การวัดระดับไนโตรเจนเหลวในโรงงานผลิตเวเฟอร์ด้วยเครื่องส่งสัญญาณระดับแบบอินไลน์เรดาร์คลื่นนำ

เหตุใดจึงควรเลือกเครื่องส่งสัญญาณระดับแบบอินไลน์ของ GWR สำหรับไนโตรเจนเหลวในโรงงานผลิตเวเฟอร์ 
เทคโนโลยีเครื่องส่งสัญญาณระดับแบบเรดาร์คลื่นนำ (GWR) รักษาความแม่นยำได้อย่างเสถียรในสภาวะอุณหภูมิต่ำมาก ความแตกต่างของค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่สูงระหว่างไนโตรเจนเหลวและไอ ทำให้เกิดการสะท้อนของเรดาร์ที่ชัดเจน การวัดโดยใช้หัววัดยังคงทำซ้ำได้แม้ในอุณหภูมิต่ำและตัวแปรของกระบวนการเปลี่ยนแปลง

หัววัด GWR ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว การไม่มีกลไกเชิงกลช่วยลดความถี่ในการปรับเทียบใหม่และลดความเสี่ยงในการเกิดอนุภาค ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการความบริสุทธิ์อย่างเข้มงวด

ตัวเลือกการติดตั้งโพรบแบบจากบนลงล่างหรือแบบอินไลน์ช่วยลดการเจาะทะลุของกระบวนการและโอกาสการรั่วไหล โพรบแบบติดตั้งหน้าแปลนจากบนลงล่างใช้การเจาะทะลุที่ทนแรงดันเพียงจุดเดียวบนหลังคาของภาชนะ โพรบแบบอินไลน์จะพอดีกับพอร์ตกระบวนการขนาดเล็กหรือชิ้นส่วนสปูล ทำให้ถอดออกได้ง่ายโดยไม่ต้องดัดแปลงภาชนะขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น การติดตั้งเครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์คลื่นนำทางบนถังเก็บสารแช่แข็งแบบฉนวนสุญญากาศผ่านช่องขนาด 1.5 นิ้ว

เครื่องส่งสัญญาณระดับแบบอินไลน์เรดาร์คลื่นนำทางแบบลอนน์มิเตอร์

ความสามารถและความน่าเชื่อถือในการวัดสำหรับของเหลวแช่แข็ง 

เครื่องส่งสัญญาณวัดระดับแบบเรดาร์คลื่นนำทางของ Lonnmeter ใช้คลื่นไมโครเวฟที่นำทางด้วยหัววัดเพื่อติดตามพื้นผิวของเหลวด้วยความแม่นยำระดับต่ำกว่ามิลลิเมตร การออกแบบหัววัดและการประมวลผลสัญญาณสะท้อนสามารถรับมือกับค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำและชั้นไอระเหยที่พบได้ทั่วไปในสารละลายไนโตรเจนเหลว ในโรงงานผลิตเวเฟอร์และโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เทคโนโลยีนี้ให้ค่าการวัดที่สม่ำเสมอในถังเก็บของเหลวแช่แข็งแบบฉนวนสุญญากาศและระบบเติมและระบายของเหลวอย่างต่อเนื่อง
ได้รับการรับรองความปลอดภัยสำหรับการใช้งานระดับ SIL2 พร้อมทั้งหลีกเลี่ยงการเจาะทะลุเพิ่มเติม 

เครื่องส่งสัญญาณได้รับการรับรองความปลอดภัยระดับ SIL2 ทำให้สามารถใช้งานในวงจรควบคุมความปลอดภัยได้โดยไม่ต้องเพิ่มอุปกรณ์วัดระดับความปลอดภัยแยกต่างหาก การออกแบบแบบเจาะทะลุเส้นเดียวช่วยรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างถัง ลดเส้นทางการรั่วไหลในถังเก็บสารแช่แข็งที่มีฉนวนสุญญากาศ ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงสำหรับกระบวนการที่สำคัญในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่การรักษาสุญญากาศและฉนวนเป็นสิ่งสำคัญ
เครื่องส่งสัญญาณแบบหลายตัวแปรช่วยลดจำนวนเครื่องมือและขั้นตอนการทำงานลง 

