使用中水表計量性能變化趨勢與風(fēng)險監測技術(shù)研究

0 引言

水表計量數據是用戶(hù)繳納水費、污水處理費和部分企業(yè)繳納排污費的依據。作為民生計量最重要的計量器具之一被列入國家強制檢定計量器具目錄，其計量性能影響到每家每戶(hù)老百姓、用水企業(yè)和自來(lái)水公司的切身利益，因而備受社會(huì )關(guān)注。如何管理好水表強制檢定是各級質(zhì)量技術(shù)監督部門(mén)法制計量的重要內容，是各級地方政府貫徹實(shí)施國務(wù)院《計量發(fā)展規劃（2013－2020年）》的重要內容。

水表在使用過(guò)程中，易受到使用環(huán)境、內部水質(zhì)、水壓波動(dòng)、安裝情況等因素影響，其示值誤差、壓力損失、計數器、電子裝置等性能指標易隨時(shí)間的推移而逐漸變差，存在危及計量安全的風(fēng)險。目前行業(yè)中缺少長(cháng)期使用中水表的計量檢測數據（常規專(zhuān)項抽查時(shí)耐久性試驗只做100小時(shí)），對于安裝使用一段時(shí)間后（1年以上）的水表計量性能情況，國內研究基本還是一片空白。

目前行業(yè)中缺少長(cháng)期使用中水表的計量檢測數據（常規專(zhuān)項抽查時(shí)耐久性試驗只做100小時(shí)），對于安裝使用一段時(shí)間后（1年以上乃至15年）的水表計量性能情況，國內研究基本還是一片空白。目前國內對貿易結算冷水水表到期輪換和周期檢定的監管普遍處于真空狀況，廣州市正在率先制定逐步推進(jìn)水表到期輪換或周期檢定時(shí)間表，急需技術(shù)數據支撐。

1 技術(shù)路線(xiàn)

1.1 調研

對國內典型城市水表質(zhì)量抽檢的情況進(jìn)行調研；對本地區自來(lái)水公司供表生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行調研，了解產(chǎn)品類(lèi)型；對各地區用水水質(zhì)進(jìn)行調研。

1.2 分析風(fēng)險點(diǎn)

針對本地區各類(lèi)水表的特點(diǎn)和使用情況，結合JJG162－2009和GB/T778.1－2007的技術(shù)要求分析出風(fēng)險存在點(diǎn)。

1.3 制定抽樣方案

廣州市抽樣面對的總體單元數很龐大，而且分布范圍很廣，因此采用多階段抽樣方法，避免不僅工作量大，而且在精度上很難把握的困境，從而達到理想的抽樣效果。多階段抽樣具體操作過(guò)程是：

第一階段，將總體分為若干個(gè)一級抽樣單位，從中抽選若干個(gè)一級抽樣單位入樣；

第二階段，將入樣的每個(gè)一級單位分成若干個(gè)二級抽樣單位，從入樣的每個(gè)一級單位中各抽選若干個(gè)二級抽樣單位入樣，依此類(lèi)推，直到獲得最終樣本。

在多階段抽樣中每一級都會(huì )帶來(lái)一些誤差。似乎增加一級抽樣便會(huì )更加一些誤差，事實(shí)卻并一定如此。因此，雖然增加一級抽樣會(huì )增加一層誤差，但是如果群分得合適，則增加一級抽樣反而能起到一定的分類(lèi)作用，使群內差異大大降低，不僅抵消了由于增加一級抽樣而增加的誤差，反而可以使總的誤差降低�？梢�(jiàn)，多級抽樣雖然增加誤差來(lái)源，但不一定會(huì )使誤差的數值增大。增加抽樣的層次，是使抽樣誤差增大還是縮小，要看分群后群內方差和群間方差的關(guān)系而定。在既定檢驗費用的條件下，多階段抽樣可以通過(guò)調整各個(gè)階段的樣本數，選擇各個(gè)層次最優(yōu)樣本量來(lái)達到最小估計誤差水平。

因此要結合實(shí)際確定合理抽樣方案，抽樣方案制定后，應初步確定各階段需要抽取的樣本量。

1.4 初步抽樣

根據抽樣方案確定的初步抽樣量實(shí)施抽樣，并記錄現場(chǎng)情況（如安裝情況、使用環(huán)境、水質(zhì)特點(diǎn)等）。

1.5 對樣品進(jìn)行檢測

冷水水表檢測方法依據GB/T778.1－2007《封閉滿(mǎn)管道中水流量的測量飲用冷水水表和熱水水表》及JJG162－2009中有關(guān)使用中檢驗及型式評價(jià)方面的內容，涵蓋所有風(fēng)險點(diǎn)，水表一般應覆蓋以下檢驗項目，詳見(jiàn)下表。

