三氟化氮泄漏在线监测系统设计及应用

杜海波+田亮亮+苗英俊+李丹丹

摘要：为了实现三氟化氮生产及灌装车间三氟化氮气体的泄漏监测，研究了一套基于超高温裂解原理的三氟化氮泄漏在线监测系统。该系统采用MSP430单片机作为主控芯片，具有响应速度快、测量准确、误码率的特点，能够最低检测到0.1 ul/L的泄漏，信号能够直接接入厂区的DCS系统。

关键词：三氟化氮；高温热裂解；泄漏；在线监测

中图分类号：O659.2 文献标识码：A

在常温常压下，三氟化氮（NF3）为无色、无臭的性质稳定液化气体。而高纯的三氟化氮是一种热力学稳定的氧化剂，大约在350℃左右可分解成为二氧化氮和氟气。

三氟化氮是一种工业特种气体，它的用途非常广泛，主要用作火箭推进剂、等离子蚀刻硅或氧化硅、化学激光器的氟源、电子气及氟化剂等。随着近年来电子及光伏产业的快速发展，需求呈现迅猛增长之势。

如同其他电子气一样，三氟化氮气体也是一种毒性物质。美国政府工业卫生联合会（ACGIH）确定，吸入10×10-6的限定阈值（TLV）是最危险的。2008年联合国环境大会上，三氟化氮被列为温室气体，其制造温室的能力极强，能在大气中维持550年。主要在生产液晶电视时排放，目前排放量为每年4000吨。因此，科学家呼吁将三氟化氮列入温室气体黑名单。因此开展三氟化氮气体的泄漏监测工作具有重大的意义。一是保障了现场工作人员的生命安全；二是生产设备的使用安全；三是减少了三氟化氮气体的泄漏，有效的避免的三氟化氮气体产生的温室效应。

1系统的总体设计

通过对某生产三氟化氮气体的生产厂家实地勘察发现，三氟化氮灌装车间是三氟化氮气体的高发区域。在灌装车间需要完成气体的灌装、分析采样、出厂前的检验等生产工序。在操作过程中极有可能发生三氟化氮气体的泄漏，因此车间的空气环境中的三氟化氮含量经常在1~2ul/L左右。如果发生大规模的泄漏将会对工作人员的健康造成威胁，还会影响对出厂钢瓶的检验中检测仪器的灵敏度。因此，在灌装车间安装三氟化氮的在线监测系统势在必行。

本系统的设计基于超高温裂解技术的三氟化氮检测探头，三氟化氮检测探头能够输出标准的4~20mA信号或通过RS485总线传输到厂区的DCS系统。组成框图如图1：

DCS系统检测到某位置的传感器探头浓度超过设定阈值，发出声光报警信号，并启动风机进行排风。当检测到室内的三氟化氮浓度下降到正常值时，停止排风。

2 系统硬件设计及选型

2.1 三氟化氮气体检测探头的设计

三氟化氮气体检测探头是整个系统的核心，它能够感知气体的泄漏，并能够输出标准的测量信号。

2.1.1 三氟化氮检测原理比较分析

工业上用的卤素传感器可用于三氟化氮气体的检漏，缺点是该类传感器同时能够检出其他的卤素物气体。因此误报率比较高，在现场使用非常少。

长光程红外吸收光谱在900cm-1范围内，对于1×10-6浓度的三氟化氮气体反应较为灵敏。整个量程范围内的检测误差和灵敏度还有待考证。缺点是受环境温湿度的影响比较大，同时价格比较昂贵，目前市场上使用较少。

目前市场上较为常见的为日本某三氟化氮检测产品，该产品采用催化裂解+电化学原理，占据了大部分的市场份额。该原理催化裂解产物比较复杂，分辨率较低，检测误差较大。通过现场的测试发现，该产品最小只能检测到2ul/L的气体泄漏，预热时间较长（在检测时要求长时间开机），无法满足现场微量泄漏检测的需求。

2.1.2 基于超高温裂解的三氟化氮检测探头

本系统的三氟化氮检测探头采用自主知识产权的专利技术。该技术为军转民技术，技术参数及性能已经得到了多年的验证，性能非常稳定。该技术为超高温裂解+电化学原理，整个传感器的组成框图如图2：

