CN108245918A - 基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于半导体多晶硅精馏塔开裂的自动报警装置，特别是一种基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器，对半导体多晶硅制备过程中由于多种因素导致精馏塔开裂的现象进行监测和自动报警。包括监测装置部分、控制部分、报警装置部分和辅助装置部分；监测装置部分采用三氯氢硅探测器和集中式多通道声发射检测仪；控制部分包括报警控制器、计算机和计算机显示器，计算机显示器与计算机相连，在计算机内安装有声发射采集分析模块；报警装置部分由黄色LED指示灯、红色LED报警灯及蜂鸣器组成；辅助装置包括电磁阀、排风扇。监测装置部分、报警装置部分和辅助装置部分分别通过USB接口与控制部分相连。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于半导体多晶硅精馏塔开裂的自动报警装置，特别是一种基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器，对半导体多晶硅制备过程中由于多种因素导致精馏塔开裂的现象进行监测和自动报警，通过三氯氢硅探测器以及声发射检测仪对精馏塔开裂进行实时监测并及时预警。
背景技术
精馏塔是半导体多晶硅生产过程中的一个非常重要的装置，精馏分离的提纯效果往往决定了多晶硅的品质。精馏塔作为压力容器，其尺寸参数变得更为大型化，设计结构变得更为复杂化。为了满足半导体多晶硅工业生产的要求，必须相应地提升其内部介质三氯氢硅的操作压力和操作温度，虽然压力容器均使用高强度材料，但是严酷的操作条件，使其所受载荷越来越大，再加之焊接过程中存在的缺陷裂纹等因素，导致其在生产过程中发生失效的概率也大大增加。2015年07月13日，乐山永祥多晶硅精馏塔发生泄漏燃烧事故，导致整厂装置停运。江苏中能硅业三期精馏塔装置屡次出现开裂失效现象，在其定期检验的过程中也发现筒体开裂现象十分普遍，每台精馏塔均发现有大量裂纹存在，若不修理，则难以继续投入使用，这将给企业带来巨大的损失。因此，对精馏塔开裂现象进行实时监测和自动报警，对于避免或减少精馏塔开裂失效、降低精馏的能耗、提高精馏过程的分离效果和能量利用率等具有十分重要的意义。
精馏塔一般体积较大，一旦出现开裂失效现象，不仅造成三氯氢硅泄漏，引发火灾的危险，还会对环境，人员等造成危害，引发社会恐慌，造成重大的社会负面影响。
发明内容
本发明目的是针对上述不足之处提供一种基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器，是一种基于三氯氢硅气体检测和声发射检测技术的实时监测半导体多晶硅精馏塔开裂现象的自动报警装置，对精馏塔开裂进行实时动态监测预警，可以在半导体多晶硅制备过程中避免或减少精馏塔开裂失效，延长其使用寿命。对于提高半导体多晶硅的纯净度以及降低精馏的能耗、提高精馏的稳定性与可靠性等方面有着重要的价值和意义。
本发明是采取以下技术方案实现的：
基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器包括监测装置部分、控制部分、报警装置部分和辅助装置部分；监测装置部分采用三氯氢硅气体探测器和集中式多通道声发射检测仪；控制部分包括气体报警控制器、计算机和计算机显示器，计算机显示器与计算机相连，在计算机内安有声发射采集分析模块，对声发射信号采集器采集数据分析处理；报警装置部分由黄色LED灯指示灯、红色LED报警灯及蜂鸣器组成；辅助装置包括电磁阀、排风扇。监测装置部分、报警装置部分和辅助装置部分分别通过USB接口与控制部分相连。所述的声发射采集分析模块采用市售GT800声发射检测软件模块。
所述的三氯氢硅探测器可根据实际需要可设置多个，分别安装在离泄漏源7.5m内或两探测器水平距离15m内。由于三氯氢硅泄漏后极易挥发，气体比重比空气重，所述的三氯氢硅气体探测器安装在距地面0.3m~0.6m的位置，且传感器部位向下。
所述的集中式多通道声发射检测仪由传感器、前置放大器、声发射信号采集器等三个主要部分组成。传感器可设置若干个，分别安置在精馏塔焊缝周围或任意部位。声发射信号采集器中集成2个采集卡，每个采集卡有4个独立通道，共8个通道，每个通道采样率均为10M，采样精度为16bit。声发射信号采集器与计算机（电脑）可由USB延长线接口直接连接，有效距离为100m。