表1 檢測項目及依據

1.6 分析抽樣誤差來(lái)源及計算

若初級單元中包含的次級單元個(gè)數為M，因此在抽中的初級單元中再抽取次級單元個(gè)數也相等，記為m；且兩個(gè)階段的抽樣方法都是簡(jiǎn)單隨機抽樣；且在抽中的若干初級單元中作第二階段抽樣是相互獨立進(jìn)行的。

Y_ij表示第i初級單元中第j個(gè)次級單元，i=1，2，3，...N，j=1，2，3，…，M。

y_ij表示樣本中第i初級單元中第j個(gè)次級單元的觀(guān)測值，i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，m。

，第i處級單元總和；，第i初級單元平均；，總體平均值；，總體中初級單位群間方差；總體中初級單位群內方差。

將M改為m，N改為n，Yij改為yij就是樣本的指標值。第i群內次級單元間的方差記為

    （1）

估計量這是一個(gè)無(wú)偏估計量

方差

其中

方差的無(wú)偏估計為

    （2）

根據前述，第一級的抽樣帶來(lái)的抽樣誤差應該為

    （3）

單就整個(gè)總體來(lái)說(shuō)，第二級的抽樣誤差不僅與各群內的抽樣誤差有關(guān)，而且隨抽到的不同群而有所不同。抽樣理論已經(jīng)證明，若把這兩個(gè)因素結合起來(lái)考慮，則第二級抽樣帶來(lái)的誤差為

    （4）

第二級的抽樣誤差就每個(gè)群來(lái)說(shuō)為

    （5）

但就整個(gè)總體來(lái)說(shuō)，第二級的抽樣誤差不僅與各群內的抽樣誤差有關(guān)，而且隨抽到的不同的群而有所不同。抽樣理論已經(jīng)證明，若把這兩個(gè)因素結合起來(lái)考慮，則第二級抽樣帶來(lái)的誤差為

    （6）

二級抽樣的總誤差與這兩級抽樣有以下關(guān)系：

    （7）

每增加一級抽樣，在總的抽樣誤差中便增加一項。

在多級抽樣中，抽必須確定一個(gè)合理的比例，以便既保證工作方便，又保證必要的代表性，可見(jiàn)抽樣數目如何合理分配在各級之間，是一個(gè)重要的問(wèn)題。

1.7 確定樣本容量

樣本容量與檢驗預算有關(guān)，也與抽樣誤差有關(guān)。在實(shí)際工作中，檢驗預算是有限的，對調查誤差也有一定的要求。因此，要根據總檢驗費用預算和抽樣誤差兩方面來(lái)確定樣本容量�，F思路是在給定費用的條件下，研究如何配置樣本量，使估計的方差達到最小。

首先將總體分為R個(gè)一級組，定i1（1≤i1≤R）個(gè)一級組包含Ri1個(gè)二級組，第i1一級組中第i2（1≤i2≤Ri1）個(gè)二級組包含R（i2）個(gè)三級組，直到前n－2個(gè)組分別是i1，i2，i3，…in－2個(gè)的n－2級組包含R（in－2）個(gè)n－1組，第in－1（1≤in－1≤R（in－2））個(gè)n－1級組包含R（in－1）個(gè)總體單位。

設ci為第i階段調查每一個(gè)i級組單位的平均費用，則總調查費用為

    （8）

在總檢測費用c給定的條件下，求各階段的最優(yōu)樣本容量為：

    （9）

    （10）

1.8 根據樣本容量進(jìn)行補充抽樣

實(shí)施抽樣，并記錄現場(chǎng)情況（如安裝情況、使用環(huán)境、水質(zhì)特點(diǎn)等）。

1.9 對補充抽樣樣品進(jìn)行檢驗

按技術(shù)路線(xiàn)第五點(diǎn)的要求進(jìn)行。

1.10 匯總數據進(jìn)行綜合分析，研究使用中水表計量性能變化趨勢的特點(diǎn)

數據分析分3個(gè)部分進(jìn)行：第一部分，對在用水表按照不同使用時(shí)間進(jìn)行抽檢，確定其計量性能，繪制“運行時(shí)間計量特性曲線(xiàn)圖”，目的是研究水表計量性能變化和運行時(shí)間之間的關(guān)系。第二部分，水表耐磨損試驗。選擇用水量相同的水表作為實(shí)驗樣本，通過(guò)對樣本的檢定來(lái)驗證水表的計量性能和用水量的關(guān)系，繪制出“流量計量特性曲線(xiàn)圖”，目的是研究水表計量性能變化和運行水量之間的關(guān)系。第三部分，驗證修理后再用水表的計量性能。