具有包括eeprom的低功率微控制器的過程分析傳感器的製作方法

2023-06-13 22:03:56 3

專利名稱：具有包括eeprom的低功率微控制器的過程分析傳感器的製作方法
具有包括EEPROM的低功率微控制器的過程分析傳感器
背景技術：
過程分析傳感器一般被配置為耦合到給定過程，比如煉油過程或製藥製造過程， 並提供與該過程相關的分析輸出。這種分析輸出的示例包括但不限於pH的測量、氧化還原電勢的測量、選擇性離子測量、以及溶解氣體(比如溶解氧)的測量。然後可以向控制系統提供這些分析測量，使得可以基於該分析測量來影響和/或調整過程控制。這種傳感器一般是連續地、或基本上連續地暴露給過程介質。過程分析傳感器工作所處的環境有時是揮發性的或甚至是爆炸性的。為了確保傳感器及相關電子設備不在這種揮發性環境中產生點燃源，能量存儲和/或放電速率一般受到限制。本質安全要求闡述了確保符合其的電子設備在揮發性或爆炸性過程環境中不產生點燃源的規範。如果在包含爆炸性氣體的環境中正確安裝儀器，則本質安全要求意在保證儀器操作或故障不能引起點燃。這是通過限制在最糟糕的故障情況下在過程分析設備中存儲的最大能量來實現的。過多的能量放電可能導致能夠點燃過程分析設備工作所處的爆炸性環境的電火花或過熱。本質安全要求的示例包括European CENELEC Standards (歐洲CENELEC標準)、 EN 500014 和 50020、Factory Mutual Mandard(工廠共同標準)、FM 3610、Canadian Standard Association (力口拿大標準聯盟)、British Approval Service for Electrical Equipment Inflammable Atmospheres (英國易燃氣體中電氣設備認可月艮務)、Japanese Industrial Standard( H^X^lkfe^ ) > UR Standards Association of Australia( 洲標準聯盟)。為了確保嚴格遵守自動化工業安全協議和規範，在這種位置上僅可以使用由獨立機構認證的設備。由於一般在這種揮發性環境中使用過程分析傳感器和設備，因此極其需要將這種設備設計為滿足本質安全要求，或至少提供本質安全符合的選項。過程分析傳感器當前正在經歷技術的巨大變遷。之前，模擬過程分析傳感器(比如PH傳感器)將與分析器配合，然後執行一系列校準步驟以實質上校準傳感器/分析器裝置。如果然後將PH傳感器移動到不同的分析器，則需要重複整個過程。儘管這種過程分析傳感器具有模擬屬性，一些過程分析傳感器確實包括模擬前置放大器電路，以向分析器提供魯棒的信號。最近的革新來自使用傳感器本身中的數字電子裝置。這些新的「智能」過程分析傳感器能夠與分析器進行數字通信。然而，為了方便工業界接受這種傳感器，傳感器本身應當依然能夠以之前基於模擬的傳感器的功率預算和信令電平來進行操作。這引起了在本質安全要求、工業接受的功率預算以及由傳感器本身中的數字電路提供的新的特徵組之間平衡的困難。在這些各種設計考量因素之間實現有用的平衡將提供更容易滿足工業許可的智能過程分析傳感器。

發明內容
本發明提供一種過程分析傳感器。所述過程分析傳感器包括能耦合到過程的過程分析感測單元。所述過程分析感測單元具有隨著所述過程的分析方面而改變的電特性。將微控制器置於所述過程分析傳感器中，且將所述微控制器耦合到所述過程分析感測單元， 以檢測所述電特性，並基於所檢測到的特性來提供分析信號。能夠在小至0. 5毫安上操作所述微控制器，且所述微控制器包括能夠在所述微控制器在小至0. 5毫安上操作時能夠被寫入的電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)。


