本发明特别涉及一种气体纯化器使用寿命的监测方法及其装置。气体经流量计测得气体流量F后，进入纯化器反应罐，纯化后的气体由出气口流出，应变片测得罐体应变ε，温度传感器测得纯化器反应罐外表面或内部温度T，压力传感器测得出口压力P，气体流量F、罐体应变ε、温度T和压力P传入控制单元，根据实时温度T和压力P对实测罐体应变ε修正，获得真实应变εR，根据流量F与真实应变εR，由控制单元监测寿命，并向寿命指示器输出指示信号。本发明能够以较低的成本实现纯化器使用寿命实时监测，不受或可控受到使用压力和流量等工作条件的影响，并且可普遍适用于He、Ne、Ar、Kr、Xe、N2、H2等气体纯化器的使用寿命监测。
1.一种气体纯化器使用寿命的监测方法，纯化器反应罐(2)上设有杂质气体进口和纯化气体出口，杂质气体进口处设有用于测量气体流量F的流量计(1)，纯化气体出口处设有用于测量压力P的压力传感器(5)，纯化器反应罐(2)上设有用于测量纯化器反应罐(2)外表面或内部温度T的温度传感器(4)和用于测量罐体应变ε的应变片(3)；流量计(1)、压力传感器(5)、温度传感器(4)和应变片(3)连接至控制单元(6)，控制单元(6)收集并处理气体流量F、罐体应变ε、温度T、压力P信号，最后将使用寿命信号输出至寿命指示器(7)；纯化器反应罐(2)内部装有合金填料(2-2)，纯化器反应罐(2)上还设有加热装置(8)；其特征在于，通过监测罐体应变ε，并根据温度T和压力P修正得到真实应变εR，杂质气体临界吸附容量Cc对应临界应变εc，控制单元(6)根据εR-C曲线，将真实应变εR与临界应变εc进行对比，判断纯化器是否达到使用寿命上限，并向寿命指示器(7)输出相应信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，合金填料(2-2)下部设有下过滤板(2-1)，上部设有上过滤板(2-3)，下过滤板(2-1)和上过滤板(2-3)将合金填料(2-2)压紧；下过滤板(2-1)和上过滤板(2-3)固定在纯化器反应罐(2)上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变片(3)固定于罐壁外侧，且位于合金填料(2-2)上下两端之间的区域。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述应变片(3)固定于罐壁外侧，且位于合金填料(2-2)下端以上0～2.5cm的区域。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变片(3)采用电阻式应变片或光学应变片。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述寿命指示器(7)可以指示纯化器有效/失效，指示纯化器剩余使用寿命Lr，或指示纯化器剩余使用时间tr。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，纯化H2、He、Ne、Ar、Kr、Xe时，所用合金填料(2-2)为Zr-V-Fe或Ti-Zr-Mn-Cr-Ni，纯化N2时所用合金填料(2-2)为Zr-Fe或Zr-Al。
8.一种气体纯化器使用寿命的监测方法，纯化器反应罐(2)上设有杂质气体进口和纯化气体出口，杂质气体进口处设有用于测量气体流量F的流量计(1)，纯化气体出口处设有用于测量压力P的压力传感器(5)，纯化器反应罐(2)上设有用于测量纯化器反应罐(2)外表面或内部温度T的温度传感器(4)和用于测量罐体应变ε的应变片(3)；流量计(1)、压力传感器(5)、温度传感器(4)和应变片(3)连接至控制单元(6)，控制单元(6)收集并处理气体流量F、罐体应变ε、温度T、压力P信号，最后将使用寿命信号输出至寿命指示器(7)；纯化器反应罐(2)内部装有合金填料(2-2)，纯化器反应罐(2)上还设有加热装置(8)；其特征在于，通过监测罐体应变ε，并根据温度T和压力P修正得到真实应变εR，控制单元(6)根据εR-C曲线，读出εR对应的杂质气体吸附容量C，确定纯化器剩余使用寿命Lr＝(1-C/Cc)*100％，并向寿命指示器(7)输出相应信号，其中，Cc＝f(εc)，Cc为临界吸附容量，即当纯化器失效时临界时间tc对应的杂质气体吸附容量C，εc为临界应变，即当纯化器失效时，临界时间tc对应的罐体应变ε。