CN114082362A - 一种混合气的自动配气装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合气的自动配气装置和方法，属于电子混合气技术领域。所述配气装置包括充装管路、第二气体输送管路、第一气体输送管路、第二气体控制阀、第一气体控制阀、调节阀前压力传感器、调节阀、流量计、调节阀后压力传感器、充装控制阀、混合气容器、电子天平、真空泵管路、真空泵、真空控制阀和温度传感器；所述配气方法采用所述配气装置完成。通过将通入充装管路的气体进行流量控制，通过DCS根据调节阀前后压力将气体流量根据特定要求调整至设定流量可提升配置混合气中各气体含量的准确度；所述配气装置和方法能够完全实现自动化配制混合气体，混合气中各气体组分含量得到精确控制。

Description

一种混合气的自动配气装置和方法

技术领域

本发明涉及一种混合气的自动配气装置和方法，属于电子混合气技术领域。

背景技术

现代半导体、发光二极管(LED)、光伏等生产中需要大量电子混合气，对电子混合气的纯度和配气准确性要求都非常高，这不仅对原料气的纯度要求很高，也对气体的充装技术提出了更高要求。

在半导体制备工艺中，为了保证工艺的稳定性和重复性，对于电子混合气的浓度的准确度要求较高。混合气的称量法配制无需考虑压缩系数和温度，准确度较高，因此在电子混合气配制中较为普遍；但配置方法操作复杂，要求很高。比如，气体组分的充装终点控制对准确性十分关键但难度较大，主要原因是充装终点的气体流速不可控，且目前配置时均采用人工操作，需要操作人员在现场紧盯称量示数以便及时开启关闭充气阀门，这就对操作人员的素质要求非常高，一旦人工操作时出现失误就会使充装结果偏离预定值，可能造成不可估量的后果。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种混合气的自动配气装置和方法；解决了目前混合气配制过程中气体充装终点气体流速不可控，混合气配制精度低以及人工控制出现操作失误的问题。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案。

一种混合气自动配气装置，所述配气装置包括充装管路、第二气体输送管路、第一气体输送管路、第二气体控制阀、第一气体控制阀、调节阀前压力传感器、调节阀、流量计、调节阀后压力传感器、充装控制阀、混合气容器、电子天平、真空泵管路、真空泵、真空控制阀和温度传感器。

电子天平采用比较器级别的超高精度的电子秤，其典型的参数为150kg± 0.05g。

真空泵采用真空度达到1×10^-5Pa的高真空的双级真空泵。

调节阀前压力传感器和调节阀后压力传感器均为高精度的真空压力传感器，量程为-0.1～40MPa，精度±0.075％。

充装管路前端分为两条支路，一条支路为第二气体输送管路，另一条支路为第一气体输送管路；充装管路末端与混合气容器相连；充装管路自前端向末端之间依次连接有调节阀前压力传感器、调节阀、流量计、调节阀后压力传感器、真空泵管路和充装控制阀。

第二气体输送管路上设有第二气体控制阀，第一气体输送管路上设有第一气体控制阀，真空泵管路一端与充装管路连接，另一端与真空泵连接，真空泵管路上设有真空控制阀；混合气容器置于电子天平上。

所述温度传感器位于调节阀前压力传感器和调节阀后压力传感器处，通过测量充装管路中的气体温度，与调节阀前压力传感器和调节阀后压力传感器共同测量得到调节阀前后准确压力，以控制调节阀实现对气体流量的精确控制。

第二气体控制阀、第一气体控制阀、调节阀前压力传感器、调节阀、流量计、调节阀后压力传感器、充装控制阀、电子天平、真空泵、真空控制阀和温度传感器通过分布式控制***(Distributed Control System，DCS)实现自动控制。

优选第二气体控制阀、第一气体控制阀、充装控制阀和真空控制阀为不锈钢气动隔膜阀。

优选流量计为质量流量计。

优选第二气体输送管路和第一气体输送管路上均设有负压压力传感器和高压压力传感器，负压压力传感器和高压压力传感器分别与DCS***连接，负压压力传感器用于置换气体，高压压力传感器用于进气控制；通过负压压力传感器和正压压力传感器可检测各管路的工作情况，当出现泄露或者阻塞时DCS控制所述配气装置停止工作。