เรดาร์คลื่นนำทางแบบหลายตัวแปรของ Lonnmeter ให้ข้อมูลระดับและตัวแปรกระบวนการเพิ่มเติมจากอุปกรณ์เพียงชิ้นเดียว การรวมระดับ การบ่งชี้ส่วนต่อประสาน/ความหนาแน่น และการวินิจฉัยที่ได้จากอุณหภูมิหรือความหนาแน่น ช่วยลดความจำเป็นในการใช้เครื่องมือแยกต่างหาก การเจาะรูน้อยลงช่วยปรับปรุงความสมบูรณ์ของสุญญากาศ ลดแรงงานในการติดตั้ง และลดต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของสำหรับการใช้งานเครื่องส่งสัญญาณระดับของเหลว
ระบบวินิจฉัยในตัว การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ และการแก้ไขปัญหาที่ง่ายดาย 

ระบบวินิจฉัยบนตัวเครื่องจะตรวจสอบคุณภาพสัญญาณ สภาพของหัววัด และความเสถียรของคลื่นสะท้อนแบบเรียลไทม์ ระบบแจ้งเตือนล่วงหน้าจะแจ้งเตือนประสิทธิภาพที่ลดลงก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว ช่วยลดเวลาหยุดทำงานโดยไม่คาดคิดและเวลาเฉลี่ยในการซ่อมแซม ช่างเทคนิคสามารถใช้ข้อมูลคลื่นสะท้อนที่บันทึกไว้เพื่อแก้ไขปัญหาความผิดปกติในระบบเติมและระบายถังอย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องตรวจสอบแบบเจาะลึก
ออกแบบมาสำหรับถังขนาดเล็กและรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อน ทำงานได้ดีในสภาวะไอ การไหลปั่นป่วน และโฟม 

หัววัดแบบมีไกด์และระบบประมวลผลสัญญาณขั้นสูงเหมาะสำหรับใช้งานในระยะสั้นและพื้นที่จำกัด เครื่องส่งสัญญาณสามารถตรวจจับระดับได้อย่างน่าเชื่อถือในถังขนาดเล็ก คอแคบ และรูปทรงที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งพบได้ในถังจ่ายไนโตรเจนเหลวของเครื่องมือแบบคลัสเตอร์ นอกจากนี้ยังแยกเสียงสะท้อนของของเหลวที่แท้จริงออกจากไอระเหย ความปั่นป่วน และฟอง ทำให้ใช้งานได้จริงสำหรับการวัดระดับไนโตรเจนเหลวในโรงงานที่มีโครงสร้างซับซ้อน
คลื่นไมโครเวฟกำลังต่ำช่วยลดการถ่ายเทความร้อนและการรบกวนในตัวกลางแช่แข็งให้น้อยที่สุด 

คลื่นไมโครเวฟพลังงานต่ำช่วยลดความร้อนเฉพาะจุดและจำกัดการระเหยเมื่อทำการวัดของเหลวแช่แข็ง ซึ่งจะช่วยลดการรบกวนต่อไนโตรเจนเหลวและรักษาเสถียรภาพทางความร้อนในถังเก็บของเหลวแช่แข็งที่หุ้มฉนวนสุญญากาศ วิธีการนี้ช่วยรักษาสต็อกของเหลวแช่แข็งและสนับสนุนการทำงานที่เสถียรในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความละเอียดอ่อน