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，合金填料(2-2)下部设有下过滤板(2-1)，上部设有上过滤板(2-3)，下过滤板(2-1)和上过滤板(2-3)将合金填料(2-2)压紧；下过滤板(2-1)和上过滤板(2-3)固定在纯化器反应罐(2)上。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述应变片(3)固定于罐壁外侧，且位于合金填料(2-2)上下两端之间的区域。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述应变片(3)固定于罐壁外侧，且位于合金填料(2-2)下端以上0～2.5cm的区域。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述应变片(3)采用电阻式应变片或光学应变片。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述寿命指示器(7)可以指示纯化器有效/失效，指示纯化器剩余使用寿命Lr，或指示纯化器剩余使用时间tr。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，纯化H2、He、Ne、Ar、Kr、Xe时，所用合金填料(2-2)为Zr-V-Fe或Ti-Zr-Mn-Cr-Ni，纯化N2时所用合金填料(2-2)为Zr-Fe或Zr-Al。
15.一种气体纯化器使用寿命的监测方法，纯化器反应罐(2)上设有杂质气体进口和纯化气体出口，杂质气体进口处设有用于测量气体流量F的流量计(1)，纯化气体出口处设有用于测量压力P的压力传感器(5)，纯化器反应罐(2)上设有用于测量纯化器反应罐(2)外表面或内部温度T的温度传感器(4)和用于测量罐体应变ε的应变片(3)；流量计(1)、压力传感器(5)、温度传感器(4)和应变片(3)连接至控制单元(6)，控制单元(6)收集并处理气体流量F、罐体应变ε、温度T、压力P信号，最后将使用寿命信号输出至寿命指示器(7)；纯化器反应罐(2)内部装有合金填料(2-2)，纯化器反应罐(2)上还设有加热装置(8)；其特征在于，通过监测罐体应变ε，并根据温度T和压力P修正得到真实应变εR，控制单元(6)根据εR-C曲线，读出εR对应的杂质气体吸附容量C，根据εR-C曲线和εR-t曲线确定临界时间tc，控制单元(6)计算出纯化器剩余使用时间tr＝tc-C/k，并向寿命指示器(7)输出相应信号，其中k为反应系数，等于气体流量F下C/t的斜率。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，合金填料(2-2)下部设有下过滤板(2-
1)，上部设有上过滤板(2-3)，下过滤板(2-1)和上过滤板(2-3)将合金填料(2-2)压紧；下过滤板(2-1)和上过滤板(2-3)固定在纯化器反应罐(2)上。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述应变片(3)固定于罐壁外侧，且位于合金填料(2-2)上下两端之间的区域。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述应变片(3)固定于罐壁外侧，且位于合金填料(2-2)下端以上0～2.5cm的区域。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述应变片(3)采用电阻式应变片或光学应变片。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述寿命指示器(7)可以指示纯化器有效/失效，指示纯化器剩余使用寿命Lr，或指示纯化器剩余使用时间tr。