所述控制部分实时监测气体泄漏状况以及动态监测裂纹的增长情况并确定其发生的部位。
本发明工作时，其一，将监测装置部分中的三氯氢硅气体探测器围绕精馏塔一周安装于离地面0.3m~0.6m的管子处，实时监测气体泄漏情况并将检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器。控制器可设置浓度点，当泄漏气体浓度达到或超过该浓度点，控制器将发出报警信号并启动电磁阀和排风扇，自动排除隐患。
其二，监测装置部分中的声发射传感器贴在塔身周围，接收采集来自声发射源的声发射信号，经前置放大器放大后，由声发射信号采集器对声发射信号做处理，并传送至计算机进行记录分析显示声发射源所在位置，同时发送控制信号给报警装置部分。
基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器的预警自动报警方法，包括如下步骤：
1）气体监测部分：
将三氯氢硅气体探测器围绕精馏塔一周安装于离地面0.3m~0.6m的管子处，气体探测器上的数字显示模块可以实时显示所监测区域内的三氯氢硅气体浓度值，并将检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到报警控制器。控制器应壁挂式安装在值班室或监控室的墙壁上，距离地面160cm左右;
2）声发射检测部分：
将声发射检测仪中的传感器贴于精馏塔塔身周围，通过低噪声信号线连接至前置放大器，再通过同轴电缆将电信号传送到信号采集器。信号采集器根据计算机设置的条件对声发射数据进行采集和处理后传送到计算机。计算机中装有的声发射采集分析模块对波形进行特征分析以及定位分析;
3）预警报警部分：
（1）当声发射采集分析模块识别到产生的裂纹信号，且气体探测器探测到三氯氢硅浓度在1mg/m3~3mg/m3时，达到三级预警状态，控制器和计算机分别向报警装置部分发出指令。此时报警装置部分黄色LED指示灯亮起，提醒工作人员通过分析软件找到裂纹产生的位置，并及时对其进行处理;
（2）当声发射采集分析模块识别到裂纹信号且泄漏气体浓度在3mg/m3~5mg/m3时，达到二级预警状态，计算机向报警装置部分发出信号，控制器分别向报警装置部分和辅助装置部分发出指令。此时报警装置部分黄色LED指示灯熄灭，红色LED报警灯亮起，辅助装置部分排风扇打开，提醒工作人员到现场对精馏塔进行检查与裂纹处理，防止三氯氢硅进一步泄漏;
（3）当声发射采集分析模块识别到裂纹信号且泄漏气体浓度达到5mg/m3时，达到一级预警状态，计算机向报警装置部分发出信号，控制器分别向报警装置部分和辅助装置部分发出指令。此时报警装置部分红色LED报警灯亮起，蜂鸣器工作，发出持续声音，辅助装置部分排风扇打开、电磁阀关闭。通知工作人员立即到现场进行处理，以防止泄漏加剧发生火灾及中毒危险。
本发明基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器作为针对半导体多晶硅生产过程中精馏塔的开裂报警装置，具有操作简单、双重实时监测、动态检测裂纹等优点，可对半导体多晶硅精馏塔的开裂进行自动报警并对泄漏的三氯氢硅进行自动处理，防止由于精馏塔开裂而发生的三氯氢硅泄漏，导致精馏效率降低、引发火灾中毒危险，从而造成人员伤亡和财产损失。极大地提高了精馏的稳定性与可靠性，减少了火灾中毒的可能性，为人员和设备提供一个更加安全的环境。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1为基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警装器的结构示意图。
图中：1、三氯氢硅气体探测器；2、气体报警控制器；3、声发射传感器；4、前置放大器；5、声发射信号采集器；6、计算机；7、报警装置；8、排风扇；9、电磁阀。
具体实施方式
参照附图1，基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器包括监测装置部分、控制部分、报警装置部分和辅助装置部分；监测装置部分采用三氯氢硅气体探测器1和集中式多通道声发射检测仪；控制部分包括气体报警控制器2、计算机和计算机显示器，计算机显示器与计算机6相连，在计算机6内安有声发射采集分析模块，对声发射信号采集器采集数据分析处理；报警装置7部分由黄色LED灯指示灯、红色LED报警灯及蜂鸣器组成；辅助装置包括电磁阀9、排风扇8。监测装置部分、报警装置部分和辅助装置部分分别通过USB接口与控制部分相连。所述的声发射采集分析模块采用市售GT800声发射检测软件模块。
