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真空系統(tǒng)中壓力和真空度測(cè)量和控制的基本概念

2.2. 壓力和真空傳感器

壓力和真空的測(cè)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(cè)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)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(cè)量?jī)x表,常用于正壓測(cè)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(cè)到。

(4)電容規(guī):常用于壓力/真空測(cè)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(cè)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(cè)量要求。

表2-2 主要類型壓力表的性能比較

徹底講清如何在真空系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)壓力和真空度的準(zhǔn)確測(cè)量和控制

3. 壓力和真空儀表常用技術(shù)指標(biāo)

與其他物理量測(cè)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(jiǎn)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(cè)量?jī)x器,用于校準(zhǔn)其他此類儀器。

(2)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(cè)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)。

(5)分辨率:壓力和真空儀表可以實(shí)際測(cè)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(cè)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(cè)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。

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