21.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，纯化H2、He、Ne、Ar、Kr、Xe时，所用合金填料(2-2)为Zr-V-Fe或Ti-Zr-Mn-Cr-Ni，纯化N2时所用合金填料(2-2)为Zr-Fe或Zr-Al。
气体纯化器使用寿命的监测方法及其装置
技术领域
[0001] 本发明属于气体纯化器使用寿命监测技术领域，特别涉及一种气体纯化器使用寿命的监测方法及其装置。
背景技术
[0002] 高纯气体广泛应用于电子工业领域，如大规模集成电路、液晶显示器、太阳能电池、LED、光纤等生产过程制造中，都需要大量使用高纯气体。在某些应用场合下，对气体的纯度有极为严苛的要求，例如LED的MOCVD外延生长过程中，需要大量使用H2和N2，且通常要求进设备前气体纯度达到8N(99.999999％)以上，即气体中杂质含量低于10ppb(1ppb＝10-9)。为了达到上述气体纯度要求，通常需要使用气体纯化器。
[0003] 常见的气体纯化器包括催化吸附型气体纯化器、合金剂型气体纯化器和钯膜纯化器。其中催化吸附型纯化器不能去除CH4，钯膜纯化器只能用于H2纯化，且使用条件苛刻，成本高昂。因此在现有技术水平下，为了获取纯度达到8N的超高纯气体，一般采用合金型纯化器。在国际专利WO 99/19048，WO 99/19050，WO 01/03812中描述了几种合金型纯化器。合金型纯化器是利用Ti、Zr等活性金属及其合金只与杂质气体反应的特性，在一定温度压力条件下，将原料气通过合金床体，达到气体纯化的目的。合金型纯化器可用于惰性气体，如He、Ne、Ar、Kr和Xe的纯化，也可用于N2和H2的纯化。
[0004] 随着纯化器的使用，合金型纯化器中活性金属或合金床体的反应活性会不可逆的降低，当反应活性降低至某一临界值以下，即纯化器达到使用寿命后，纯化后气体中杂质含量将显著升高，从而导致产品缺陷等问题。因此，必须采用相应的技术来监测纯化器的使用寿命。一种方法是对纯化后的气体进行在线纯度监测，通常是采用气相色谱或者质谱对纯化后气体中的杂质含量进行实时监测，当气体纯度杂质高于临界值，表明纯化器已失效，然而这种方法需要及其昂贵的设备，并且需要具有专业技能的设备操作人员。美国专利US 5150604描述了一种气体纯化器使用寿命的监测方法，对流经纯化器两端的气体压力差进行检测，当压力差高于某一临界值时，表明纯化器已失效。但在实际使用条件下，有诸多限制。首先，由于压力差与使用条件有很大的关系，特别是气体压力和流量，两者的变化会直接导致纯化器两端压力差的变化，从而影响到对纯化器使用寿命判断的准确性，因此，采用该方法时，一般都强调纯化器必须在额定条件下工作，使用条件受到极大限制。其次，在满足实际使用过程中的压降要求(0.6MPa，工作压力条件下，压降一般低于0.05MPa)条件下，气体纯化器失效时引起的压力差变化极小，通常在0.001MPa以内，在现有技术水平下，难以准确测量。美国专利US 5172066中描述了另一种纯化器使用寿命的监测方法，在合金床体中埋入一根引线，通过测量合金床体与纯化器反应罐外壳之间的电阻，当电阻高于某一临界值时，表明纯化器已失效。该方法能够有效表征纯化器的使用寿命，但只能应用于惰性气体纯化器的寿命监测，在氢气纯化器中应用存在致命安全隐患，而超高纯氢气是电子工业中常用的超高纯气体。
[0005] 鉴于上述原因，需要提供一种行之有效的合金型纯化器使用寿命的监测方法，可以普遍适用于He、Ne、Ar、Kr、Xe、N2、H2等气体纯化器使用寿命的监测。
发明内容
[0006] 针对现有技术不足，本发明提供了一种气体纯化器使用寿命的监测方法，还提供了实施这种监测方法的装置。
[0007] 一种气体纯化器使用寿命的监测装置：纯化器反应罐2上设有杂质气体进口和纯化气体出口，杂质气体进口处设有用于测量气体流量F的流量计1，纯化气体出口处设有用于测量压力P的压力传感器5，纯化器反应罐2上设有用于测量纯化器反应罐2外表面或内部温度T的温度传感器4和用于测量罐体应变ε的应变片3；流量计1、压力传感器5、温度传感器4和应变片3连接至控制单元6，控制单元6收集并处理流量F、罐体应变ε、温度T、压力P信号，最后将使用寿命信号输出至寿命指示器7；纯化器反应罐2内部装有合金填料2-2，纯化器反应罐2上还设有加热装置8。