为了提高检测探头的检测速度和高温裂解炉的裂解效率，本设计采用泵吸式气体进入方式。首先，车间内的气体通过灰尘过滤器过滤掉灰尘后，使用调节阀初步调节进气流量，使其限定在一定范围内（正常范围为800ml/min）。然后三氟化氮气体进入高温裂解炉进行裂解，裂解产物中含有一氧化氮、二氧化氮和氟气等气体。转化剂的作用是将裂解产物中的一氧化氮充分转化为二氧化氮气体以提高二氧化氮的含量，间接的提高的输出信号的大小，增加了探头的分辨率。电化学传感器产生的微弱的电流信号经过滤波、放大等处理后转化为数字量送给单片机，单片机经过处理后在人机交互界面上进行显示。同时通过通信模块转化为标准的MODBUS协议通过RS485总线传输到DCS系统。MODBUS协议报文格式如图3：

2.2 DCS硬件选型

通过对某三氟化氮气体生产厂家的调研发现，现在厂区使用的是浙大中控的DCS系统，各生产流程都已经接入DCS系统进行监控。为了能将本设计的三氟化氮检测探头顺利的接入厂区的DCS系统，本设计除了在检测探头支持MODBUS传输协议外，选用了浙大中控的XP248通信板卡。该板卡具有以下功能：

1）支持MODBUS协议的主机模式和从机模式，并通过SCControl功能块实现通讯组态。

2）支持4路串口的并发工作，每路串口支持RS232和RS485两种通讯方式。

3）通讯波特率支持（1200~19200）bps，数据位（5-8）为，停止位（1-2）为，检验方式：无校验、偶校验、奇校验、空格校验、标志校验。

三氟化氮气体检测探头通过RS485总线根据厂区内探头的布置分区域通过XP248板卡接入DCS系统，并在工程师对现场的检测探头进行组态识别，将现场的探头按照位置进行编号，通过总线MODBUS协议读取探头的数据并在组态画面上进行显示。

3 系统软件设计

3.1 三氟化氮检测探头软件设计

三氟化氮检测探头采用MSP430单片机作为主控电路的核心控制元件。MPS430系列单片机是由TI公司研发的16位单片机。它最强调的特点是超低功耗，非常适用于各种功率要求低的场合。该系统采用该系列单片机作为主控单元，利用其自身的12位AD作为采样电路对各路信号进行采样，电化学传感器输出的电流信号在nA级别，必须通过滤波放大后才能送给单片机进行采集。采集到的数据通过RS232通信直接送给人机交互界面进行显示，每隔一段时间将数据存储在外置的EEPROM中。软件内置MODBUS协议，当收到上位机读书指令时，触发通信中断，并将数据通过串口发送给上位机。程序流程图如图4所示：

3.2 DCS系统软件设计

生产现场采用的是浙大中控的DCS系统，利用自带的组态软件对现场的三氟化氮检测探头进行组态，按照探头的分布位置和地址对进行编号。直接在各探头位置显示三氟化氮气体的浓度。组态软件每隔10s向探头读取一次数据，默认每隔半小时存储一次探头检测数据（时间可设），并形成数据报表供用户调用和查看。

如果系统检测到某个位置的三氟化氮检测探头发生报警，组态界面对应检测点进行闪烁报警，启动风机进行置换排风，并提醒现场工作人员进行处理。

结语

本设计在河北邯郸某生产现场进行了测试，通过测试发现，本文设计的三氟化氮检测探头最低能够检测到0.1ul/L的极微量三氟化氮气体的泄漏，响应速度快，测量误差在4%FS以内，与厂区DCS系统通讯正常，显示和报警功能正常。

参考文献

[1]宋在卿，李绍波.浅谈我国三氟化氮的现状和对策[J].低温与特气，2007，25（01）：22-24.

[2]卢永峰，李冬永，曹琼华.三氟化氮产能、技术现状及市场分析[J].湖南有色金属，2010，26（05）：34-35.

[3]Documentation of Threshold Limit Values and Biological Exposure Indices, 6th Ed.1991.

[4]最新观测：三氟化氮应进温室气体“黑名单”[N].科技日报，2008（10）.

