本发明涉及燃气采用超声波进行计量的领域，尤其涉及一种异频双路超声波气体计量模组及声道切换自适应方法。
背景技术：
1、近两年，基于时差法的超声波燃气表，已经越来越多的应用在城镇燃气计量市场中。换能器作为超声波表的核心计量传感器，在燃气应用场景中，没有对传感器状态进行有效判断，一旦出现传感器故障，会立即影响产品正常计量。例如燃气表所安装的管道环境可能因为气流通过产生啸叫或震动，使超声波换能器起振，引发噪声；例如电磁干扰会影响adc的采样测量精度引发噪声与气体计量信号发生叠加，使测量结果产生偏差，产生少计数（或异常大数）甚至不计数等现象，并且该问题会维持一段时间，直到人工现场发现表具异常或后台软件通过数据异常报警，才启动换表，期间产生的损失和纠纷给燃气公司和终端用户带来极大不便。
技术实现思路
1、针对目前超声波燃气表在复杂工况条件下对换能器状态无法进行有效判断的问题，本发明提出了一种异频双路超声波气体计量模组及声道切换自适应方法的技术方案。
2、所述的一种异频双路超声波气体计量模组，其特征在于：包括微控制单元、计时单元、存储单元、超声激励模块、信号采集单元、通信单元和设置在流道中的两对不同工作频率的超声波换能器，两对不同工作频率的超声波换能器被设置于流体所要通过的流路上，每对换能器组的两个换能器互为收发形成一个声道，两对超声波换能器独立工作构成模组的双声道；所述信号采集单元采用电压比较器和/或模拟数字转换器adc；
3、计时单元：用于定时任务的触发和管理，测量超声波信号在一对换能器之间的传播时间；
4、存储单元：用于储存实验室经验噪声电压判断阈值，实验室经验采集时长阈值，实验室经验飞行时间组数；
5、超声激励模块：根据微控制单元的指令给予超声波换能器驱动电压，使超声换能器受迫振动；
6、信号采集单元：开启两个通道分别监控两对超声波换能器的电压输出，将超声波换能器输出的电压信号转换为数字信号，传输给微控制单元；
7、微控制单元：对信号采集单元及计时单元获取的电压数据或时间数据与存储单元设定的阈值进行比较，判定某一路声道是否出现噪声或工况变更情况，选择最适合当前工况下进行流量测量的工作声道，向超声激励模块发送声道激励指令并计时，从而实现工作声道的切换；在双声道未被激励却均出现电磁干扰的情况下通过通信单元向后台报警；
8、通信单元：根据微控制单元的要求与后台进行通信，将双声道未被激励却均出现电磁干扰的情况进行报警并通知后台，便于后台派人前来现场维修。
9、所述的一种异频双路超声波气体计量模组，其特征在于信号采集单元采用电压比较器与模拟数字转换器adc并联的采集单元组。
10、所述异频双路超声波气体计量模组的声道切换自适应方法，其特征在于：当信号采集单元采用电压比较器时，工作步骤如下：
11、s101电压比较器内部预先设置实验室经验噪声电压判断a阈值uref1用于比较是否有噪声出现，存储单元预先设置起始无激励状态下由电压比较器采集双声道信号持续的时间段tz；
12、s102起始状态下，微控制单元不向超声激励模块发出激励指令，由电压比较器判别是否存在噪声干扰；
13、s103电压比较器根据微控制单元要求开始采集双声道信号持续的时间段tz并向微控制单元持续输出结果；
14、s104 微控制单元根据电压比较器输出噪声判定结果比较及选择声道；
15、s104.1若双声道均未采集到电压信号或某声道采集到电压值小于uref1,则电压比较器判定当前无噪声，微控制单元向计时单元和超声激励模块发出激励低频超声波换能器的指示，其对应声道作为工作声道开始流量测量工作，并执行s105步骤；
16、s104.2若采集到某个声道的换能器电压值大于uref1,则电压比较器判定当前声道有噪声，微控制单元指示超声激励模块激励另一声道换能器组，从而确定初始工作声道并开始流量测量工作，并执行s105步骤；
17、s104.3若采集到两个声道的换能器电压值均大于uref1,电压比较器判定双声道均有噪声，微控制单元判定该工作环境存在电磁干扰并通过通信单元通知后台派人前来维修；
