(jié)束，間隔步長為5℃。

3 氣相色譜應(yīng)用

微型氣相色譜儀在天然氣計量管理工作中有著廣泛的應(yīng)用，天然氣實時組份信息對介質(zhì)密度、壓縮因子、熱值和理論聲速都有著較大的決定作用。具體的設(shè)置操作包括通道配置，熱值計算和臭味物質(zhì)分析等步驟[9,10]，氣相色譜分析儀的具體工作原理如圖3 所示。

圖3 氣相色譜的工作原理Fig.3 Working principle of gas chromatography

圖4 色譜分析計算報告Fig.4 Chromatographic analysis calculation report

天然氣介質(zhì)的色譜分析包括：永久氣體C1-C9（丙烷、異丁烷、正丁烷、新戊烷、異戊烷、正戊烷、正己烷）、臭味物質(zhì)（如THT），具體包括：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、二氧化碳、氧氣、氮氣、氯化氫和其它氣體（如氦氣、氫氣、氬氣、氖氣）。依據(jù)不同國際標準進行計算（GPA 2171-09/ ASTM3588-98（2003）/ ISO-6976），中國熱值標準GB/T-11062-1998 采用同ISO-6976 一樣的計算方法和參數(shù)，并可根據(jù)AGA8 計算天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度、氣體壓縮因子、沃泊指數(shù)、GPM 值等。針對任一標準，用戶可增減化合物和編輯相應(yīng)的物化參數(shù)。色譜分析儀還提供每種標準方法中默認標準化合物物化性質(zhì)參數(shù)[11,12]。

以天然氣的測試數(shù)據(jù)為例：

1）實際測量組份值

氮氣 0.653、甲烷 93.36、二氧化碳1.523、乙烷 3.937、丙烷 0.287、異丁烷 0.057、正丁烷 0.1、異戊烷 0.052、正戊烷 0.024、正己烷 0.007。上述數(shù)據(jù)的計算結(jié)果：相對密度0.5982、密度0.720515、工況壓縮因子 0.914776（壓力40bar，溫度21℃）、標況壓縮因子0.997907。

2）現(xiàn)有流量計算機組份值

氮氣 0.613、甲烷 92.688、二氧化碳 1.321、乙烷 4.77、丙烷 0.321、異丁烷 0.05、正丁烷 0.106、異戊烷 0.077、正戊烷 0.042、正己烷 0.011。上述數(shù)據(jù)的計算結(jié)果：相對密度0.6013、密度0.724263、工況壓縮因子0.912867（壓力40bar，溫度21℃）、標況壓縮因子0.997863。

色譜分析儀實測數(shù)據(jù)值和流量計算機運行組份數(shù)據(jù)值的K 系數(shù)分別為0.9167 和0.9148，誤差為-0.2%；熱值（MJ/M3）分別為37.8 和38.2，誤差為1.06%。對于貿(mào)易交接用的天然氣來說，色譜分析儀的正確使用對準確計量起到至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)論

NTC 熱敏電阻較好的靈敏度可以彌補RTD 熱電阻測溫響應(yīng)慢的不足，在氣體色譜分析中應(yīng)用NTC 熱敏電阻可以迅速地在測試周期內(nèi)獲取取樣氣體介質(zhì)的準確溫度值，對現(xiàn)有的RTD 熱電阻測溫是一個延伸補充。經(jīng)測試比較，此NTC 熱敏電阻成本低廉，測溫靈敏度高，可以穩(wěn)定地實現(xiàn)氣相色譜測溫。