圖1是根據本發明的實施例的耦合到過程分析傳感器的過程分析器的概略圖。圖2是根據本發明的實施例的耦合到過程分析傳感器的過程分析器的系統框圖。圖3是根據本發明的實施例的耦合到功率存儲/充電電路的示例微控制器的系統框圖。圖4是根據本發明的實施例的將數據寫入到過程分析傳感器的存儲器中的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1是過程分析系統的概略圖，在該過程分析系統中，本發明的實施例是特別有用的。系統10包括經由纜線16耦合到過程分析傳感器14的過程分析器12。在圖1所示的實施例中，過程分析傳感器14是插入型過程分析pH傳感器。然而，可以用任何過程分析傳感器來實現本發明的實施例。過程分析傳感器14被配置為插入到過程中，或以其他方式耦合到過程上，使得傳感器14感測分析特徵，比如pH，並提供其電子指示。由分析器12接收電子指示，然後分析器12應用適合的信號調節和/或計算，以確定過程分析輸出。然後在顯示器18上指示過程分析輸出，或將過程分析輸出傳遞給某個其他適合的設備或實體。 在一些實施例中，可以將傳感器分析器12耦合到已知的4-20mA電流環路上，並從環路接收其全部操作功率。在這種情況下，可以用於向傳感器14供電的電流量受到極大的限制。例如，傳感器14應當以小至0. 5mA操作。此外，在這種設施中，低功率要求有時是本質安全的整體要求中的一部分。因此，在這種實施例中，傳感器14中的總電容也是受限的。例如，傳感器14中的總電容應當是大約0. 255 μ F或者小於大約0. 255 μ F。儘管這些設計限制對過去的基於模擬的過程分析傳感器沒有太顯著的影響，但是它們嚴重地限制了操作過程分析傳感器14中的數字電路的能力。如果數字電路要消耗過多的功率(例如，超過0.5毫安)， 則錯誤或其他有害效果可能隨之而來。在過程分析傳感器中提供數字電路提供了大量的優點。例如，可以由製造商將每次把傳感器與分析器配對時一般要產生的所需的過程分析傳感器校準信息簡單地加載到過程分析傳感器中。因此，過程分析傳感器可以將其校準信息簡單地上載或以其他方式發送到其所耦合的任何分析器。這樣，減少了大量的校準設置時間。此外，假如用戶希望在將過程分析傳感器耦合到第一分析器時執行附加的校準，可以在過程分析傳感器本身中存儲校準信息或以其他方式保存，使得如果稍後將傳感器耦合到第二分析器，則可以將信息發送或提供給第二分析器。此外，可以在傳感器本身中保存針對傳感器的用戶專用和/或應用專用的數據，從而方便用戶設置。最後，在傳感器14中提供數字電子裝置允許傳感器14 執行診斷操作，並可能將診斷信息傳輸回分析器。因此，可以由過程分析傳感器本身來確定對重新校準和/或維護的潛在需要，且可以將這種信息作為警報或其他適合的指示傳輸給
4分析器。因此，在過程分析傳感器14中提供數字電子裝置，且具體地是微控制器，相對於傳統基於模擬的過程分析傳感器提供了無數的新特徵。圖2是圖1所示的過程分析系統10的系統框圖。分析器12包括耦合到纜線16 的智能信號卡或模塊20。模塊20 —般包括專用微控制器，以處理通過纜線16與傳感器14 的微控制器22的數字通信。在一個實施例中，微控制器20是由San Jose, California的 Atmel Corporation銷售的具有商業名稱ATmegaSS的微控制器。通過纜線16的通信優選地符合在微控制器之間的已知的通信技術。過程分析傳感器14包括經由纜線16耦合到微控制器20的過程分析傳感器微控制器22。微控制器20優選地是基於AVR增強RISC架構的低功率CMOS 8比特微控制器。 微控制器22被配置為以極低功率預算操作。例如，微控制器22以小至0.5毫安操作，並包括有助於實現符合本質安全要求的電路。例如，在所示實施例中，過程分析傳感器14中的所有電容器的總電容之和不超過0. 255 μ F。在一個實施例中，微控制器22是由Atmel Corporation銷售的具有商業名稱ATtiny84的微控制器。過程分析傳感器14的一個設計挑戰是作為具有顯著功率限制(0.5毫安)的雙線儀器來操作。