ตัวอย่างที่แสดงไว้ข้างต้น: ในโรงงานผลิตเวเฟอร์ หน่วยเรดาร์คลื่นนำทาง Lonnmeter เพียงหน่วยเดียวสามารถใช้แทนเซ็นเซอร์วัดระดับและหัววัดความหนาแน่นในถังไนโตรเจนเหลวขนาดเล็กได้ โดยใช้เพียงรูเจาะเดียวที่ผนังถัง และให้สัญญาณเตือนล่วงหน้าเพื่อป้องกันการหยุดชะงักของการผลิต ในระบบการเติมและระบายถังอย่างต่อเนื่อง อุปกรณ์เดียวกันนี้สามารถรักษาการควบคุมระดับที่แม่นยำผ่านชั้นไอระเหยและโฟมเป็นระยะๆ โดยไม่เพิ่มภาระความร้อนให้กับสารทำความเย็น

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการติดตั้งและบูรณาการถังเก็บสารแช่แข็งแบบฉนวนสุญญากาศ 

กลยุทธ์การติดตั้ง: โพรบแบบอินไลน์เทียบกับแบบติดตั้งจากบนลงล่าง 

การติดตั้งแบบจากบนลงล่างช่วยลดการเจาะผ่านเสื้อสูบสุญญากาศและลดโอกาสการรั่วไหล โดยจะวางเซ็นเซอร์ไว้ที่กึ่งกลางถังและลดการสัมผัสกับเจ็ทน้ำเข้า ควรใช้การติดตั้งแบบจากบนลงล่างเมื่อรูปทรงของถังและการเข้าถึงเพื่อการบำรุงรักษาเอื้ออำนวย

หัววัดแบบติดตั้งด้านข้าง (Inline probes) ช่วยให้เข้าถึงเพื่อการบำรุงรักษาได้ง่ายขึ้น และสามารถติดตั้งใกล้กับท่อส่งกระบวนการเพื่อการควบคุมแบบบูรณาการ การติดตั้งแบบด้านข้างจะเพิ่มจำนวนจุดเจาะ และต้องมีการปิดผนึกและการจัดแนวอย่างระมัดระวังเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสุญญากาศ เลือกการติดตั้งแบบด้านข้างเมื่อความสะดวกในการซ่อมบำรุงหรือการบูรณาการกับสายการบรรจุและปล่อยอย่างต่อเนื่องมีความสำคัญอย่างยิ่ง

ควรพิจารณาตัดสินใจโดยคำนึงถึงปัจจัยเหล่านี้: จำนวนจุดรั่วในระบบสุญญากาศ ความง่ายในการบำรุงรักษา อุปกรณ์ภายในถัง และตำแหน่งของการวัดที่มีผลต่อความเสถียรของการอ่านค่าภายใต้สภาวะการไหลที่พบในโรงงานผลิตเวเฟอร์และโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์
ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับการซีลและหน้าแปลนเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสุญญากาศ 

ทุกจุดที่ทะลุผ่านจะต้องได้รับการรับรองด้านสุญญากาศและการคลายความเครียดสำหรับอุณหภูมิเยือกแข็ง ควรเลือกใช้ซีลหน้าแปลนโลหะต่อโลหะหรือระบบปะเก็นที่ออกแบบมาสำหรับอุณหภูมิเยือกแข็งและทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ หลีกเลี่ยงซีลโพลีเมอร์เว้นแต่จะได้รับการรับรองอย่างชัดเจนสำหรับอุณหภูมิ -196 °C

สำหรับการติดตั้งถาวร ให้ใช้ตัวเชื่อมต่อแบบเชื่อมหากเป็นไปได้ ในกรณีที่ต้องใช้เซ็นเซอร์แบบถอดได้ ให้ติดตั้งหน้าแปลนแบบหลายพอร์ตหรือชุดท่ออ่อนที่ทนสุญญากาศพร้อมพอร์ตสำหรับสูบสุญญากาศโดยเฉพาะ จัดให้มีพอร์ตทดสอบสุญญากาศอยู่ติดกับหน้าแปลนของเซ็นเซอร์เพื่อตรวจสอบความสมบูรณ์ของปลอกหุ้มหลังการติดตั้ง

