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摘要：本文詳細(xì)介紹了真空系統(tǒng)中壓力和真空度測量和控制的基本概念已經(jīng)常用的技術(shù)指標(biāo)，詳細(xì)介紹了模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度應(yīng)壓力和真空度測量分辨率的匹配，介紹了采用不同量程電容壓力計(jì)進(jìn)行真空度控制的最小建議范圍。

1. 問題的提出

　　在各種真空工藝和測試系統(tǒng)的真空容器中，容器內(nèi)部的氣體壓力或真空度的準(zhǔn)確測量控制對(duì)于保證產(chǎn)品品質(zhì)和儀器測量精度至關(guān)重要。由此在氣壓或真空度控制過程中，需要根據(jù)容器內(nèi)的真空度穩(wěn)定性要求來確定控制方式和真空度采集精度，據(jù)此來選擇合理的控制儀表，因此需要充分理解與真空度相關(guān)的基本概念，并深入了解壓力和真空的測量方式以及控制器的特性和局限性。

2. 真空和壓力的度量

2.1. 真空和壓力的各種度量單位

　　在各種真空和壓力測量系統(tǒng)中，需要清晰的了解不同壓力指標(biāo)的含義。

　　通常用于真空測量的度量單位是托（Torr），等于1mmHg，它表示將汞的沉沒柱高度提高1.0mm所需的大氣壓力，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力等于760Torr。在一些真空系統(tǒng)的真空測量中使用Torr的衍生單位毫托或1/1000Torr。大于1.0毫托的真空度通常用科學(xué)計(jì)數(shù)法表示（例如5.0E-06 Torr），在歐洲和亞洲常用的真空系統(tǒng)中的真空和氣象測量通常將條形圖分為1/1000，以產(chǎn)生毫巴（mbar）。

在美國常用的壓力度量標(biāo)準(zhǔn)是psi或“磅/平方英寸”，使用此度量標(biāo)準(zhǔn)，海平面上的大氣壓力測量值為14.69psi。為了進(jìn)行比較，歐洲和亞洲的壓力測量將大氣壓力定義為1.0bar。另一個(gè)指標(biāo)是“水的英寸高度”，該指標(biāo)通常用于報(bào)告美國天氣預(yù)報(bào)中的氣壓，單位是指由大氣壓支撐的水下水柱的高度。使用此度量標(biāo)準(zhǔn)，大氣壓為406.8英寸水柱（在4°C時(shí)），有時(shí)此度量單位用于工業(yè)過程中的真空測量。

　　壓力的國際單位制量度為Pascal（縮寫為Pa），以法國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家Blaise Pascal命名，它被定義為單位面積上的力的度量，等于每平方米一牛頓。SI單位的大氣壓為1.01325E+05 Pa。有些氣壓測量通常也會(huì)以千帕斯卡（kPa）為單位進(jìn)行報(bào)告。表2-1列出了最常見的壓力表和真空表。

表2-1 壓力和真空的度量

2.2. 壓力和真空傳感器

壓力和真空的測量一般采用傳感器，這些傳感器所組成的壓力表和真空表根據(jù)測量原理的不同分為多種形式，這些儀表的主要類型包括：

　　（1）機(jī)械規(guī)：這類儀表使用某種形式的機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置或膜片裝置，無需任何電子器件，僅依靠機(jī)械式的移動(dòng)來指示壓力或真空度。因?yàn)闊o需帶電運(yùn)行，所以這類儀表常用于壓力和真空系統(tǒng)的安全性指示，即使在系統(tǒng)斷電情況下也能大致了解腔體內(nèi)的情況。

（2）熱導(dǎo)規(guī)：通常稱為皮拉尼、熱偶和對(duì)流表，其作用原理是氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力而變化，電熱絲是平衡電子電路中的傳感元件。由于熱絲的熱損失率隨氣體的導(dǎo)熱系數(shù)而變化，因此也會(huì)隨著腔體內(nèi)氣體壓力和真空度而發(fā)生改變，這種變化要求改變電路的電氣特性之一（電流、電壓或功率）真空設(shè)備以保持電路平衡。

　?。?）應(yīng)變規(guī)：這是一類基于應(yīng)變的壓力測量儀表，常用于正壓測量。它們采用了一個(gè)薄隔膜，其背面裝有應(yīng)變感應(yīng)電子電路。壓力的變化會(huì)引起膜片偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變被傳感器檢測到。

　?。?）電容規(guī)：常用于壓力/真空測量，它們依賴于隔膜和通電電極之間電容的變化。

　　（5）柱規(guī)：它們使用液體，其在封閉柱中的高度會(huì)隨壓力而變化。

　　（6）電離規(guī)：取決于周圍氣體分子的電離和相應(yīng)離子電流的測量。離子電流與腔室內(nèi)的真空壓力直接相關(guān)。

　　表2-2顯示了不同類型的壓力/真空表的比較，從中可以看出沒有一類儀表可以滿足每個(gè)過程中的所有測量要求。

表2-2 主要類型壓力表的性能比較

3. 壓力和真空儀表常用技術(shù)指標(biāo)