微控制器22的具有挑戰的一個特定操作是向微控制器22中的電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)寫入數據。儘管可以在0. 5毫安讀取過程中完成讀取數據，向EEPROM寫入數據要求比0. 5毫安電源中可用的電流高大約20倍的電流。這是由於EEPROM在數據的寫入過程中使用更高的能量這一事實。如果在沒有功率限制考量的情況下嘗試向EEPROM寫入數據，則這可能引起過程分析傳感器14從傳感器14可能的重置到傳感器14的整個關閉或故障的顯著問題。根據本發明的實施例，在0. 5毫安電流預算內完成向微控制器22中的EEPROM寫入。把要寫入到EEPROM中的數據劃分為小的分組，比如單個字節，且在微控制器22中的本地電容中存儲用於寫入每個分組所需的能量。在每個分組之後的寫入暫停足夠長的時間， 以針對下一個分組對本地電容進行再充電。將分組以相同方式放置在已映射的EEPROM中， 就好像以連續模式完成寫入。微控制器22耦合到過程分析傳感器單元M，該過程分析傳感器單元M具有隨著感興趣的過程分析變量而改變的電特性。在圖2所示實施例中，單元M是？!1電極，其具有隨著過程分析傳感器14所浸入的過程介質的pH而變化的電特性。由微控制器22對該電特性進行換能或以其他方式進行確定，並將其通過纜線16傳遞給分析器12的微控制器20。包括數字電路在內的傳感器(比如過程分析傳感器14)有助於消除對現場校準的需要，因為將已測試的校準數據嵌入到傳感器的存儲器中。然後分析器12自動讀取該校準信息，提供立刻的現場過程測量。這節約了大量資源，並相信其為端用戶提供了顯著的優點。可以在各種分析器中提供讀取已嵌入的校準信息的能力。包括這種數字電路的一個過程分析傳感器是由Emerson Process Management銷售的具有商業名稱PERpH-X pH傳感器的過程分析傳感器。圖3是根據本發明的實施例的耦合到功率存儲/充電電路的示例微控制器的系統框圖。微控制器22耦合到包括適合的限流電路在內的電源模塊50，以確保過程分析傳感器 14不消耗過多功率。在一個實施例中，模塊50確保過程分析傳感器14不汲取超過0. 5毫安。模塊50耦合到功率存儲設備52，該功率存儲設備優選地是電容器。在一些本質安全實施例中，可以將功率存儲電容器的值選擇為在0. 255 μ F和過程分析傳感器14中的所有其他電容器的所有電容之和之間的差值。無論如何，功率存儲設備52具有充足電容，用於存儲足夠能量以允許微控制器22向EEPROM M寫入至少一個字節的信息。在寫入操作期間， 微控制器22將大量消耗多於過程分析傳感器14經由纜線16可用的電流。由在微控制器未汲取多於0.5毫安時存儲了額外電流的功率存儲設備52來提供該附加電流。微控制器 22耦合到功率存儲設備52，並能夠確定何時存儲了足夠的能量用於寫入操作。在一個實施例中，微控制器22可以包括能夠測量跨功率存儲設備52的電壓的模數轉換器。圖4是根據本發明的實施例向過程分析傳感器中的微控制器的EEPROM存儲器寫入數據的方法的流程圖。方法30開始於塊32，其中，獲得要寫入到EEPROM存儲器的數據。 該數據可以是校準數據、用戶專用數據、應用數據、或用戶希望嵌入到過程分析傳感器14 中的任何適合的數據。接下來，在塊34，將數據拆分為可寫入的分組。可寫入分組是足夠小的、可使用在微控制器22中的本地電容器中存儲的能量完整寫入的分組。因此，可寫入分組的大小將根據電容器的大小而改變。在本質安全實施例中，過程分析傳感器14中的、且具體地在微控制器22中的所有電容器的整體電容不超過0. 25 μ F。因此，儘管寫入操作將消耗比過程分析傳感器可用電流多20倍的電流，可以在本地電容器中存儲用於寫入操作的能量，且在能量足以寫入可寫入分組時，可以對本地電容器進行放電，且該放電能量可用於寫入操作。在優選實施例中，可寫入分組是單個字節的數據。在塊36，使用用於寫入單個可寫入分組的充足能量對過程分析傳感器14中的一個或多個電容器充電。