18、s105微控制单元根据燃气表工作空窗期算法计算出最近一次空窗期时间，当时间到达空窗期时间即执行s103步骤。
19、所述异频双路超声波气体计量模组的声道切换自适应方法，其特征在于：当信号采集单元采用模拟数字转换器adc时，工作步骤如下：
20、s201 存储单元预先设置实验室经验噪声电压判断b阈值uref2用于比较是否有噪声出现，预先设置n为实验室经验飞行时间组数，用于确定采样时间间隔；
21、s202起始状态下，微控制单元不向超声激励模块发出激励指令的情况下，对adc发出采集指令，由adc采集双声道超声波换能器的电压信号并反馈给微控制单元；
22、s203 adc根据微控制单元要求开始采集双声道超声波换能器的电压信号，并反馈微控制单元；
23、s204微控制单元根据adc反馈电压进行噪声判定及选择声道；
24、s204.1若adc未采集到双声道超声波换能器的电压信号，或采集到双声道超声波换能器的电压并反馈到微控制单元，微控制单元经比对发现电压信号均小于uref2，则微控制单元判定双声道超声波换能器没有噪声；在1次测量期间，若双声道超声波换能器均无噪声，则微控制单元指示超声激励模块对低频超声波换能器进行激励，低频超声波换能器对应声道作为工作声道开始流量测量工作，并执行s205步骤；
25、s204.2 adc在任一声道采集到电压信号并反馈到微控制单元，微控制单元持续将该电压信号与预先设置的uref2进行比较，在1次测量期间，当有任一声道电压信号大于uref2时，说明该声道存在同频干扰噪声，微控制单元指示超声激励模块对未采集到电压信号或采集到的电压信号小于uref2的声道的换能器进行激励，该声道作为工作声道开始流量测量工作，并执行s205步骤；
26、s204.3若adc采集到两个声道的换能器电压信号均大于uref2，微控制单元判定该工作环境存在电磁干扰，并通过通信单元向后台报警，便于后台派人前来维修；
27、s205 在n组飞行时间测量结束后，微控制单元要求adc对双通道同时进行采样，结果反馈微控制单元；
28、s206微控制单元根据各声道采集数据进行噪声判定及选择声道；
29、s206.1若双声道的adc电压采样结果信号均小于设定噪声b阈值uref2，判定此时处于燃气流通空窗期且无噪声，工作声道不变继续进行流量测量工作，并执行s205步骤；
30、s206.2若工作声道的adc电压采样结果uz大于设定b阈值uref2，辅助声道的adc采样结果uz’小于设定b阈值uref2，微控制单元根据采集到的电压及计时单元的时间记录参数进行傅里叶变换 f [f(t)]=f(ω)，其中f(t)为时域函数，ω为频率，识别出单一频率为工作声道超声波换能器的工作频率fz，微控制单元判定工作声道处于工作状态且无噪声干扰；工作声道不变继续进行流量测量工作，并执行s205步骤；
31、s206.3若工作声道的adc电压采样结果uz大于设定b阈值uref2，辅助声道的adc采样结果uz’也大于设定b阈值uref2，微控制单元根据采集到的电压及计时单元的时间记录进行傅里叶变换，识别双声道各自的信号频率；
32、s206.31若从工作声道识别出的频率仅为工作声道的超声波换能器工作频率fz，则微控制单元判定工作声道并无噪声干扰，辅助声道出现同频噪声干扰，工作声道不变继续进行流量测量工作，并执行s205步骤；
33、s206.32若从工作声道识别出的频率除了工作声道超声波换能器工作频率fz，还有噪声频率ωz，同时从辅助声道也识别出与ωz接近的频率，则微控制单元判定双声道存在电磁干扰，微控制单元将已收集数据计算双声道信号的信噪比，选择信噪比高的一路声道作为工作声道进行流量测量工作，同时对该工作声道的信号采集结果进行滤波，以便于计量准确，并执行s205步骤；
34、s206.4若工作声道的adc电压采样结果uz小于设定b阈值uref2，辅助声道的adc采样结果uz’大于设定噪声b阈值uref2，微控制单元判定辅助声道存在同频噪声干扰，工作声道无噪声干扰；工作声道不变继续进行流量测量工作，并执行s205步骤。