[5]杨彦.三氟化氮—一种新型干蚀刻气[J].低温与特气，2006，24（04）：28-30.

endprint

摘要：为了实现三氟化氮生产及灌装车间三氟化氮气体的泄漏监测，研究了一套基于超高温裂解原理的三氟化氮泄漏在线监测系统。该系统采用MSP430单片机作为主控芯片，具有响应速度快、测量准确、误码率的特点，能够最低检测到0.1 ul/L的泄漏，信号能够直接接入厂区的DCS系统。

关键词：三氟化氮；高温热裂解；泄漏；在线监测

中图分类号：O659.2 文献标识码：A

在常温常压下，三氟化氮（NF3）为无色、无臭的性质稳定液化气体。而高纯的三氟化氮是一种热力学稳定的氧化剂，大约在350℃左右可分解成为二氧化氮和氟气。

三氟化氮是一种工业特种气体，它的用途非常广泛，主要用作火箭推进剂、等离子蚀刻硅或氧化硅、化学激光器的氟源、电子气及氟化剂等。随着近年来电子及光伏产业的快速发展，需求呈现迅猛增长之势。

如同其他电子气一样，三氟化氮气体也是一种毒性物质。美国政府工业卫生联合会（ACGIH）确定，吸入10×10-6的限定阈值（TLV）是最危险的。2008年联合国环境大会上，三氟化氮被列为温室气体，其制造温室的能力极强，能在大气中维持550年。主要在生产液晶电视时排放，目前排放量为每年4000吨。因此，科学家呼吁将三氟化氮列入温室气体黑名单。因此开展三氟化氮气体的泄漏监测工作具有重大的意义。一是保障了现场工作人员的生命安全；二是生产设备的使用安全；三是减少了三氟化氮气体的泄漏，有效的避免的三氟化氮气体产生的温室效应。

1系统的总体设计

通过对某生产三氟化氮气体的生产厂家实地勘察发现，三氟化氮灌装车间是三氟化氮气体的高发区域。在灌装车间需要完成气体的灌装、分析采样、出厂前的检验等生产工序。在操作过程中极有可能发生三氟化氮气体的泄漏，因此车间的空气环境中的三氟化氮含量经常在1~2ul/L左右。如果发生大规模的泄漏将会对工作人员的健康造成威胁，还会影响对出厂钢瓶的检验中检测仪器的灵敏度。因此，在灌装车间安装三氟化氮的在线监测系统势在必行。

本系统的设计基于超高温裂解技术的三氟化氮检测探头，三氟化氮检测探头能够输出标准的4~20mA信号或通过RS485总线传输到厂区的DCS系统。组成框图如图1：

DCS系统检测到某位置的传感器探头浓度超过设定阈值，发出声光报警信号，并启动风机进行排风。当检测到室内的三氟化氮浓度下降到正常值时，停止排风。

2 系统硬件设计及选型

2.1 三氟化氮气体检测探头的设计

三氟化氮气体检测探头是整个系统的核心，它能够感知气体的泄漏，并能够输出标准的测量信号。

2.1.1 三氟化氮检测原理比较分析

工业上用的卤素传感器可用于三氟化氮气体的检漏，缺点是该类传感器同时能够检出其他的卤素物气体。因此误报率比较高，在现场使用非常少。

长光程红外吸收光谱在900cm-1范围内，对于1×10-6浓度的三氟化氮气体反应较为灵敏。整个量程范围内的检测误差和灵敏度还有待考证。缺点是受环境温湿度的影响比较大，同时价格比较昂贵，目前市场上使用较少。

目前市场上较为常见的为日本某三氟化氮检测产品，该产品采用催化裂解+电化学原理，占据了大部分的市场份额。该原理催化裂解产物比较复杂，分辨率较低，检测误差较大。通过现场的测试发现，该产品最小只能检测到2ul/L的气体泄漏，预热时间较长（在检测时要求长时间开机），无法满足现场微量泄漏检测的需求。

2.1.2 基于超高温裂解的三氟化氮检测探头

本系统的三氟化氮检测探头采用自主知识产权的专利技术。该技术为军转民技术，技术参数及性能已经得到了多年的验证，性能非常稳定。该技术为超高温裂解+电化学原理，整个传感器的组成框图如图2：