[0008] 优选的，合金填料2-2下部设有下过滤板2-1，上部设有上过滤板2-3，下过滤板2-1和上过滤板2-3将合金填料2-2压紧；下过滤板2-1和上过滤板2-3固定在纯化器反应罐2内。在满足阻挡合金粉体的前提下，下过滤板2-1和上过滤板2-3的过滤精度应尽可能低，即过滤孔径值高，最优的过滤精度为0.5～10μm。
[0009] 优选的，应变片3固定于罐壁外侧，位于合金填料2-2上下两端之间的区域。
[0010] 进一步优选的，应变片3固定于罐壁外侧，且位于合金填料2-2下端以上0～2.5cm的区域。
[0011] 所述应变片3采用电阻式应变片或光学应变片，在一般应用场合下优选电阻式应变片，在强电磁干扰、可能发生爆炸或较高振动负载情况下，优选光学应变片。
[0012] 所述寿命指示器7包括但不限于以下几点：指示纯化器有效/失效，指示纯化器剩余使用寿命Lr，或指示纯化器剩余使用时间tr。
[0013] 纯化H2、He、Ne、Ar、Kr、Xe时，所用合金填料2-2为Zr-V-Fe或Ti-Zr-Mn-Cr-Ni，纯化N2时所用合金填料2-2为Zr-Fe或Zr-Al。
[0014] 使用上述装置监测气体纯化器使用寿命的方法，通过监测罐体应变ε，并根据温度T和压力P修正得到真实应变εR，杂质气体临界吸附容量Cc对应临界应变εc，控制单元6根据εR-C曲线，将真实应变εR与临界应变εc进行对比，判断纯化器是否达到使用寿命上限，并向寿命指示器7输出相应信号。
[0015] 或通过监测罐体应变ε，并根据温度T和压力P修正得到真实应变εR，控制单元6根据εR-C曲线，读出εR对应的杂质气体吸附容量C，确定纯化器剩余使用寿命Lr＝(1-C/Cc)*100％，并向寿命指示器7输出相应信号。
[0016] 或通过监测罐体应变ε，并根据温度T和压力P修正得到真实应变εR，控制单元6根据εR-C曲线，读出εR对应的杂质气体吸附容量C，根据εR-C曲线和εR-t曲线确定临界时间tc，控制单元6计算出纯化器剩余使用时间tr＝tc-C/k，并向寿命指示器7输出相应信号，其中k为反应系数，等于气体流量F下C/t的斜率。
[0017] 本发明的有益效果为：本发明提供了一种气体纯化器使用寿命的监测方法及其装置，能够以较低的成本实现纯化器使用寿命实时监测，不受或可控受到使用压力和流量等工作条件的影响，并且可普遍适用于He、Ne、Ar、Kr、Xe、N2、H2等气体纯化器的使用寿命监测；监测过程简单、安全。
附图说明
[0018] 图1为本发明一种气体纯化器使用寿命监测装置示意图；
[0019] 图2为本发明一种气体纯化器使用寿命监测装置中纯化器反应罐结构示意图；
[0020] 图3为采用图1所示装置获得的典型杂质气体吸附量随罐体应变变化曲线；
[0021] 图4为采用图1所示装置获得的典型纯化气体中杂质气体含量随反应时间变化曲线；
[0022] 图5为采用图1所示装置获得的典型罐体应变随反应时间变化曲线；
[0023] 图6为实施例1所述条件下实测罐体应变随反应时间变化曲线；
[0024] 图7为实施例1所述条件下实测纯化气体中杂质气体含量随反应时间变化曲线。
[0025] 标号说明：1-流量计，2-纯化器反应罐，2-1-下过滤板，2-2-合金填料，2-3-上过滤板，3-应变片，4-温度传感器，5-压力传感器，6-控制单元，7-寿命指示器，8-加热装置。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但不应用来限制本发明。
[0027] 如图2所示，首先将下过滤板2-1固定在纯化器反应罐2内，然后装入合金填料2-2，加上上过滤板2-3将合金填料2-2压紧，并固定于纯化器反应罐2内。上过滤板2-3和下过滤板2-1的板材可采用但不限于不锈钢、铜、镍等材质，推荐采用与罐壁相同的材质；固定方式可采用焊接或其他方式。需要注意的是，通过上过滤板2-3和下过滤板2-1将合金填料2-2压紧并不是必须步骤，但将合金填料2-2压紧有助于提高应变测试的准确性。应变片3紧密贴于罐壁外侧，优选将应变片3贴于上过滤板2-3和下过滤板2-1之间有填料的区域，最佳的位置是下过滤板2-1以上0～2.5cm的区域内。