35、所述异频双路超声波气体计量模组的声道切换自适应方法，其特征在于：当信号采集单元采用电压比较器与模拟数字转换器adc并联的采集单元组时，工作步骤如下：
36、s301电压比较器内部预先设置实验室经验噪声电压判断c阈值uref3用于比较是否有噪声出现，存储单元预先设置起始无激励状态下由电压比较器采集双声道信号持续的时间段tz，存储单元预先设置m为实验室经验飞行时间组数，用于确定采样时间间隔；
37、s302起始状态，在微控制单元不向超声激励模块发出激励指令的情况下，对电压比较器发出采集指令，由电压比较器判别是否存在干扰；
38、s303电压比较器根据微控制单元要求开始采集双声道信号持续的时间段tz并向微控制单元持续输出结果；
39、s304 微控制单元根据电压比较器输出噪声比较结果选择声道；
40、s304.1若电压比较器双声道未采集到超声波换能器电压信号或采集到电压值均小于 uref3,则电压比较器判定没有噪声，微控制单元指示超声激励模块激励低频超声波换能器，其对应声道作为工作声道开始流量测量工作，并执行s305步骤；
41、s304.2若电压比较器采集到任一声道的超声波换能器电压值大于 uref3,则电压比较器判定该声道存在干扰，微控制单元进一步判定该路声道存在同频噪声干扰；微控制单元指示超声激励模块激励另一声道换能器组，从而确定初始工作声道并开始流量测量工作，并执行s305步骤；
42、s304.3若电压比较器采集到两个声道的超声波换能器都存在电压值大于uref3,则电压比较器判定双声道均存在噪声干扰；微控制单元指示adc采集双声道信号进行傅里叶变换 f [f(t)]=f(ω)，其中f(t)为时域函数，ω为频率，识别出双声道共有的信号频率ωz，判定此时存在该频率的电磁干扰；微控制单元通过通信单元向后台报警，便于后台派人前来维修；
43、s305在m组飞行时间测量结束后，考虑到adc可能进入了燃气流量空窗期休眠状态，为监测噪声同时减少能耗，微控制单元指令电压比较器对双声道进行采集并做电压比对；
44、s306 电压比较器根据比对结果反馈微控制单元，微控制单元根据其输出结果进行噪声比较及选择声道；
45、s306.1若电压比较器在双声道未采集到电压信号或采集到超声波换能器的电压值均小于 uref3,则电压比较器判定无噪声干扰，微控制单元进一步判定当前为燃气流量空窗期，工作声道不变继续进行流量测量工作，并执行s307步骤；
46、s306.2若电压比较器采集到辅助声道的超声波换能器电压值uz’> uref3, 工作声道的电压值uz< uref3,则电压比较器判定辅助声道存在噪声干扰，微控制单元进一步判定辅助声道存在同频噪声干扰，当前为燃气流量空窗期；工作声道不变继续进行流量测量工作，并执行s307步骤；
47、s306.3若电压比较器采集到工作声道的超声波换能器电压值uz> uref3, 辅助声道的电压值uz’>uref3, 则电压比较器判定双声道均存在噪声干扰，微控制单元指示adc采集双声道信号后对采样值进行傅里叶变换 f [f(t)]=f(ω)，识别两个声道的频率特征；
48、s306.31若从工作声道识别出的频率仅为工作声道超声波换能器工作频率fz，辅助声道识别出噪声频率ωz，则微控制单元判定工作声道并无噪声干扰，辅助声道出现同频噪声干扰，工作声道不变继续进行流量测量工作，并执行s307步骤；
49、s306.32若从工作声道识别出的频率除了工作频率fz，还有噪声频率ωz，同时从辅助声道也识别出与ωz接近的频率，则微控制单元判定双声道存在电磁干扰，微控制单元将已收集数据根据现有技术计算双声道信号的信噪比，选择信噪比高的一路声道作为工作声道进行流量测量工作，同时对该工作声道的信号采集结果进行滤波以便于计量准确，并执行s307步骤；
50、s306.4若采集到工作声道的电压值uz> uref3, 辅助声道的电压值uz’< uref3,则电压比较器判定工作声道存在噪声干扰，辅助声道无噪声干扰，微控制单元指示adc采集工作声道信号进行傅里叶变换 f [f(t)]=f(ω)，识别其信号频率特征；