所述的三氯氢硅气体探测器1可根据实际需要可设置多个，分别安装在离泄漏源7.5m内或两探测器水平距离15m内。由于三氯氢硅泄漏后极易挥发，气体比重比空气重，所述的三氯氢硅气体探测器1安装在距地面0.3m~0.6m的位置，且传感器部位向下。
所述的集中式多通道声发射检测仪由传感器、前置放大器4、声发射信号采集器5等三个主要部分组成。传感器可设置若干个，分别安置在精馏塔焊缝周围或任意部位。声发射信号采集器5中集成2个采集卡，每个采集卡有4个独立通道，共8个通道，每个通道采样率均为10M，采样精度为16bit。声发射信号采集器与计算机（电脑）可由USB延长线接口直接连接，有效距离为100m。所述的传感器采用市售声发射传感器3。
所述控制部分实时监测气体泄漏状况以及动态监测裂纹的增长情况并确定其发生的部位。
基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器，是基于三氯氢硅气体探测器1以及声发射检测技术对精馏塔开裂进行实时监测的自动报警预警。工作时，声发射传感器3将接收到的来自精馏塔开裂的声信号转变成为电信号，通过前置放大器将传感器输出的微弱驱动能力的声发射电信号放大或驱动能力提高成为能远距离传输被数据采集系统接收的声发射电信号，再将电信号通过同轴电缆传送到信号采集器。采集器根据计算机设置的条件对声发射数据进行采集，对大数据量波形数据进行连续实施信号处理，提取转换成为小数据量的声发射参数数据后再传送到计算机6。计算机中装有的采集分析系统可对波形进行特征分析以及定位分析，确定精馏塔上裂纹出现的位置，并发送信号到报警装置和辅助装置。若裂纹未及时得到处理，系统将显示警告窗口及累计产生裂纹声发射信号事件的次数。
同时三氯氢硅气体探测器实时监测所处区域是否有三氯氢硅泄漏，若泄漏浓度超过人员对报警控制器所设定的浓度，控制器将发送信号到报警装置。当报警装置接收到来自控制器和计算机的双重信号时，黄色LED指示灯、红色LED报警灯及蜂鸣器开始工作。
基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器的预警自动报警方法，包括如下步骤：
1）气体监测部分：
将三氯氢硅探测器围绕精馏塔一周安装于离地面0.3m~0.6m的管子处，气体探测器上的数字显示模块可以实时显示所监测区域内的三氯氢硅气体浓度值，并将检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到报警控制器。控制器壁应挂式安装在值班室或监控室的墙壁上，距离地面160cm左右;
2）声发射检测部分：
将声发射检测仪中的传感器贴于精馏塔塔身周围，通过低噪声信号线连接至前置放大器，再通过同轴电缆将电信号传送到信号采集器。采集器根据计算机设置的条件对声发射数据进行采集和处理后传送到计算机。计算机中装有的声发射采集分析模块对波形进行特征分析以及定位分析;
3）预警报警部分：
（1）当声发射采集分析模块识别到产生的裂纹信号，且气体探测器探测到三氯氢硅浓度在1mg/m3~3mg/m3时，达到三级预警状态，控制器和计算机分别向报警装置部分发出指令。此时报警装置部分黄色LED指示灯亮起，提醒工作人员通过分析软件找到裂纹产生的位置，并及时对其进行处理;
（2）当声发射采集分析模块识别到裂纹信号且泄漏气体浓度在3mg/m3~5mg/m3时，达到二级预警状态，计算机向报警装置部分发出信号，控制器分别向报警装置部分和辅助装置部分发出指令。此时报警装置部分黄色LED指示灯熄灭，红色LED报警灯亮起，辅助装置部分排风扇打开，提醒工作人员到现场对精馏塔进行检查与裂纹处理，防止三氯氢硅进一步泄漏;
（3）当声发射采集分析模块识别到裂纹信号且泄漏气体浓度达到5mg/m3时，达到一级预警状态，计算机向报警装置部分发出信号，控制器分别向报警装置部分和辅助装置部分发出指令。此时报警装置部分红色LED报警灯亮起，蜂鸣器工作，发出持续声音，辅助装置部分排风扇打开、电磁阀关闭。通知工作人员立即到现场进行处理，以防止泄漏加剧发生火灾及中毒危险。
所述的基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器，对于半导体多晶硅精馏塔开裂现象进行三级预警，双重监测精馏塔裂纹的活动状况以及三氯氢硅气体泄漏情况。