优选DCS上还连接有声光报警器。

优选充装管路、第二气体输送管路、第一气体输送管路和真空泵管路均采用不锈钢316L电解抛光管路。、

优选所述管路为1/2英寸或1/8英寸。

优选充装控制阀和混合气容器之间的管路采用1/8英寸管路，以减少管路张力对称量精确性的影响。

优选真空控制阀和真空泵之间采用DN5O波纹管阀。

一种混合气自动配气方法，所述方法采用本发明所述的一种混合气自动配气装置，所述方法步骤如下：

(1)DCS控制第二气体控制阀、第一气体控制阀、充装控制阀和真空控制阀阀门的开关，进行***检查。

(2)DCS读取电子天平上混合气容器的重量。

(3)通过第一气体输送管路和充装管路向混合气容器通入第一气体，最初 DCS控制调节阀开度调到最大，当气体通入达到一定程度时，DCS根据调节阀前后压力确定调节阀的开度，使精确控制气体流量达到流量计设定流量，使第一气体缓慢进入混合气容器中，提高充入气体质量的控制精度；第一气体充装完毕后，DCS关闭第一气体控制阀，并通过真空泵抽空充装管路中的气体。

(4)通过第二气体输送管路和充装管路向混合气容器通入第二种气体，最初DCS控制调节阀开度调到最大，当气体通入达到一定程度时，DCS根据调节阀前后压力确定调节阀的开度，使精确控制气体流量达到流量计设定流量，气体缓慢进入混合气容器中，提高充入气体质量的控制精度；气体充装完毕后， DCS关闭第二气体控制阀，并通过真空泵抽空充装管路。

当气体通入达到一定程度时，DCS根据调节阀前后压力确定调节阀的开度，使精确控制气体流量达到流量计设定流量的具体控制方法如下：

当气体剩余通入量低于20g时，设定流量为≤10g/s；

当气体剩余通入量大于等于20g时，气体通入量达到80％时设定流量为≤ 20g/s，气体通入量达到90％时设定流量为≤10g/s。

优选充装前采用正、负压保压法对充装管路进行检漏，具体步骤如下：

在配制混合气前，分别采用高、负压保压法对充装管路检漏，用真空泵将充装管路抽真空至≤50Pa，通过调节阀前压力传感器和调节阀后压力传感器判断充装管路是否出现泄露的情况，然后分别打开第二气体控制阀和第一气体控制阀，向充装管路中分别通入第一气体和第二气体，充压至≥10MPa，通过调节阀前压力传感器和调节阀后压力传感器判断管路是否出现泄露的情况，完成检漏，然后关闭第二气体控制阀和第一气体控制阀，用真空泵将充装管路内抽至真空，去除残余气体。

本发明所述装置和方法适用于电子混合气的配置，其中，第二气体为稀释气体，第一气体为组分气体；也可以用于其他领域中需要精确配置各个气体含量的混合气体，第一气体和第二气体的种类根据具体要求确定。

有益效果

1.本发明提供了一种混合气自动配气装置和方法，通过将通入充装管路的气体进行流量控制，通过DCS根据调节阀前压力和调节阀后压力将流量根据特定要求调整至设定流量，以提高通入气体质量的控制精度，可提升配置混合气中各气体含量的准确度。

2.本发明提供了一种混合气自动配气装置和方法，通过DCS控制对所述配气装置进行检测和控制，能够完全实现自动化配备过程，且控制精确，避免了人工操作出现失误的风险。

附图说明

图1为实施例1中一种混合气自动配气装置的结构示意图。

图2为实施例1中一种混合气自动配气装置DCS控制示意图。

其中，1—充装管路，2—第二气体输送管路，3—第一气体输送管路，4—第二气体控制阀，5—第一气体控制阀，6—调节阀前压力传感器，7—调节阀， 8—流量计，9—调节阀后压力传感器，10—充装控制阀，11—混合气容器，12 —电子天平，13—真空泵，14—真空控制阀