51、s306.41若从工作声道识别出的频率仅为工作频率fz，则微控制单元判定工作声道与辅助声道均无噪声干扰，工作声道不变继续进行流量测量工作，并执行s307步骤；
52、s306.42 若从工作声道识别出的频率除了工作频率fz，还存在噪声频率ωz，则微控制单元判定工作声道存在同频噪声干扰，微控制单元指示超声激励模块激励辅助声道换能器组，从而辅助声道成为新的工作声道并开始流量测量工作，并执行s307步骤；
53、s307由于电压比较器的采集时间精度高于adc，为提高计时精度及降低功耗，微控制单元获得电压比较器采集到的工作声道超声波换能器电压信号后，经判定工作声道无噪声干扰或可以滤除噪声干扰继续工作后，以计时单元获取的电压比较器输出信号时间点作为预测下一次adc开始采样的飞行时间起点计算传播时间差并测算流量，并执行s305步骤。
54、所述的一种异频双路超声波气体计量模组的声道切换自适应方法，其特征在于：所述存储单元或信号采集单元内部预先存储的实验室经验阈值，是在实验室历时数十万次计量仪表测试数据中，提取包含但不限于温度、压力、换能器采集电压、噪声幅值、飞行时间、气体声速的数据，通过维纳滤波器以最小均方误差为最优准则，得到在某一种模拟标准工作状况下的最优阈值，形成多类工况的矩阵表格存储于微控制单元；当微控制单元接收到仪表各类传感器测得的工况数据后，查表选择最优阈值用于后期比较判断。
55、与现有技术相比，本发明具有以下优点：
56、1）产品安装一次，可以满足在不同工况尤其是同频干扰或电磁干扰存在时的测量精确度；本发明基于多种类信号采集方案采集两路声道的噪声信号，从而判断超声波换能器被干扰的差异程度，选用受噪声干扰程度最小的流道作为工作声道，从而提高系统的抗干扰能力；这种判定方式不仅提高了计量的准确性，还为故障排查和日常维护提供了有力支持；
57、2）本发明基于电压比较器与adc并联形成的信号采集方案在提升时间测量精度的前提下进一步降低了功耗；由于adc采样是经过逐级电压估值比较获得近似值，因此功耗大响应时间长；而电压比较器的采集时间精度高于adc，因此可以将电压比较器的输出结果来预测下一次adc开始采样的飞行时间起点，可以大幅降低测量过程功耗。
1.一种异频双路超声波气体计量模组，其特征在于：包括微控制单元、计时单元、存储单元、超声激励模块、信号采集单元、通信单元和设置在流道中的两对不同工作频率的超声波换能器，两对不同工作频率的超声波换能器被设置于流体所要通过的流路上，每对换能器组的两个换能器互为收发形成一个声道，两对超声波换能器独立工作构成模组的双声道；所述信号采集单元采用电压比较器和/或模拟数字转换器adc；
2.根据权利要求1所述的一种异频双路超声波气体计量模组，其特征在于信号采集单元采用电压比较器与模拟数字转换器adc并联的采集单元组。
3.一种如权利要求1所述异频双路超声波气体计量模组的声道切换自适应方法，其特征在于：当信号采集单元采用电压比较器时，工作步骤如下：
4.一种如权利要求1所述异频双路超声波气体计量模组的声道切换自适应方法，其特征在于：当信号采集单元采用模拟数字转换器adc时，工作步骤如下：
5.一种如权利要求2所述异频双路超声波气体计量模组的声道切换自适应方法，其特征在于：当信号采集单元采用电压比较器与模拟数字转换器adc并联的采集单元组时，工作步骤如下：
6.根据权利要求3或4或5所述的一种异频双路超声波气体计量模组的声道切换自适应方法，其特征在于：所述存储单元或信号采集单元内部预先存储的实验室经验阈值，是在实验室历时数十万次计量仪表测试数据中，提取包含但不限于温度、压力、换能器采集电压、噪声幅值、飞行时间、气体声速的数据，通过维纳滤波器以最小均方误差为最优准则，得到在某一种模拟标准工作状况下的最优阈值，形成多类工况的矩阵表格存储于微控制单元；当微控制单元接收到仪表各类传感器测得的工况数据后，查表选择最优阈值用于后期比较判断。