與其他物理真空設(shè)備量測量中存在的現(xiàn)象類似，很多用戶對(duì)如何評(píng)價(jià)壓力和真空儀表存在模糊的概念，因此這里簡要說明壓力和真空儀表的常用技術(shù)指標(biāo)。

　?。?）參考標(biāo)準(zhǔn)：一種非常準(zhǔn)確的壓力或真空測量儀器，用于校準(zhǔn)其他此類儀器。

　?。?）精確度：壓力或真空儀表和用于校準(zhǔn)的參考標(biāo)準(zhǔn)之間的絕對(duì)測量差。常用是以讀數(shù)的百分比或滿量程的百分比為單位來表達(dá)。

　　（3）線性度：與大多數(shù)其他傳感器類似，壓力和真空儀表（無論是數(shù)字還是模擬形式）都以設(shè)計(jì)為線性化輸出作為達(dá)到理想狀況的標(biāo)準(zhǔn)。線性度是衡量電子設(shè)備完成這項(xiàng)任務(wù)的程度——通常指定為滿量程的百分比。

（4）重復(fù)性：衡量壓力和真空儀表在多個(gè)不同過程運(yùn)行期間，在相同壓力下能達(dá)到相同輸出的接近程度。一些儀表制造商在技術(shù)指標(biāo)中包括了重復(fù)性，但并非全部都如此。如果沒有特別注明，用戶應(yīng)要求供應(yīng)商提高該指標(biāo)。

　?。?）分辨率：壓力和真空儀表可以實(shí)際測量的最小壓力和真空度。如果儀表是模擬信號(hào)輸出的型號(hào)，并且需要數(shù)字輸入，則幾乎總是需要高分辨率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換（至少14位），否則A/D分辨率將決定壓力和真空測量的分辨率，而不是壓力計(jì)和真空計(jì)的分辨率。

（6）零位和零位偏移：零位是指將壓力計(jì)的輸出調(diào)整為在（a）系統(tǒng)中可獲得的最低壓力或（b）低于電容式壓力計(jì)分辨率的壓力下讀取零時(shí)發(fā)生的情況。經(jīng)過一段使用時(shí)間后，零位置可能會(huì)發(fā)生變化，從而改變壓力表的位置并在壓力計(jì)的整體輸出中產(chǎn)生偏移，因此必須除去這種偏移以獲得可接受的精度。如果系統(tǒng)達(dá)到的基本壓力低于壓力計(jì)的分辨率，則可以將壓力計(jì)的輸出調(diào)整為最小輸出。但是，如果最小系統(tǒng)壓力高于壓力計(jì)的分辨率，則必須使用永久零偏移量來確定正確的系統(tǒng)壓力。零偏移或零漂移的存在并不總是表明設(shè)備需要重新校準(zhǔn)，因?yàn)榱阄恢玫淖兓瘍H很少影響實(shí)際的壓力計(jì)校準(zhǔn)。

　　從表2-2可以看出，電容式壓力/真空計(jì)的測量準(zhǔn)確性最高，因此電容式真空計(jì)通常作為其他類型壓力計(jì)的參考設(shè)備（即用來校準(zhǔn)其他產(chǎn)品）。如對(duì)于無加熱功能的的1000Torr電容壓力計(jì)的準(zhǔn)確度指標(biāo)（包括重復(fù)性）約為讀數(shù)的0.25%，相比之下，相同量程的皮拉尼或熱偶?jí)毫τ?jì)的讀數(shù)精度為5~25％，電容式真空計(jì)的準(zhǔn)確度是它們的100倍。

4. 高精度壓力和真空度控制的實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于與真空相關(guān)的各種系統(tǒng)中，在指定的壓力和真空度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行精確測量和控制至關(guān)重要。例如，如果過程設(shè)定值介于5.0~6.0mTorr之間，并且所需的壓力讀數(shù)精度為0.5mTorr，則所需的測量精度為讀數(shù)的10%，或者，對(duì)于100mTorr的電容壓力計(jì)，為滿量程的0.5%。如果選定的壓力計(jì)或真空計(jì)不能達(dá)到這一精度水平，則無法將真空過程控制在所需的過程區(qū)間內(nèi)。

用作閉環(huán)壓力和真空度控制的壓力計(jì)或真空計(jì)輸入信號(hào)必須具有足夠的分辨率，以辨別過程中非常小的壓力變化。同時(shí)，回路中的壓力和真空度控制器和控制閥也必須具有必要的分辨率，以便有效地利用這些數(shù)據(jù)來控制壓力的微小變化。很多用戶往往只重視了壓力或真空計(jì)的選擇和相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，而忽視了控制器以及控制閥的分辨率指標(biāo)，這基本是造成控制精度達(dá)不到要求或波動(dòng)度較大的主要原因。

