摘要：本文詳細介紹了真空系統中壓力和真空度測量和控制的基本概念已經常用的技術指標，詳細介紹了模/數轉換精度應壓力和真空度測量解析度的匹配，介紹了採用不同量程電容壓力計進行真空度控制的最小建議範圍。
1. 問題的提出
在各種真空工藝和測試系統的真空容器中，容器內部的氣體壓力或真空度的準確測量控制對於保證產品品質和儀器測量精度至關重要。由此在氣壓或真空度控制過程中，需要根據容器內的真空度穩定性要求來確定控制方式和真空度採集精度，據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的基本概念，並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中，需要清晰的了解不同壓力指標的含義。
通常用於真空測量的度量單位是託（Torr），等於1mmHg，它表示將汞的沉沒柱高度提高1.0mm所需的大氣壓力，一個標準大氣壓力等於760Torr。在一些真空系統的真空測量中使用Torr的衍生單位毫託或1/1000Torr。大於1.0毫託的真空度通常用科學計數法表示（例如5.0E-06 Torr），在歐洲和亞洲常用的真空系統中的真空和氣象測量通常將條形圖分為1/1000，以產生毫巴（mbar）。
在美國常用的壓力度量標準是psi或「磅/平方英寸」，使用此度量標準，海平面上的大氣壓力測量值為14.69psi。為了進行比較，歐洲和亞洲的壓力測量將大氣壓力定義為1.0bar。另一個指標是「水的英寸高度」，該指標通常用於報告美國天氣預報中的氣壓，單位是指由大氣壓支撐的水下水柱的高度。使用此度量標準，大氣壓為406.8英寸水柱（在4°C時），有時此度量單位用於工業過程中的真空測量。
壓力的國際單位制量度為Pascal（縮寫為Pa），以法國數學家和物理學家Blaise Pascal命名，它被定義為單位面積上的力的度量，等於每平方米一牛頓。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採用傳感器，這些傳感器所組成的壓力表和真空表根據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）機械規：這類儀表使用某種形式的機械聯動裝置或膜片裝置，無需任何電子器件，僅依靠機械式的移動來指示壓力或真空度。因為無需帶電運行，所以這類儀表常用於壓力和真空系統的安全性指示，即使在系統斷電情況下也能大致了解腔體內的情況。
（2）熱導規：通常稱為皮拉尼、熱偶和對流表，其作用原理是氣體的導熱係數隨壓力而變化，電熱絲是平衡電子電路中的傳感元件。由於熱絲的熱損失率隨氣體的導熱係數而變化，因此也會隨著腔體內氣體壓力和真空度而發生改變，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）應變規：這是一類基於應變的壓力測量儀表，常用於正壓測量。它們採用了一個薄隔膜，其背面裝有應變感應電子電路。壓力的變化會引起膜片偏轉，從而產生應變，該應變被傳感器檢測到。
（4）電容規：常用於壓力/真空測量，它們依賴於隔膜和通電電極之間電容的變化。
（5）柱規：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：取決於周圍氣體分子的電離和相應離子電流的測量。離子電流與腔室內的真空壓力直接相關。
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指標
與其他物理量測量中存在的現象類似，很多用戶對如何評價壓力和真空儀表存在模糊的概念，因此這裡簡要說明壓力和真空儀表的常用技術指標。
（1）參考標準：一種非常準確的壓力或真空測量儀器，用於校準其他此類儀器。
（2）精確度：壓力或真空儀表和用於校準的參考標準之間的絕對測量差。常用是以讀數的百分比或滿量程的百分比為單位來表達。
（3）線性度：與大多數其他傳感器類似，壓力和真空儀表（無論是數字還是模擬形式）都以設計為線性化輸出作為達到理想狀況的標準。線性度是衡量電子設備完成這項任務的程度——通常指定為滿量程的百分比。
（4）重複性：衡量壓力和真空儀表在多個不同過程運行期間，在相同壓力下能達到相同輸出的接近程度。一些儀表製造商在技術指標中包括了重複性，但並非全部都如此。如果沒有特別註明，用戶應要求供應商提高該指標。
（5）解析度：壓力和真空儀表可以實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，並且需要數字輸入，則幾乎總是需要高解析度的模/數轉換（至少14位），否則A/D解析度將決定壓力和真空測量的解析度，而不是壓力計和真空計的解析度。
（6）零位和零位偏移：零位是指將壓力計的輸出調整為在（a）系統中可獲得的最低壓力或（b）低於電容式壓力計解析度的壓力下讀取零時發生的情況。經過一段使用時間後，零位置可能會發生變化，從而改變壓力表的位置並在壓力計的整體輸出中產生偏移，因此必須除去這種偏移以獲得可接受的精度。如果系統達到的基本壓力低於壓力計的解析度，則可以將壓力計的輸出調整為最小輸出。但是，如果最小系統壓力高於壓力計的解析度，則必須使用永久零偏移量來確定正確的系統壓力。零偏移或零漂移的存在並不總是表明設備需要重新校準，因為零位置的變化僅很少影響實際的壓力計校準。