ออกแบบหน้าแปลนและซีลให้รองรับการหดตัวจากความร้อน ควรมีส่วนประกอบที่ยืดหยุ่นหรือปลอกเลื่อนเพื่อป้องกันความเครียดบริเวณจุดทะลุผ่านระหว่างการเย็นตัว ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสามารถเข้าถึงอุปกรณ์ยึดหน้าแปลนได้โดยไม่ต้องทำลายปลอกสุญญากาศหากทำได้
การเลือกความยาวของหัววัดและวัสดุเพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งานในอุณหภูมิต่ำมาก 

เลือกวัสดุที่ยังคงความยืดหยุ่นและทนต่อการเปราะแตกที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลว เหล็กกล้าไร้สนิมที่เข้ากันได้กับอุณหภูมิเยือกแข็ง (เช่น โลหะวิทยาประเภท 316L) เป็นมาตรฐานสำหรับหัววัด พิจารณาใช้โลหะผสมที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำสำหรับหัววัดที่ยาวมาก เพื่อลดการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างหัววัดและถัง

ความยาวของหัววัดควรลงไปถึงด้านในของถังให้ลึกกว่าระดับของเหลวสูงสุดที่คาดไว้ และอยู่เหนือชั้นตะกอนด้านล่าง หลีกเลี่ยงหัววัดที่สัมผัสกับก้นถังหรือแผ่นกั้นภายใน สำหรับถังฉนวนสุญญากาศทรงสูง ควรเผื่อระยะการหดตัวเนื่องจากความร้อนไว้หลายมิลลิเมตรต่อความยาวหัววัดหนึ่งเมตร

สำหรับการติดตั้งเครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์คลื่นนำ ให้ใช้หัววัดแบบแท่งแข็งหรือหัววัดแบบโคแอกเซียลที่ได้รับการรับรองสำหรับการใช้งานในอุณหภูมิต่ำมาก หัววัดแบบสายเคเบิลอาจสะสมน้ำกลั่นตัวหรือน้ำแข็ง และไม่นิยมใช้ในถังที่มีการระเหยหรือการกระฉอกของของเหลวมาก ระบุลักษณะพื้นผิวและคุณภาพการเชื่อมเพื่อหลีกเลี่ยงจุดเริ่มต้นของการก่อตัวของน้ำแข็ง

ตัวอย่าง: ภาชนะด้านในขนาด 3.5 เมตร อาจต้องใช้หัววัดขนาด 3.55–3.60 เมตร เพื่อชดเชยการหดตัวและความหนาของหน้าแปลนยึด ตรวจสอบขนาดสุดท้ายที่อุณหภูมิใช้งานที่คาดไว้
การบูรณาการกับสภาวะการบรรจุและการปล่อยอย่างต่อเนื่อง 

ควรวางเซ็นเซอร์วัดระดับให้ห่างจากทางเข้าและทางออกของน้ำเพื่อป้องกันการอ่านค่าผิดพลาดเนื่องจากความปั่นป่วนของอากาศ โดยทั่วไปแล้ว ควรวางหัววัดให้ห่างจากทางเข้าหรือทางออกหลักอย่างน้อยหนึ่งเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางถัง หรือวางไว้ด้านหลังแผ่นกั้นภายใน หากพื้นที่จำกัดทำให้ไม่สามารถทำเช่นนั้นได้ ให้ใช้เซ็นเซอร์หลายตัวหรือใช้การประมวลผลสัญญาณเพื่อกำจัดสัญญาณสะท้อนชั่วคราว

