4． 高精度压力和真空度控制的实现

对于与真空相关的各种系统中，在指定的压力和真空度区间内进行精确测量和控制至关重要。例如，如果过程设定值介于5．0～6．0mTorr之间，并且所需的压力读数精度为0．5mTorr，则所需的测量精度为读数的10％，或者，对于100mTorr的电容压力计，为满量程的0．5％。如果选定的压力计或真空计不能达到这一精度水平，则无法将真空过程控制在所需的过程区间内。

用作闭环压力和真空度控制的压力计或真空计输入信号必须具有足够的分辨率，以辨别过程中非常小的压力变化。同时，回路中的压力和真空度控制器和控制阀也必须具有必要的分辨率，以便有效地利用这些数据来控制压力的微小变化。很多用户往往只重视了压力或真空计的选择和相应的技术指标，而忽视了控制器以及控制阀的分辨率指标，这基本是造成控制精度达不到要求或波动度较大的主要原因。

4．1． 压力计和真空计的选择

选择压力计和真空计的第一个考虑因素是满量程压力和真空度范围。为了获得良好的测量精度，真空计范围应与待测量的预期压力或真空范围相匹配。理想情况下，压力计范围应包含最高预期压力，这将最大化输出信号（模拟）并提高信噪比。如考虑在5mTorr和80mTorr之间操作的真空过程，该过程的最佳压力计（如电容压力计）的满量程范围为100mTorr。如果采用电容压力计，则该传感器在最小预期压力下的模拟输出为满量程的5％，在低压下提供良好的精度和高信噪比，同时保持足够的范围来测量高系统压力。虽然满量程为1Torr的电容压力计也适用于这种应用，但在5mTorr时的模拟输出将减少10倍，信号强度的这种变化将大大降低信噪比，降低读数精度。

许多商品化的压力计将其输出作为模拟信号发送给主机、过程控制器或数据记录设备，输出信号有多种形式，如0～10V直流电、0～5V直流电、0～1V直流电和4～20mA是最常见形式。在大多数格式中，输出与压力成线性关系，使得压力计的输出易于在软件中缩放。

4．2． 压力计和真空计信号的输出和采集

各种测量原理的压力计和真空计，其信号输出一般为模拟量，大多为连续的直流电压信号。为了将这些模拟信号直接以数字信号输出，或在控制过程中用控制器和数据记录仪采集这些模拟信号，都需要根据要求对这些模拟信号有足够高的采集精度，也就是说目标压力信号的模拟／数字（A／D）转换必须具有足够的分辨率，以将信号与压力计的正常背景噪声区分开来。例如，压力计信号的12位模数转换将区分压力计满量程模拟输出0．02％的最小信号。对于1Torr全刻度压力计，这意味着不能检测到小于0．2mTorr的压力或压力变化。在假设压力计和真空计的模拟输出为0～10V直流时，表4－1显示了各种压力计的最小可分辨压力与模数转换精度的关系。

表4－1 常见（A／D）模数分辨率下的最小可分辨压力（满量程测量范围为0～10V直流）

从上表可以看出，将压力计输出和所需过程测量精度与主机、数据记录器或控制器的分辨率相匹配非常重要。例如，如果过程在满量程范围的1．0％下运行，压力计的满量程输出为10．000V直流信号，主机必须能够可靠地辨别100mV模拟信号。因此，A／D数据采集系统需要至少12位分辨率才能在其大部分测量范围内使用压力计。更高位的分辨率允许在最低压力下提高压力计测量的分辨率。表4－1显示了不同A／D分辨率下的最小可分辨模拟信号。上海依阳实业有限公司的压力和真空度控制器都提供至少16位的模数转换，能够解析低至0．4mV的信号，也可以根据需要提供更高位数的模式转换及相应的控制器。

4．3． 压力和真空度的闭环控制

在微小变化的压力和真空度闭环工作过程中，需要将压力计的量程选择至少要限制少整整十倍。如考虑在5mTorr下使用压力计控制过程的情况，100mTorr满量程压力计是可以使用的最大压力范围。事实上，较低的满量程范围设备将是一个更好的选择，因为它们提供更高的输出信号，更容易检测和解决，这将提高压力控制的精度。表4－2给出了一些常见电容压力计真空范围的最小建议控制压力。

表4－2 满量程压力计范围的最低控制压力

5． 结论

压力计和真空计是许多工艺过程和测试系统应用中压力／真空测量的常用传感器，为了在准确性和精确性方面实现最大性能，必须考虑并正确选择压力计特性。这些包括压力计固有的电子特性，如量程和灵敏度。另外，使用这些压力计信号的任何系统，必须匹配合理的模／数（A／D）测量精度。当然，一般而言，模数精度越高，造价越高，体积越大。