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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。另一個指標(biāo)是“水的英寸高度”，該指標(biāo)通常用于報告美國天氣預(yù)報中的氣壓，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），有時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以千帕斯卡（kPa）為單位進(jìn)行報告。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。

　　（3）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。它們采用了一個薄隔膜，其背面裝有應(yīng)變感應(yīng)電子電路。壓力的變化會引起膜片偏轉(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。

　?。?）柱規(guī)：它們使用液體，其在封閉柱中的高度會隨壓力而變化。

　　（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，很多用戶對如何評價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)。

　　（1）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)。

　?。?）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輸出的型號，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，而不是壓力計和真空計的分辨率。

（6）零位和零位偏移：零位是指將壓力計的輸出調(diào)整為在（a）系統(tǒng)中可獲得的最低壓力或（b）低于電容式壓力計分辨率的壓力下讀取零時發(fā)生的情況。經(jīng)過一段使用時間后，零位置可能會發(fā)生變化，從而改變壓力表的位置并在壓力計的整體輸出中產(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的分辨率，則可以將壓力計的輸出調(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)際的壓力計校準(zhǔn)。

　　從表2-2可以看出，電容式壓力/真空計的測量準(zhǔn)確性最高，因此電容式真空計通常作為其他類型壓力計的參考設(shè)備（即用來校準(zhǔn)其他產(chǎn)品）。如對于無加熱功能的的1000Torr電容壓力計的準(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壓力計的讀數(shù)精度為5~25％，電容式真空計的準(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，對于100mTorr的電容壓力計，為滿量程的0.5%。如果選定的壓力計或真空計不能達(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或真空計輸入信號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，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)不到要求或波動度較大的主要原因。

4.1. 壓力計和真空計的選擇

選擇壓力計和真空計的第一個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，壓力計范圍應(yīng)包含最高預(yù)期壓力，這將最大化輸出信號（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（如電容壓力計）的滿量程范圍為100mTorr。如果采用電容壓力計，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的電容壓力計也適用于這種應(yīng)用，但在5mTorr時的模擬輸出將減少10倍，信號強(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將其輸出作為模擬信號發(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，使得壓力計的輸出易于在軟件中縮放。

4.2. 壓力計和真空計信號的輸出和采集

各種測量原理的壓力計和真空計，其信號輸出一般為模擬量，大多為連續(xù)的直流電壓信號。為了將這些模擬信號直接以數(shù)字信號輸出，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，都需要根據(jù)要求對這些模擬信號有足夠高的采集精度，也就是說目標(biāo)壓力信號的模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換必須具有足夠的分辨率，以將信號與壓力計的正常背景噪聲區(qū)分開來。例如，壓力計信號的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換將區(qū)分壓力計滿量程模擬輸出0.02%的最小信號。對于1Torr全刻度壓力計，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)壓力計和真空計的模擬輸出為0~10V直流時，表4-1顯示了各種壓力計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，壓力計的滿量程輸出為10.000V直流信號，主機(jī)必須能夠可靠地辨別100mV模擬信號。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。更高位的分辨率允許在最低壓力下提高壓力計測量的分辨率。表4-1顯示了不同A/D分辨率下的最小可分辨模擬信號。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，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下使用壓力計控制過程的情況，100mTorr滿量程壓力計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)備將是一個更好的選擇，因?yàn)樗鼈兲峁└叩妮敵鲂盘枺菀讬z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真空范圍的最小建議控制壓力。

表4-2 滿量程壓力計范圍的最低控制壓力

5. 結(jié)論

壓力計和真空計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特性。這些包括壓力計固有的電子特性，如量程和靈敏度。另外，使用這些壓力計信號的任何系統(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，造價越高，體積越大。