一旦存儲了充足的能量，方法30進行至寫入單個分組的塊38。通過測量跨一個或多個電容器的電壓並將已測量的電壓與所選閾值進行比較來實現對是否已存儲了充足能量的確定。備選地，可以執行持續所選時間段的充電過程，因為可以假定最小電流汲取(0.5毫安)並將其乘以已知的充電速率。接下來，在塊40，方法確定是否已寫入了所有可寫入分組。如果是，則方法結束。然而，如果有剩餘的附加分組，則控制沿著線42返回塊36，其中，存儲附加能量以寫入下一個分組。方法循環直到已將所有可寫入分組寫入EEPR0M。儘管已通過優選實施例描述了本發明，本領域技術人員將認識到可以在不脫離本發明的精神和範圍的情況下對形式和細節做出改變。
權利要求
1.一種過程分析傳感器，包括過程分析感測單元，所述過程分析感測單元能耦合到過程，並具有隨著所述過程的分析方面而改變的電特性；微控制器，置於所述過程分析傳感器中，所述微控制器耦合到所述過程分析感測單元， 以感測所述電特性，並基於所感測到的特性來提供分析信號；其中，能夠以小至0. 5毫安來操作所述微控制器，且所述微控制器包括能夠在所述微控制器以小至0. 5毫安操作時能夠被寫入的電可擦除可編程只讀存儲器EEPR0M。
2.根據權利要求1所述的過程分析傳感器，其中，所述EEPROM存儲校準數據。
3.根據權利要求1所述的過程分析傳感器，其中，所述過程分析感測單元是PH感測單元。
4.根據權利要求1所述的過程分析傳感器，其中，所述微控制器是CMOS微控制器。
5.根據權利要求4所述的過程分析傳感器，其中，所述CMOS微控制器是8比特微控制器。
6.根據權利要求1所述的過程分析傳感器，其中，所述過程分析傳感器是本質安全的。
7.一種用於向過程分析傳感器中的電可擦除可編程只讀存儲器EEPROM寫入的方法， 所述方法包括獲得要寫入所述EEPROM中的一些數據； 將所述一些數據拆分為可寫入分組； 將至少一個本地電容器充電到預先選擇的電平； 向所述EEPROM中寫入單一可寫入分組；以及重複對所述至少一個本地電容器充電的步驟以及寫入單個分組的步驟，直到已向所述 EEPROM中寫入了所有可寫入分組。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述一些數據是針對所述過程分析傳感器的校準數據。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述校準數據是PH傳感器校準數據。
10.根據權利要求7所述的方法，其中，在所述過程分析傳感器的微控制器中包含所述 EEPROM。
11.根據權利要求7所述的方法，其中，所述至少一個本地電容器具有小於大約 0. 255 μ F的電容。
12.根據權利要求7所述的方法，其中，每個可寫入分組的大小取決於所述至少一個本地電容器的電容。
13.根據權利要求7所述的方法，其中，可寫入分組大小是單個字節的數據。
全文摘要
本發明提供一種過程分析傳感器(14)。所述過程分析傳感器(14)包括能耦合到過程的過程分析感測單元(24)。所述過程分析感測單元(24)具有隨著所述過程的分析方面而改變的電特性。將微控制器(22)置於所述過程分析傳感器(14)中，且將所述微控制器(22)耦合到所述過程分析感測單元(24)，以感測所述電特性，並基於所感測到的特性來提供分析信號。能夠在小至0.5毫安上操作所述微控制器(22)，且所述微控制器(22)包括能夠在所述微控制器(22)在小至0.5毫安上操作時能夠被寫入的電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)(54)。
文檔編號G06F1/32GK102362173SQ201080013182
公開日2012年2月22日 申請日期2010年10月27日 優先權日2009年10月27日
發明者卡林·喬巴努, 日扎德·瑞茲瓦尼, 傑弗裡·盧密保 申請人:羅斯蒙德分析公司