4． 高精度壓力和真空度控制的實現(xiàn)

對于與真空相關的各種系統(tǒng)中，在指定的壓力和真空度區(qū)間內(nèi)進行精確測量和控制至關重要。例如，如果過程設定值介于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的技術指標，而忽視了控制器以及控制閥的分辨率指標，這基本是造成控制精度達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，真空計范圍應與待測量的預期壓力或真空范圍相匹配。理想情況下，壓力計范圍應包含最高預期壓力，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用，但在5mTorr時的模擬輸出將減少10倍，信號強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、過程控制器或數(shù)據(jù)記錄設備，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，也就是說目標壓力信號的模擬／數(shù)字（A／D）轉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)轉換精度的關系。

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、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％下運行，壓力計的滿量程輸出為10．000V直流信號，主機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)的模式轉換及相應的控制器。

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。事實上，較低的滿量程范圍設備將是一個更好的選擇，因為它們提供更高的輸出信號，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． 結論

壓力計和真空計是許多工藝過程和測試系統(tǒng)應用中壓力／真空測量的常用傳感器，為了在準確性和精確性方面實現(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。當然，一般而言，模數(shù)精度越高，造價越高，體積越大。