本发明基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器针对半导体多晶硅生产过程中精馏塔的开裂进行实时动态监控及预警，可应用于不同条件和环境下半导体多晶硅的生产过程中，通过对精馏塔产生裂纹的声发射信号进行采集分析，以及对精馏塔周围区域三氯氢硅的泄漏情况进行浓度监测，达到对半导体多晶硅精馏塔开裂现象的自动报警和自动排除隐患的目的，以便工作人员及时采取有效措施，避免因精馏塔开裂导致三氯氢硅泄漏而引发的火灾中毒事故。
实施例1：
使用时，其一，将三氯氢硅探测器围绕精馏塔一周安装于离地面0.3m~0.6m的管子处，两探测器水平距离在15m以内，且传感器部位向下。其二，将多个声发射传感器围绕精馏塔一周贴于塔身，每一个传感器都连接一个前置放大器，再通过线缆一并连接到声发射信号采集器，最后由USB延长线连接至计算机。
现假设某半导体多晶硅精馏塔发生开裂，预警方法包括以下步骤：
1）声发射传感器接收到来自精馏塔开裂的声信号将其转变成为电信号，通过前置放大器将传感器输出的微弱驱动能力的声发射电信号放大或驱动能力提高成为能远距离传输被数据采集系统接收的声发射电信号，再将电信号通过同轴电缆传送到信号采集器。采集器根据计算机软件设置的条件对声发射数据进行采集，对大数据量波形数据进行连续实施信号处理，提取转换成为小数据量的声发射参数数据后再传送到计算机。计算机中装有的采集分析系统可对波形进行特征分析以及定位分析，确定精馏塔上裂纹出现的位置，并发送信号到报警装置和辅助装置。若裂纹未及时得到处理，系统将显示警告窗口及累计产生裂纹声发射信号事件的次数,同时三氯氢硅气体探测器实时监测所处区域是否有三氯氢硅泄漏，若泄漏浓度超过人员对报警控制器所设定的浓度，控制器将发送信号到报警装置;
2）当声发射采集分析模块识别到产生的裂纹信号，且气体探测器探测到三氯氢硅浓度在1mg/m3~3mg/m3时，达到三级预警状态，控制器和计算机分别向报警装置部分发出指令。此时报警装置部分黄色LED指示灯亮起，提醒工作人员通过分析软件找到裂纹产生的位置，并及时对其进行处理;
3）当声发射采集分析模块识别到裂纹信号且泄漏气体浓度在3mg/m3~5mg/m3时，达到二级预警状态，计算机向报警装置部分发出信号，控制器分别向报警装置部分和辅助装置部分发出指令。此时报警装置部分黄色LED指示灯熄灭，红色LED报警灯亮起，辅助装置部分排风扇打开，提醒工作人员到现场对精馏塔进行检查与裂纹处理，防止三氯氢硅进一步泄漏;
4）当声发射采集分析模块识别到裂纹信号且泄漏气体浓度达到5mg/m3时，达到一级预警状态，计算机向报警装置部分发出信号，控制器分别向报警装置部分和辅助装置部分发出指令。此时报警装置部分红色LED报警灯亮起，蜂鸣器工作，发出持续声音，辅助装置部分排风扇打开、电磁阀关闭。通知工作人员立即到现场进行处理，以防止泄漏加剧发生火灾及中毒危险。
在本发明实例中，三氯氢硅气体检测仪和报警控制器选用BOAN公司生产的RBT-6000-ZLGX型在线固定式三氯氢硅报警探测器和RBK-6000-ZL9控制器；声发射检测仪选用鹏翔科技公司生产的PXWAE-8G 8通道千兆网声发射仪；排风扇和电磁阀采用市售的排风扇和电磁阀；蜂鸣器采用市售的蜂鸣器；黄色LED指示灯和红色LED报警灯均采用市售的LED灯。
本发明作为针对半导体多晶硅生产过程中精馏塔的开裂报警器，具有操作简单、双重实时监测、动态检测裂纹等优点，可对精馏塔的开裂进行报警并对泄漏的三氯氢硅进行自动处理，防止由于精馏塔开裂而发生的三氯氢硅泄漏，导致精馏效率降低、引发火灾中毒危险，从而造成人员伤亡和财产损失。因此，本发明利用气体监测和声发射检测技术对半导体多晶硅精馏塔开裂现象进行实时动态监控，提高了精馏的稳定性与可靠性，减少了火灾中毒的可能性，为人员和设备提供一个更加安全的环境。
Claims (7)
1.一种基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器，其特征在于：
包括监测装置部分、控制部分、报警装置部分和辅助装置部分；监测装置部分采用三氯氢硅探测器和集中式多通道声发射检测仪；控制部分包括报警控制器、计算机和计算机显示器，计算机显示器与计算机相连，在计算机内安装有声发射采集分析模块，对声发射信号采集器采集数据分析处理；报警装置部分由黄色LED灯指示灯、红色LED报警灯及蜂鸣器组成；辅助装置包括电磁阀和排风扇；监测装置部分、报警装置部分和辅助装置部分分别通过USB接口与控制部分相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器，其特征在于：