ควรหลีกเลี่ยงการติดตั้งหัววัดโดยตรงในกระแสของเหลวที่บรรจุ ในระบบการบรรจุและปล่อยของเหลวอย่างต่อเนื่อง อาจเกิดการแบ่งชั้นและชั้นความร้อนขึ้นได้ ควรวางเซ็นเซอร์ในตำแหน่งที่เก็บตัวอย่างของเหลวที่ผสมกันอย่างดี โดยทั่วไปควรวางใกล้กับเส้นศูนย์กลางของภาชนะหรือภายในบ่อพักของเหลวที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ บ่อพักของเหลวหรือท่อตรงกลางสามารถแยกเซ็นเซอร์ออกจากกระแสของเหลวและเพิ่มความแม่นยำในระหว่างการถ่ายโอนอย่างรวดเร็ว

สำหรับโรงงานผลิตเวเฟอร์ที่ใช้ไนโตรเจนเหลวอย่างต่อเนื่องในระหว่างการล้างเครื่องมือ ให้ตั้งค่าตำแหน่งการวัดและตัวกรองเพื่อละเว้นสัญญาณรบกวนที่มีระยะเวลาสั้น ใช้การหาค่าเฉลี่ย การปรับให้เรียบด้วยหน้าต่างเลื่อน หรือตรรกะการติดตามเสียงสะท้อนในเอาต์พุตของตัวส่งสัญญาณเพื่อลดสัญญาณเตือนที่ผิดพลาดจากสัญญาณรบกวนสั้นๆ
การเดินสายไฟ การต่อสายดิน และหลักปฏิบัติด้าน EMC เพื่อประสิทธิภาพการทำงานของเรดาร์ที่เชื่อถือได้ 

เดินสายสัญญาณผ่านช่องต่อแบบสุญญากาศที่มีระบบลดแรงดึงและช่องต่อระบายความร้อน ใช้สายหุ้มฉนวน สายคู่บิดเกลียว หรือสายโคแอกเซียลตามที่เทคโนโลยีเรดาร์ที่เลือกใช้กำหนดไว้ รักษาระยะการเดินสายให้สั้นและหลีกเลี่ยงการรวมสายเข้ากับสายไฟ

กำหนดจุดต่อลงดินเพียงจุดเดียวสำหรับตัวเรือนเซ็นเซอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อป้องกันการเกิดลูปกราวด์ ต่อสายชีลด์ลงดินที่ปลายด้านใดด้านหนึ่งเท่านั้น เว้นแต่คำแนะนำของผู้ผลิตจะระบุไว้เป็นอย่างอื่น ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากและอุปกรณ์ลดแรงดันไฟชั่วขณะสำหรับสายเคเบิลยาวที่พาดผ่านพื้นที่สนามหญ้าหรือพื้นที่สาธารณูปโภค

ลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าให้น้อยที่สุดโดยแยกสายเคเบิลเซ็นเซอร์ออกจากไดรฟ์ปรับความถี่ ตัวป้อนมอเตอร์ และระบบจ่ายไฟแรงสูง ใช้แกนเฟอร์ไรต์และท่อร้อยสายเมื่อจำเป็น สำหรับการติดตั้งเครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์คลื่นนำ ให้รักษาความต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะที่ส่วนต่อประสานของตัวส่งผ่านและตัวเชื่อมต่อเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณ

แผนงานการนำไปใช้งาน (แนวทางที่แนะนำคือการแบ่งเป็นขั้นตอน) 

