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(cè)量和控制至關(guān)重要。例如，如果過(guò)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(cè)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(wú)法將真空過(guò)程控制在所需的過(guò)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(guò)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(lái)控制壓力的微小變化。很多用戶(hù)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(cè)量精度，真空計(jì)范圍應(yīng)與待測(cè)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(guò)程，該過(guò)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(lái)測(cè)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(guò)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(jiàn)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(cè)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(guò)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(shuō)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(kāi)來(lái)。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(cè)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(jiàn)（A／D）模數(shù)分辨率下的最小可分辨壓力（滿量程測(cè)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(guò)程測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(yáng)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(guò)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(guò)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└�高的輸出信�?hào)，更容易檢測(cè)和解決，這將提高壓力控制的精度。表4－2給出了一些常見(jiàn)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(guò)程和測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用中壓力／真空測(cè)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(cè)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。