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不作为对本发明专利的限定。

如图1所示，一种混合气自动配气装置，所述配气装置包括充装管路1、第二气体输送管路2、第一气体输送管路3、第二气体控制阀4、第一气体控制阀 5、调节阀前压力传感器6、调节阀7、流量计8、调节阀后压力传感器9、充装控制阀10、混合气容器11、电子天平12、真空泵管路、真空泵13、真空控制阀14和温度传感器。

电子天平12采用比较器级别的超高精度的电子秤，其典型的参数为150kg ±0.05g。

真空泵13采用真空度达到1×10^-5Pa的高真空的双级真空泵。

调节阀前压力传感器6和调节阀后压力传感器9均为高精度的真空压力传感器，量程为-0.1～40MPa，精度±0.075％。

充装管路1前端分为两条支路，一条支路为第二气体输送管路2，另一条支路为第一气体输送管路3；充装管路1末端与混合气容器11相连；充装管路1 自前端向末端之间依次连接有调节阀前压力传感器6、调节阀7、流量计8、调节阀后压力传感器9、真空泵管路和充装控制阀10。

第二气体输送管路2上设有第二气体控制阀4，第一气体输送管路3上设有第一气体控制阀5，真空泵管路一端与充装管路1连接，另一端与真空泵13连接，真空泵管路上设有真空控制阀14；混合气容器11置于电子天平12上。

所述温度传感器位于调节阀前压力传感器6和调节阀后压力传感器9处，通过测量充装管路1中的气体温度，与调节阀前压力传感器6和调节阀后压力传感器9共同测量得到调节阀7前后准确压力，以控制调节阀7实现对气体流量的精确控制。

如图2所示，第二气体控制阀4、第一气体控制阀5、调节阀前压力传感器6、调节阀7、流量计8、调节阀后压力传感器9、充装控制阀10、电子天平12、真空泵13、真空控制阀14和温度传感器通过分布式控制***(Distributed Control System，DCS)实现自动控制。

第二气体控制阀4、第一气体控制阀5、充装控制阀10和真空控制阀14为不锈钢气动隔膜阀。

流量计8为质量流量计。

第二气体输送管路2和第一气体输送管路3上均设有负压压力传感器和高压压力传感器，负压压力传感器和高压压力传感器分别与DCS***连接，负压压力传感器用于置换气体，高压压力传感器用于进气控制；通过负压压力传感器和正压压力传感器可检测各管路的工作情况，当出现泄露或者阻塞时DCS控制所述配气装置停止工作。

DCS上还连接有声光报警器。

充装管路1、第二气体输送管路2、第一气体输送管路3和真空泵管路均采用不锈钢316L电解抛光管路。

所述管路为1/2英寸或1/8英寸。

充装控制阀10和混合气容器11之间的管路采用1/8英寸管路，以减少管路张力对称量精确性的影响。

真空控制阀14和真空泵13之间采用DN5O波纹管阀。

一种混合气自动配气方法，所述方法采用本实施例所述的一种混合气自动配气装置用于电子混合气的配置，以配制氢氮混合气为例，其中，第二气体为稀释气体氮气，第一气体为组分气体氢气；所述方法步骤如下：

(1)在配制混合气前，分别采用高、负压保压法对充装管路1检漏，用真空泵13将充装管路1抽真空至≤50Pa，通过调节阀前压力传感器6和调节阀后压力传感器9判断充装管路1是否出现泄露的情况，然后分别打开第二气体控制阀4和第一气体控制阀5，向充装管路1中分别通入第一气体和第二气体，充压至≥10MPa，通过调节阀前压力传感器6和调节阀后压力传感器9判断管路是否出现泄露的情况，完成检漏，然后关闭第二气体控制阀4和第一气体控制阀5，用真空泵13将充装管路1内抽至真空，去除残余气体。