4.1. 壓力計(jì)和真空計(jì)的選擇

選擇壓力計(jì)和真空計(jì)的第一個(gè)考慮因素是滿量程壓力和真空度范圍。為了獲得良好的測量精度，真空計(jì)范圍應(yīng)與待測量的預(yù)期壓力或真空范圍相匹配。理想情況下，壓力計(jì)范圍應(yīng)包含最高預(yù)期壓力，這將最大化輸出信號(hào)（模擬）并提高信噪比。如考慮在5mTorr和80mTorr之間操作的真空過程，該過程的最佳壓力計(jì)（如電容壓力計(jì)）的滿量程范圍為100mTorr。如果采用電容壓力計(jì)，則該傳感器在最小預(yù)期壓力下的模擬輸出為滿量程的5%，在低壓下提供良好的精度和高信噪比，同時(shí)保持足夠的范圍來測量高系統(tǒng)壓力。雖然滿量程為1Torr的電容壓力計(jì)也適用于這種應(yīng)用，但在5mTorr時(shí)的模擬輸出將減少10倍，信號(hào)強(qiáng)度的這種變化將大大降低信噪比，降低讀數(shù)精度。

　　許多商品化的壓力計(jì)將其輸出作為模擬信號(hào)發(fā)送給主機(jī)、過程控制器或數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，輸出信號(hào)有多種形式，如0~10V直流電、0~5V直流電、0~1V直流電和4~20mA是最常見形式。在大多數(shù)格式中，輸出與壓力成線性關(guān)系，使得壓力計(jì)的輸出易于在軟件中縮放。

4.2. 壓力計(jì)和真空計(jì)信號(hào)的輸出和采集

各種測量原理的壓力計(jì)和真空計(jì)，其信號(hào)輸出一般為模擬量，大多為連續(xù)的直流電壓信號(hào)。為了將這些模擬信號(hào)直接以數(shù)字信號(hào)輸出，或在控制過程中用控制器和數(shù)據(jù)記錄儀采集這些模擬信號(hào)，都需要根據(jù)要求對(duì)這些模擬信號(hào)有足夠高的采集精度，也就是說目標(biāo)壓力信號(hào)的模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換必須具有足夠的分辨率，以將信號(hào)與壓力計(jì)的正常背景噪聲區(qū)分開來。例如，壓力計(jì)信號(hào)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換將區(qū)分壓力計(jì)滿量程模擬輸出0.02%的最小信號(hào)。對(duì)于1Torr全刻度壓力計(jì)，這意味著不能檢測到小于0.2mTorr的壓力或壓力變化。在假設(shè)壓力計(jì)和真空計(jì)的模擬輸出為0~10V直流時(shí)，表4-1顯示了各種壓力計(jì)的最小可分辨壓力與模數(shù)轉(zhuǎn)換精度的關(guān)系。

表4-1 常見（A/D）模數(shù)分辨率下的最小可分辨壓力（滿量程測量范圍為0~10V直流）

從上表可以看出，將壓力計(jì)輸出和所需過程測量精度與主機(jī)、數(shù)據(jù)記錄器或控制器的分辨率相匹配非常重要。例如，如果過程在滿量程范圍的1.0%下運(yùn)行，壓力計(jì)的滿量程輸出為10.000V直流信號(hào)，主機(jī)必須能夠可靠地辨別100mV模擬信號(hào)。因此，A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要至少12位分辨率才能在其大部分測量范圍內(nèi)使用壓力計(jì)。更高位的分辨率允許在最低壓力下提高壓力計(jì)測量的分辨率。表4-1顯示了不同A/D分辨率下的最小可分辨模擬信號(hào)。上海依陽實(shí)業(yè)有限公司的壓力和真空度控制器都提供至少16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換，能夠解析低至0.4mV的信號(hào)，也可以根據(jù)需要提供更高位數(shù)的模式轉(zhuǎn)換及相應(yīng)的控制器。

4.3. 壓力和真空度的閉環(huán)控制

在微小變化的壓力和真空度閉環(huán)工作過程中，需要將壓力計(jì)的量程選擇至少要限制少整整十倍。如考慮在5mTorr下使用壓力計(jì)控制過程的情況，100mTorr滿量程壓力計(jì)是可以使用的最大壓力范圍。事實(shí)上，較低的滿量程范圍設(shè)備將是一個(gè)更好的選擇，因?yàn)樗鼈兲峁└叩妮敵鲂盘?hào)，更容易檢測和解決，這將提高壓力控制的精度。表4-2給出了一些常見電容壓力計(jì)真空范圍的最小建議控制壓力。

表4-2 滿量程壓力計(jì)范圍的最低控制壓力

5. 結(jié)論

壓力計(jì)和真空計(jì)是許多工藝過程和測試系統(tǒng)應(yīng)用中壓力/真空測量的常用傳感器，為了在準(zhǔn)確性和精確性方面實(shí)現(xiàn)最大性能，必須考慮并正確選擇壓力計(jì)特性。這些包括壓力計(jì)固有的電子特性，如量程和靈敏度。另外，使用這些壓力計(jì)信號(hào)的任何系統(tǒng)，必須匹配合理的模/數(shù)（A/D）測量精度。當(dāng)然，一般而言，模數(shù)精度越高，造價(jià)越高，體積越大。