從表2-2可以看出，電容式壓力/真空計的測量準確性最高，因此電容式真空計通常作為其他類型壓力計的參考設備（即用來校準其他產品）。如對於無加熱功能的的1000Torr電容壓力計的準確度指標（包括重複性）約為讀數的0.25%，相比之下，相同量程的皮拉尼或熱偶壓力計的讀數精度為5~25％，電容式真空計的準確度是它們的100倍。
4. 高精度壓力和真空度控制的實現
對於與真空相關的各種系統中，在指定的壓力和真空度區間內進行精確測量和控制至關重要。例如，如果過程設定值介於5.0~6.0mTorr之間，並且所需的壓力讀數精度為0.5mTorr，則所需的測量精度為讀數的10%，或者，對於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間內。
用作閉環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解析度，以辨別過程中非常小的壓力變化。同時，迴路中的壓力和真空度控制器和控制閥也必須具有必要的解析度，以便有效地利用這些數據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解析度指標，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範圍。為了獲得良好的測量精度，真空計範圍應與待測量的預期壓力或真空範圍相匹配。理想情況下，壓力計範圍應包含最高預期壓力，這將最大化輸出信號（模擬）並提高信噪比。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）的滿量程範圍為100mTorr。如果採用電容壓力計，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，同時保持足夠的範圍來測量高系統壓力。雖然滿量程為1Torr的電容壓力計也適用於這種應用，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，降低讀數精度。
許多商品化的壓力計將其輸出作為模擬信號發送給主機、過程控制器或數據記錄設備，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。在大多數格式中，輸出與壓力成線性關係，使得壓力計的輸出易於在軟體中縮放。
4.2. 壓力計和真空計信號的輸出和採集
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，大多為連續的直流電壓信號。為了將這些模擬信號直接以數位訊號輸出，或在控制過程中用控制器和數據記錄儀採集這些模擬信號，都需要根據要求對這些模擬信號有足夠高的採集精度，也就是說目標壓力信號的模擬/數字（A/D）轉換必須具有足夠的解析度，以將信號與壓力計的正常背景噪聲區分開來。例如，壓力計信號的12位模數轉換將區分壓力計滿量程模擬輸出0.02%的最小信號。對於1Torr全刻度壓力計，這意味著不能檢測到小於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轉換精度的關係。
表4-1 常見（A/D）模數解析度下的最小可分辨壓力（滿量程測量範圍為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、數據記錄器或控制器的解析度相匹配非常重要。例如，如果過程在滿量程範圍的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數據採集系統需要至少12位解析度才能在其大部分測量範圍內使用壓力計。更高位的解析度允許在最低壓力下提高壓力計測量的解析度。表4-1顯示了不同A/D解析度下的最小可分辨模擬信號。上海依陽實業有限公司的壓力和真空度控制器都提供至少16位的模數轉換，能夠解析低至0.4mV的信號，也可以根據需要提供更高位數的模式轉換及相應的控制器。
4.3. 壓力和真空度的閉環控制
在微小變化的壓力和真空度閉環工作過程中，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範圍。事實上，較低的滿量程範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範圍的最小建議控制壓力。
表4-2 滿量程壓力計範圍的最低控制壓力
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最大性能，必須考慮並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，必須匹配合理的模/數（A/D）測量精度。當然，一般而言，模數精度越高，造價越高，體積越大。