(2)DCS控制第二气体控制阀4、第一气体控制阀5、充装控制阀10和真空控制阀14阀门的开关，进行***检查。

(3)DCS读取电子天平12上混合气容器11的重量。

(4)通过第一气体输送管路3和充装管路1向混合气容器11通入第一种气体氢气，理论充装质量约30g，最初DCS控制调节阀7开度调到最大，当剩余通入量至20g时，DCS根据调节阀前后压力确定调节阀7的开度，使精确控制气体流量达到流量计8设定流量为5g/s，使第一气体缓慢进入混合气容器11 中，提高充入气体质量的控制精度；第一气体充装完毕后，DCS关闭第一气体控制阀5，并通过真空泵13抽空充装管路1中的气体。

(5)通过第二气体输送管路2和充装管路1向混合气容器11通入第二种气体氮气，理论充装质量约7661g，最初DCS控制调节阀7开度调到最大，当通入量达到80％时，剩余通入量约1532g，DCS将流量调节为20g/s，当通入量达到90％时，剩余通入量约766g，DCS将流量调节为10g/s，使精确控制气体流量达到流量计8设定流量，气体缓慢进入混合气容器11中，提高充入气体质量的控制精度；气体充装完毕后，DCS关闭第二气体控制阀4，并通过真空泵 13抽空充装管路1。

本实施例所述配气装置和方法，解决了目前混合气配制过程中气体充装终点气体流速不可控，混合气配制精度低以及人工控制出现操作失误的问题；混合气容器11中配置的氢氮混合气中氢气和氮气的含量准确度达到半导体、发光二极管(LED)、光伏等生产中所需电子混合气的精度要求。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合气自动配气装置，其特征在于：所述配气装置包括充装管路(1)、第二气体输送管路(2)、第一气体输送管路(3)、第二气体控制阀(4)、第一气体控制阀(5)、调节阀前压力传感器(6)、调节阀(7)、流量计(8)、调节阀后压力传感器(9)、充装控制阀(10)、混合气容器(11)、电子天平(12)、真空泵管路、真空泵(13)、真空控制阀(14)和温度传感器；

充装管路(1)前端分为两条支路，一条支路为第二气体输送管路(2)，另一条支路为第一气体输送管路(3)；充装管路(1)末端与混合气容器(11)相连；充装管路(1)自前端向末端之间依次连接有调节阀前压力传感器(6)、调节阀(7)、流量计(8)、调节阀后压力传感器(9)、真空泵管路和充装控制阀(10)；

第二气体输送管路(2)上设有第二气体控制阀(4)，第一气体输送管路(3)上设有第一气体控制阀(5)，真空泵管路一端与充装管路(1)连接，另一端与真空泵(13)连接，真空泵管路上设有真空控制阀(14)；混合气容器(11)置于电子天平(12)上；温度传感器位于调节阀前压力传感器(6)和调节阀后压力传感器(9)处；

第二气体控制阀(4)、第一气体控制阀(5)、调节阀前压力传感器(6)、调节阀(7)、流量计(8)、调节阀后压力传感器(9)、充装控制阀(10)、电子天平(12)、真空泵(13)、真空控制阀(14)和温度传感器通过DCS实现自动控制。

2.根据权利要求1所述的一种混合气自动配气装置，其特征在于：电子天平(12)采用比较器级别的超高精度的电子秤；

真空泵(13)采用真空度达到1×10^-5Pa的高真空的双级真空泵；

调节阀前压力传感器(6)和调节阀后压力传感器(9)均为高精度的真空压力传感器，量程为-0.1～40MPa，精度±0.075％。

3.根据权利要求2所述的一种混合气自动配气装置，其特征在于：第二气体控制阀(4)、第一气体控制阀(5)、充装控制阀(10)和真空控制阀(14)为不锈钢气动隔膜阀；流量计(8)为质量流量计。

4.根据权利要求2所述的一种混合气自动配气装置，其特征在于：第二气体输送管路(2)和第一气体输送管路(3)上均设有负压压力传感器和高压压力传感器，分别与DCS***连接。