ขั้นตอนการประเมิน: การสำรวจถัง การตรวจสอบสภาวะกระบวนการ และข้อกำหนดของระบบควบคุม 

เริ่มต้นด้วยการสำรวจถังจริง บันทึกรูปทรงเรขาคณิตของถัง ตำแหน่งหัวฉีด ระยะห่างของฉนวน และพอร์ตสำหรับอุปกรณ์ที่มีอยู่ บันทึกการเข้าถึงพื้นที่สุญญากาศและสะพานความร้อนใด ๆ ที่ส่งผลต่อการวางตำแหน่งเซ็นเซอร์
บันทึกสภาวะกระบวนการต่างๆ รวมถึงแรงดันใช้งานปกติและสูงสุด อุณหภูมิในช่องว่างไอ อัตราการเติม และการกระฉอกหรือการกระชากที่คาดว่าจะเกิดขึ้นระหว่างระบบการเติมและปล่อยของเหลวออกจากถังอย่างต่อเนื่อง บันทึกรูปแบบวัฏจักรที่ใช้ในโรงงานผลิตเวเฟอร์และโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์
กำหนดข้อกำหนดของระบบควบคุมตั้งแต่เนิ่นๆ ระบุประเภทสัญญาณ (4 20 mA, HART, Modbus) สัญญาณเตือนแบบแยกส่วน และอัตราการอัปเดตที่คาดหวังสำหรับเครื่องมือวัดระดับแบบออนไลน์ ระบุช่วงความแม่นยำที่ต้องการและระดับความปลอดภัยที่จำเป็น
ผลลัพธ์จากการประเมินควรประกอบด้วยเอกสารขอบเขตงาน แบบร่างการติดตั้ง รายชื่อเทคนิคการวัดแบบไม่รบกวนที่ต้องการ และเมทริกซ์อินพุต/เอาต์พุตสำหรับระบบควบคุม

การติดตั้งนำร่อง: การตรวจสอบความถูกต้องของถังเดี่ยวและการทดสอบการทำงานร่วมกันภายใต้สภาวะการเติม/ปล่อยอย่างต่อเนื่อง 

ทดสอบนำร่องกับถังเก็บของเหลวแช่แข็งแบบฉนวนสุญญากาศที่เป็นตัวแทนหนึ่งถัง ติดตั้งเครื่องส่งสัญญาณระดับที่เลือกไว้ และดำเนินการตามวงจรการทำงานเต็มรูปแบบ ตรวจสอบความถูกต้องของการวัดระดับของเหลวในถังระหว่างระบบการเติมและระบายของเหลวอย่างต่อเนื่อง รวมถึงการเติมอย่างรวดเร็วและการหยดอย่างช้าๆ
ใช้เครื่องตรวจวัดระดับแบบนำร่องเพื่อเปรียบเทียบเทคโนโลยีเครื่องตรวจวัดระดับด้วยเรดาร์ ประสิทธิภาพของเครื่องตรวจวัดระดับด้วยเรดาร์แบบคลื่นนำ และเครื่องตรวจวัดระดับขั้นสูงอื่นๆ ในสภาพแวดล้อมของถังเดียวกัน หากเป็นไปได้ บันทึกเวลาตอบสนอง ความเสถียร และความไวต่อไอน้ำ โฟม หรือการควบแน่น สำหรับเรดาร์แบบคลื่นนำ ให้ตรวจสอบว่าวัสดุของหัววัดทนต่อการหดตัวที่อุณหภูมิต่ำมาก และช่องต่อต่างๆ ปิดผนึกได้อย่างน่าเชื่อถือ
ทำการทดสอบการทำงานร่วมกับ PLC หรือ DCS ตรวจสอบเกณฑ์การแจ้งเตือน การล็อก การบันทึกข้อมูลประวัติ และการวินิจฉัยระยะไกล ดำเนินการทดสอบการทำงานแบบผสมผสานอย่างน้อยสองสัปดาห์เพื่อบันทึกกรณีพิเศษ รวบรวมข้อมูลความแม่นยำพื้นฐาน การเบี่ยงเบน และเหตุการณ์การบำรุงรักษา

ตัวอย่าง: ในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ให้ทำการทดสอบนำร่องตามรอบการป้อนวัตถุดิบปกติ 24 ชั่วโมง บันทึกค่าเอาต์พุตของตัวส่งสัญญาณระดับเทียบกับปริมาตรการเติมที่ทราบ และการตรวจสอบมาตรวัดรอง ติดตามข้อผิดพลาดระหว่างการระบายวัตถุดิบที่มีอัตราการไหลสูง