为了提高检测探头的检测速度和高温裂解炉的裂解效率，本设计采用泵吸式气体进入方式。首先，车间内的气体通过灰尘过滤器过滤掉灰尘后，使用调节阀初步调节进气流量，使其限定在一定范围内（正常范围为800ml/min）。然后三氟化氮气体进入高温裂解炉进行裂解，裂解产物中含有一氧化氮、二氧化氮和氟气等气体。转化剂的作用是将裂解产物中的一氧化氮充分转化为二氧化氮气体以提高二氧化氮的含量，间接的提高的输出信号的大小，增加了探头的分辨率。电化学传感器产生的微弱的电流信号经过滤波、放大等处理后转化为数字量送给单片机，单片机经过处理后在人机交互界面上进行显示。同时通过通信模块转化为标准的MODBUS协议通过RS485总线传输到DCS系统。MODBUS协议报文格式如图3：

2.2 DCS硬件选型

通过对某三氟化氮气体生产厂家的调研发现，现在厂区使用的是浙大中控的DCS系统，各生产流程都已经接入DCS系统进行监控。为了能将本设计的三氟化氮检测探头顺利的接入厂区的DCS系统，本设计除了在检测探头支持MODBUS传输协议外，选用了浙大中控的XP248通信板卡。该板卡具有以下功能：

1）支持MODBUS协议的主机模式和从机模式，并通过SCControl功能块实现通讯组态。

2）支持4路串口的并发工作，每路串口支持RS232和RS485两种通讯方式。

3）通讯波特率支持（1200~19200）bps，数据位（5-8）为，停止位（1-2）为，检验方式：无校验、偶校验、奇校验、空格校验、标志校验。

三氟化氮气体检测探头通过RS485总线根据厂区内探头的布置分区域通过XP248板卡接入DCS系统，并在工程师对现场的检测探头进行组态识别，将现场的探头按照位置进行编号，通过总线MODBUS协议读取探头的数据并在组态画面上进行显示。

3 系统软件设计

3.1 三氟化氮检测探头软件设计

三氟化氮检测探头采用MSP430单片机作为主控电路的核心控制元件。MPS430系列单片机是由TI公司研发的16位单片机。它最强调的特点是超低功耗，非常适用于各种功率要求低的场合。该系统采用该系列单片机作为主控单元，利用其自身的12位AD作为采样电路对各路信号进行采样，电化学传感器输出的电流信号在nA级别，必须通过滤波放大后才能送给单片机进行采集。采集到的数据通过RS232通信直接送给人机交互界面进行显示，每隔一段时间将数据存储在外置的EEPROM中。软件内置MODBUS协议，当收到上位机读书指令时，触发通信中断，并将数据通过串口发送给上位机。程序流程图如图4所示：

3.2 DCS系统软件设计

生产现场采用的是浙大中控的DCS系统，利用自带的组态软件对现场的三氟化氮检测探头进行组态，按照探头的分布位置和地址对进行编号。直接在各探头位置显示三氟化氮气体的浓度。组态软件每隔10s向探头读取一次数据，默认每隔半小时存储一次探头检测数据（时间可设），并形成数据报表供用户调用和查看。

如果系统检测到某个位置的三氟化氮检测探头发生报警，组态界面对应检测点进行闪烁报警，启动风机进行置换排风，并提醒现场工作人员进行处理。

结语

本设计在河北邯郸某生产现场进行了测试，通过测试发现，本文设计的三氟化氮检测探头最低能够检测到0.1ul/L的极微量三氟化氮气体的泄漏，响应速度快，测量误差在4%FS以内，与厂区DCS系统通讯正常，显示和报警功能正常。

参考文献

[1]宋在卿，李绍波.浅谈我国三氟化氮的现状和对策[J].低温与特气，2007，25（01）：22-24.

[2]卢永峰，李冬永，曹琼华.三氟化氮产能、技术现状及市场分析[J].湖南有色金属，2010，26（05）：34-35.

[3]Documentation of Threshold Limit Values and Biological Exposure Indices, 6th Ed.1991.

[4]最新观测：三氟化氮应进温室气体“黑名单”[N].科技日报，2008（10）.