所述的三氯氢硅探测器根据实际需要设置多个，分别安装在离泄漏源7.5m内或两探测器水平距离15m内。
3.根据权利要求1所述的一种基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器，其特征在于：
所述的三氯氢硅探测器安装在距地面0.3m~0.6m的位置，且传感器部位向下。
4.根据权利要求1所述的一种基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器，其特征在于：
所述的集中式多通道声发射检测仪由传感器、前置放大器、声发射信号采集器三个部分组成；传感器设置若干个，分别安置在精馏塔焊缝周围或任意部位，声发射信号采集器中集成2个采集卡，每个采集卡有4个独立通道，共8个通道，每个通道采样率均为10M，采样精度为16bit；声发射信号采集器与计算机由USB延长线接口直接连接，有效距离为100m。
5.根据权利要求1所述的一种基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器，其特征在于：
所述控制部分实时监测气体泄漏状况以及动态监测裂纹的增长情况并确定其发生的部位；
本发明工作时，其一，将监测装置部分中的三氯氢硅探测器围绕精馏塔一周安装于离地面0.3m~0.6m的管子处，实时监测气体泄漏情况并将检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器;
控制器可设置浓度点，当泄漏气体浓度达到或超过该浓度点，控制器将发出报警信号并启动电磁阀和排风扇，自动排除隐患；
其二，监测装置部分中的声发射传感器贴在塔身周围，接收采集来自声发射源的声发射信号，经前置放大器放大后，由声发射信号采集器对声发射信号做处理，并传送至计算机进行记录分析显示声发射源所在位置，同时发送控制信号给报警装置部分。
6.权利要求1所述的一种基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器的预警自动报警方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）气体监测部分：
将三氯氢硅探测器围绕精馏塔一周安装于离地面0.3m~0.6m的管子处，气体探测器上的数字显示模块能实时显示所监测区域内的三氯氢硅气体浓度值，并将检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到报警控制器，控制器壁应挂式安装在值班室或监控室的墙壁上，距离地面160cm左右；
2）声发射检测部分：
将声发射检测仪中的传感器贴于精馏塔塔身周围，通过低噪声信号线连接至前置放大器，再通过同轴电缆将电信号传送到信号采集器，信号采集器根据计算机设置的条件对声发射数据进行采集和处理后传送到计算机，计算机中装有的声发射采集分析模块能对波形进行特征分析以及定位分析；
3）预警报警部分：
（1）当声发射采集分析模块识别到产生的裂纹信号，且气体探测器探测到三氯氢硅浓度在1mg/m3~3mg/m3时，达到三级预警状态，控制器和计算机分别向报警装置部分发出指令，此时报警装置部分黄色LED指示灯亮起，提醒工作人员通过声发射采集分析模块找到裂纹产生的位置，并及时对其进行处理；
（2）当声发射采集分析模块识别到裂纹信号且泄漏气体浓度在3mg/m3~5mg/m3时，达到二级预警状态，计算机向报警装置部分发出信号，控制器分别向报警装置部分和辅助装置部分发出指令，此时报警装置部分黄色LED指示灯熄灭，红色LED报警灯亮起，辅助装置部分排风扇打开，提醒工作人员到现场对精馏塔进行检查与裂纹处理，防止三氯氢硅进一步泄漏；
（3）当声发射采集分析模块识别到裂纹信号且泄漏气体浓度达到5mg/m3时，达到一级预警状态，计算机向报警装置部分发出信号，控制器分别向报警装置部分和辅助装置部分发出指令，此时报警装置部分红色LED报警灯亮起，蜂鸣器工作，发出持续声音，辅助装置部分排风扇打开、电磁阀关闭，通知工作人员立即到现场进行处理，以防止泄漏加剧发生火灾及中毒危险。
7.根据权利要求6所述的基于气体监测和声发射技术的半导体多晶硅精馏塔开裂自动报警器的预警自动报警方法，其特征在于：对于半导体多晶硅精馏塔开裂现象进行三级预警，双重监测精馏塔裂纹的活动状况以及三氯氢硅气体泄漏情况。
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