5.根据权利要求2所述的一种混合气自动配气装置，其特征在于：DCS上连接有声光报警器。

6.根据权利要求2所述的一种混合气自动配气装置，其特征在于：充装管路(1)、第二气体输送管路(2)、第一气体输送管路(3)和真空泵管路均采用不锈钢316L电解抛光管路；所述管路尺寸为1/2英寸或1/8英寸；真空控制阀(14)和真空泵(13)之间采用DN5O波纹管阀。

7.根据权利要求2所述的一种混合气自动配气装置，其特征在于：第二气体控制阀(4)、第一气体控制阀(5)、充装控制阀(10)和真空控制阀(14)为不锈钢气动隔膜阀；流量计(8)为质量流量计；

第二气体输送管路(2)和第一气体输送管路(3)上均设有负压压力传感器和高压压力传感器，负压压力传感器和高压压力传感器分别与DCS***连接；

DCS连接有声光报警器；

充装管路(1)、第二气体输送管路(2)、第一气体输送管路(3)和真空泵管路均采用不锈钢316L电解抛光管路；所述管路尺寸为1/2英寸或1/8英寸；

真空控制阀(14)和真空泵(13)之间采用DN5O波纹管阀；

充装控制阀(10)和混合气容器(11)之间的管路采用1/8英寸管路。

8.一种混合气自动配气方法，其特征在于：所述方法采用如权利要求1～7中任一项所述的一种混合气自动配气装置，所述方法步骤如下：

(1)DCS控制第二气体控制阀(4)、第一气体控制阀(5)、充装控制阀(10)和真空控制阀(14)阀门的开关，进行***检查；

(2)DCS读取电子天平(12)上混合气容器(11)的重量；

(3)通过第一气体输送管路(3)和充装管路(1)向混合气容器(11)通入第一气体，最初DCS控制调节阀(7)开度调到最大，当气体通入达到一定程度时，DCS根据调节阀前后压力确定调节阀(7)的开度，使精确控制气体流量达到流量计(8)设定流量，使第一气体缓慢进入混合气容器(11)中，提高充入气体质量的控制精度；第一气体充装完毕后，DCS关闭第一气体控制阀(5)，并通过真空泵(13)抽空充装管路(1)中的气体；

(4)通过第二气体输送管路(2)和充装管路(1)向混合气容器(11)通入第二种气体，最初DCS控制调节阀(7)开度调到最大，当气体通入达到一定程度时，DCS根据调节阀(7)前后压力确定调节阀(7)的开度，使精确控制气体流量达到流量计(8)设定流量，气体缓慢进入混合气容器(11)中，提高充入气体质量的控制精度；气体充装完毕后，DCS关闭第二气体控制阀(4)，并通过真空泵(13)抽空充装管路(1)；

当气体通入达到一定程度时，DCS根据调节阀(7)前后压力确定调节阀(7)的开度，使精确控制气体流量达到流量计(8)设定流量的具体控制方法如下：

当气体剩余通入量低于20g时，设定流量为≤10g/s；

当气体剩余通入量大于等于20g时，气体通入量达到80％时设定流量为≤20g/s，气体通入量达到90％时设定流量为≤10g/s。

9.根据权利要求8所述的一种混合气自动配气方法，其特征在于：充装前采用正、负压保压法对充装管路(1)进行检漏，具步骤如下：

在配制混合气前，分别采用高、负压保压法对充装管路(1)检漏，用真空泵(13)将充装管路(1)抽真空至≤50Pa，通过调节阀前压力传感器(6)和调节阀后压力传感器(9)判断充装管路(1)是否出现泄露的情况，然后分别打开第二气体控制阀(4)和第一气体控制阀(5)，向充装管路(1)中分别通入第一气体和第二气体，充压至≥10MPa，通过调节阀前压力传感器(6)和调节阀后压力传感器(9)判断管路是否出现泄露的情况，完成检漏，然后关闭第二气体控制阀(4)和第一气体控制阀(5)，用真空泵(13)将充装管路(1)内抽至真空，去除残余气体。

10.根据权利要求8所述的一种混合气自动配气方法，其特征在于：第一气体为组分气体，第二气体为稀释气体。

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