[5]杨彦.三氟化氮—一种新型干蚀刻气[J].低温与特气，2006，24（04）：28-30.

endprint

摘要：为了实现三氟化氮生产及灌装车间三氟化氮气体的泄漏监测，研究了一套基于超高温裂解原理的三氟化氮泄漏在线监测系统。该系统采用MSP430单片机作为主控芯片，具有响应速度快、测量准确、误码率的特点，能够最低检测到0.1 ul/L的泄漏，信号能够直接接入厂区的DCS系统。

关键词：三氟化氮；高温热裂解；泄漏；在线监测

中图分类号：O659.2 文献标识码：A

在常温常压下，三氟化氮（NF3）为无色、无臭的性质稳定液化气体。而高纯的三氟化氮是一种热力学稳定的氧化剂，大约在350℃左右可分解成为二氧化氮和氟气。

三氟化氮是一种工业特种气体，它的用途非常广泛，主要用作火箭推进剂、等离子蚀刻硅或氧化硅、化学激光器的氟源、电子气及氟化剂等。随着近年来电子及光伏产业的快速发展，需求呈现迅猛增长之势。

如同其他电子气一样，三氟化氮气体也是一种毒性物质。美国政府工业卫生联合会（ACGIH）确定，吸入10×10-6的限定阈值（TLV）是最危险的。2008年联合国环境大会上，三氟化氮被列为温室气体，其制造温室的能力极强，能在大气中维持550年。主要在生产液晶电视时排放，目前排放量为每年4000吨。因此，科学家呼吁将三氟化氮列入温室气体黑名单。因此开展三氟化氮气体的泄漏监测工作具有重大的意义。一是保障了现场工作人员的生命安全；二是生产设备的使用安全；三是减少了三氟化氮气体的泄漏，有效的避免的三氟化氮气体产生的温室效应。

1系统的总体设计

通过对某生产三氟化氮气体的生产厂家实地勘察发现，三氟化氮灌装车间是三氟化氮气体的高发区域。在灌装车间需要完成气体的灌装、分析采样、出厂前的检验等生产工序。在操作过程中极有可能发生三氟化氮气体的泄漏，因此车间的空气环境中的三氟化氮含量经常在1~2ul/L左右。如果发生大规模的泄漏将会对工作人员的健康造成威胁，还会影响对出厂钢瓶的检验中检测仪器的灵敏度。因此，在灌装车间安装三氟化氮的在线监测系统势在必行。

本系统的设计基于超高温裂解技术的三氟化氮检测探头，三氟化氮检测探头能够输出标准的4~20mA信号或通过RS485总线传输到厂区的DCS系统。组成框图如图1：

DCS系统检测到某位置的传感器探头浓度超过设定阈值，发出声光报警信号，并启动风机进行排风。当检测到室内的三氟化氮浓度下降到正常值时，停止排风。

2 系统硬件设计及选型

2.1 三氟化氮气体检测探头的设计

三氟化氮气体检测探头是整个系统的核心，它能够感知气体的泄漏，并能够输出标准的测量信号。

2.1.1 三氟化氮检测原理比较分析

工业上用的卤素传感器可用于三氟化氮气体的检漏，缺点是该类传感器同时能够检出其他的卤素物气体。因此误报率比较高，在现场使用非常少。

长光程红外吸收光谱在900cm-1范围内，对于1×10-6浓度的三氟化氮气体反应较为灵敏。整个量程范围内的检测误差和灵敏度还有待考证。缺点是受环境温湿度的影响比较大，同时价格比较昂贵，目前市场上使用较少。

目前市场上较为常见的为日本某三氟化氮检测产品，该产品采用催化裂解+电化学原理，占据了大部分的市场份额。该原理催化裂解产物比较复杂，分辨率较低，检测误差较大。通过现场的测试发现，该产品最小只能检测到2ul/L的气体泄漏，预热时间较长（在检测时要求长时间开机），无法满足现场微量泄漏检测的需求。

2.1.2 基于超高温裂解的三氟化氮检测探头

本系统的三氟化氮检测探头采用自主知识产权的专利技术。该技术为军转民技术，技术参数及性能已经得到了多年的验证，性能非常稳定。该技术为超高温裂解+电化学原理，整个传感器的组成框图如图2：