[0028] 如图1所示，气体由进气口进入后，经由流量计1测得气体流量F后，进入纯化器反应罐2，纯化后的气体由出气口流出，应变片3测得罐体应变ε，温度传感器4测得纯化器反应罐2外表面或内部温度T，压力传感器5测得纯化器反应罐2出口压力P。气体流量F、罐体应变ε、温度T和压力P信号传入控制单元6，根据实时温度T和压力P，对实测罐体应变ε修正，获得真实应变εR。根据流量F与真实应变εR，由控制单元6给出使用寿命信号，向寿命指示器7输出。寿命信号可为具体的数值信号、模拟信号或者指示纯化器有效/失效的开关信号。
[0029] Ti、Zr等活性金属及其合金与杂质气体反应后生成相应的氧化物、氮化物、碳化物、氢化物等，均会导致合金填料2-2的体积发生显著膨胀，当合金填料2-2处于密闭容器内时，其体积的膨胀会对容器壁造成压应力，从而引起应变。一方面，随着反应时间t的增加，合金填料2-2体积膨胀率越高，罐体应变ε越大。另一方面，随着反应时间t的增加，合金填料2-2杂质气体吸附容量C增加，反应活性降低，使用寿命减少。罐体应变ε变化与合金填料2-2杂质气体吸附容量C具有显著的规律性，并且这种规律受使用条件下的流量F变化影响很小，合金填料2-2杂质气体吸附容量C与罐体应变ε之间关系仅与合金成分、粒度、均匀性以及罐体材质等固有特性相关。典型的罐体应变ε-杂质气体吸附容量C曲线如图3所示。
[0030] 典型的纯化气体中杂质含量随反应时间t变化曲线如图4所示。当反应时间t低于临界值tc时，纯化气中杂质气体含量始终低于设备的检测限，但当反应时间t达到临界值tc后，纯化气中杂质气体含量迅速升高，不满足工作条件，纯化器失效。典型的罐体应变ε随反应时间t变化曲线如图5所示。在整个反应时间段内，罐体应变ε随反应时间t呈指数增长。当反应时间t达到临界值tc时，纯化气中杂质气体含量迅速升高，此时对应的罐体应变ε为临界应变εc。
[0031] 通过图3-5，可以得到罐体应变ε与使用寿命之间的关系。记杂质气体吸附容量C与罐体应变ε之间的关系为C＝f(ε)。当纯化器失效时，临界时间tc对应的罐体应变ε和杂质气体吸附容量C分别为临界应变εc和临界吸附容量Cc，其中Cc＝f(εc)。纯化器剩余使用寿命Lr可用吸附量百分比表示：Lr＝1-C/Cc＝1-f(ε)/f(εc)，当罐体应变ε超过临界应变εc时，Lr<0，表示纯化器失效。在固定的工作流量F下，纯化器使用寿命也可用剩余使用时间进行直观表示。当反应时间t
[0032] 实施例1
[0033] 本实施例用于说明本发明所述气体纯化器使用寿命的监测方法及其装置。纯化器反应罐2直径1.5mm，长度10cm，装载的纯化合金填料2-2采用中国专利CN 103898389A中所述Ti17Zr16Mn40Cr13.5Ni13.5纯化材料，粉体粒度为-100目，装载量为50g。气体纯化器使用寿命的监测装置及其纯化器反应罐2的结构如图1-2所示，应变测量采用电阻式应变片。纯化器反应罐2的工作压力为0.5MPa，工作温度为200℃，气体流量300sccm。采用含有
5000ppm O2的氢气作为原料气，采用GOW-MAC公司592型DID气相色谱进行气体纯度分析，杂质气体检测限为10ppb。纯化器反应罐2的临界应变εc为119.2×10-6。
[0034] 图6是实施例1所述纯化器反应罐2在工况下实测的罐体真实应变εR-反应时间t曲线。从图中可知，当反应时间t＜2.2h时，罐体真实应变εR＜119.2×10-6，控制单元6将信号传输至寿命指示器7，寿命指示器7指示纯化器有效；当反应时间t＞2.2h时，罐体真实应变εR＞119.2×10-6，控制单元6将信号传输至寿命指示器7，寿命指示器7指示纯化器无效。图7是实施例1所述纯化器反应罐2在工况下实测的纯化气杂质气体含量-反应时间t曲线。从图中可知，当t＜tc＝2.4h时，纯化器反应罐2纯化气杂质气体含量始终＜10ppb；当t＝tc＝2.4h时，纯化气杂质含量＞10ppb，此时对应的临界应变εc＝125.7×10-6。