为了提高检测探头的检测速度和高温裂解炉的裂解效率，本设计采用泵吸式气体进入方式。首先，车间内的气体通过灰尘过滤器过滤掉灰尘后，使用调节阀初步调节进气流量，使其限定在一定范围内（正常范围为800ml/min）。然后三氟化氮气体进入高温裂解炉进行裂解，裂解产物中含有一氧化氮、二氧化氮和氟气等气体。转化剂的作用是将裂解产物中的一氧化氮充分转化为二氧化氮气体以提高二氧化氮的含量，间接的提高的输出信号的大小，增加了探头的分辨率。电化学传感器产生的微弱的电流信号经过滤波、放大等处理后转化为数字量送给单片机，单片机经过处理后在人机交互界面上进行显示。同时通过通信模块转化为标准的MODBUS协议通过RS485总线传输到DCS系统。MODBUS协议报文格式如图3：

2.2 DCS硬件选型

通过对某三氟化氮气体生产厂家的调研发现，现在厂区使用的是浙大中控的DCS系统，各生产流程都已经接入DCS系统进行监控。为了能将本设计的三氟化氮检测探头顺利的接入厂区的DCS系统，本设计除了在检测探头支持MODBUS传输协议外，选用了浙大中控的XP248通信板卡。该板卡具有以下功能：

1）支持MODBUS协议的主机模式和从机模式，并通过SCControl功能块实现通讯组态。

2）支持4路串口的并发工作，每路串口支持RS232和RS485两种通讯方式。

3）通讯波特率支持（1200~19200）bps，数据位（5-8）为，停止位（1-2）为，检验方式：无校验、偶校验、奇校验、空格校验、标志校验。

三氟化氮气体检测探头通过RS485总线根据厂区内探头的布置分区域通过XP248板卡接入DCS系统，并在工程师对现场的检测探头进行组态识别，将现场的探头按照位置进行编号，通过总线MODBUS协议读取探头的数据并在组态画面上进行显示。

3 系统软件设计

3.1 三氟化氮检测探头软件设计

三氟化氮检测探头采用MSP430单片机作为主控电路的核心控制元件。MPS430系列单片机是由TI公司研发的16位单片机。它最强调的特点是超低功耗，非常适用于各种功率要求低的场合。该系统采用该系列单片机作为主控单元，利用其自身的12位AD作为采样电路对各路信号进行采样，电化学传感器输出的电流信号在nA级别，必须通过滤波放大后才能送给单片机进行采集。采集到的数据通过RS232通信直接送给人机交互界面进行显示，每隔一段时间将数据存储在外置的EEPROM中。软件内置MODBUS协议，当收到上位机读书指令时，触发通信中断，并将数据通过串口发送给上位机。程序流程图如图4所示：

3.2 DCS系统软件设计

生产现场采用的是浙大中控的DCS系统，利用自带的组态软件对现场的三氟化氮检测探头进行组态，按照探头的分布位置和地址对进行编号。直接在各探头位置显示三氟化氮气体的浓度。组态软件每隔10s向探头读取一次数据，默认每隔半小时存储一次探头检测数据（时间可设），并形成数据报表供用户调用和查看。

如果系统检测到某个位置的三氟化氮检测探头发生报警，组态界面对应检测点进行闪烁报警，启动风机进行置换排风，并提醒现场工作人员进行处理。

结语

本设计在河北邯郸某生产现场进行了测试，通过测试发现，本文设计的三氟化氮检测探头最低能够检测到0.1ul/L的极微量三氟化氮气体的泄漏，响应速度快，测量误差在4%FS以内，与厂区DCS系统通讯正常，显示和报警功能正常。

参考文献

[1]宋在卿，李绍波.浅谈我国三氟化氮的现状和对策[J].低温与特气，2007，25（01）：22-24.

[2]卢永峰，李冬永，曹琼华.三氟化氮产能、技术现状及市场分析[J].湖南有色金属，2010，26（05）：34-35.

[3]Documentation of Threshold Limit Values and Biological Exposure Indices, 6th Ed.1991.

[4]最新观测：三氟化氮应进温室气体“黑名单”[N].科技日报，2008（10）.

[5]杨彦.三氟化氮—一种新型干蚀刻气[J].低温与特气，2006，24（04）：28-30.

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