--- 水表新国标学习体会之三
宁波水表股份有限公司 姚灵
一．概述
水表新国标对水表型式批准试验分为：“通用试验项目（适用于所有水表）”和“施加影响量试验项目（仅适用于电子水表和带电子装置水表）”两大类。通用试验项目主要有：静压、示值误差、水温、水压、逆流、压力损失、流速场不规则性、断续流量耐久性、Q3下的连续流量耐久性等九项；施加影响量试验项目主要有：高温(无冷凝)（影响因素）、低温（影响因素）、交变湿热（影响因素）、振动（随机）（扰动）、机械冲击（扰动）、静电放电（扰动）、电磁敏感性（扰动）、静磁场（影响因素）、电源电压变化（影响因素）、短时功率降低（扰动）、浪涌抗扰度（扰动）、电脉冲群（扰动）等十二项。
本文对施加影响量试验中的严酷度等级，以及某些试验项目的含义、方法、依据等内容作出介绍和描述，便于在理解基础上准确开展这些项目，达到试验的预期目的。
二．环境试验的分类及其必要性
施加影响量试验是一种“环境试验”，标准对每一项环境试验的典型试验条件都作出了明确规定。环境试验条件可分为：气候和机械环境、电磁环境、电源等三类试验条件。对电子水表和带电子装置水表而言，将其在“气候和机械环境”条件下的环境分为三个等级，即：B级—安装在室内的固定水表，C级—安装在室外的固定水表，I级—移动式水表；将其在“电磁环境”条件下的环境分为两个等级，即：E1级—住宅、商业和轻工业电磁环境，E2级—工业电磁环境。
确定环境试验的目的是旨在验证水表在规定的条件下工作性能是否符合预定的要求。相对于其他仪表，水表产品通常工作在比较恶劣的环境中，其外部的温（湿）度变化、机械振动与冲击、各类电磁骚扰等都会对其正常工作带来不利影响和干扰，因此在产品设计阶段就应考虑环境条件因素等对其性能及工作可靠性的影响。目前已能选择多种技术方案（措施）来保障水表产品正常工作，并可通过模拟环境条件的试验方法来验证水表产品的抗干扰性能。
[注：在评定一种环境影响量的影响时，其他影响量需保持在参比条件状态；某些影响量对水表示值误差的影响是不变的（如电源电压变化），与被测体积无比例关系。在其他一些试验中，影响量对水表的影响与被测体积有关，在这种情况下，为了使不同实验室取得的试验结果具有可比性，测量水表示值误差的试验体积应相当于在过载流量Q4下排放1min的体积。]
三．“严酷度”及相关名词术语的理解
所谓“严酷度”，一般是指环境参数的严酷度。GB/T4796-2001定义了“环境参数严酷（程）度”，即：表征每个环境参数特征量的值，如正弦振动的严酷(程)度用加速度和频率的量值表征。与“严酷度”相关的其他名词术语有，环境参数：描述环境因素的一个或多个物理、化学、或生物的特征，如温度、加速度等；环境因素：单独或者组合地形成一种环境条件（如热、振动）的一种物理、化学或生物的影响；环境条件：在一定时间内，产品所经受其周围的物理、化学和生物条件。
水表产品工作时的实际环境条件通常是复杂的，且由若干环境因素及相应环境参数所组成。因此当确定某一产品应用的环境条件时必须考虑以下两点：列出所涉及的环境因素；对每一环境参数选择合适的严酷（程）度。[ 注：国际建议OIML D11 Edition 2004(E)“General requirements for electronic measuring instruments” (电子测量仪器通用要求)中对各种环境因素及相应环境参数的严酷度（等级）做出了明确规定。]
对以上名词术语的含义可通过下表作进一步说明（以“气候环境条件”为例）。
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环境条件 |
气候 |
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环境等级 |
B（室内固定安装水表）；C（室外固定安装水表）；I（移动式水表） |
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环境因素 |
高温（无冷凝） |
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环境参数 |
空气温度、持续时间、试验循环次数 |
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严酷度等级 |
3 |
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严酷度 |
空气温度：55OC±2OC；持续时间：1h；试验循环次数：1 |
四．关于“振动和机械冲击”试验的理解
“振动（随机）”和“机械冲击”是机械环境条件下的试验项目，仅适用于环境等级为I级（移动式水表）的电子水表或带电子装置水表。移动式水表（如便携式水表校验仪中用作标准表的水表）工作在非固定状态，因此更易受到随机振动和机械冲击的影响。本试验适用于在运输或工作环境中可能遭受随机振动和机械冲击的产品；试验时样品应处于无包装物状态。
1.“振动（随机）”试验：
振动（随机）试验的严酷度等级选用了OIML D11中的2级严酷度，其振动频率范围为：10Hz～150Hz；总均方根加速度（RMS）等级为：7m/s2；加速度谱密度（ASD）等级：在10Hz～20Hz时为1m2/s3；在20Hz～150Hz时为-3dB/倍频程；试验轴向数量为：3；每个轴向的试验持续时间为：2min。本项目是一种扰动影响量试验，其目的是检验施加随机振动后被试水表是否符合国家标准GB/T778.1的6.7.5的要求。
试验装置一般采用电动或电液振动台，并施以宽带随机激励信号。试验配置应符合国家标准《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法试验Fh：宽带随机振动（数字控制）和导则》（GB/T2423.56）和《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法 元件、设备和其他产品在冲击（Ea）、碰撞（Eb）、振动（Fc和Fd）和静态加速度（Ga）等动力学试验中的安装要求和导则》（GB/T2423.43）的要求。
应当指出，随机振动试验是一个复杂的过程，它要求对试验的基本原理和技术有相当程度的理解，在试验中还需要具备相当的工程判断经验。与大多数其他试验相比，试验Fh不是以确定性技术而是以统计技术为基础，因而宽带随机振动试验是以概率和统计平均的形式来描述的。
与试验相关的几个主要名词术语的定义：
（1）随机振动：在未来任一给定时刻，其瞬时值不能精确预知的振动。
（2）宽带随机振动：频率分量分布在宽带内的随机振动。( 注：宽频带的带宽与所研究的问题有关，但通常等于或大于一个倍频程。)
（3）倍频程：频率比为2的两频率之间的区间。
（4）加速度谱密度(ASD): 当在带宽B趋于零和平均时间T趋于无穷的极限状态下，各单位带宽上通过中心频率f 窄带滤波器的加速度信号x ( t ) 的方均值即为加速度谱密度G ( f )。其计算公式为：
（5）总均方根加速度（RMS）:在一个周期T内，取加速度信号x ( t ) 平方的均方根，即为有效值X RMS,
（6）窄带滤波器：通带相当窄的带通滤波器。对于冲击和振动来说窄带通常意味着小于等于1/3倍频程。
2. “机械冲击”试验：
机械冲击试验的严酷度等级同样选用OIML D11中的2级严酷度，其试验跌落高度为：50mm；试验跌落次数为：1次（每个底边）。本项目也是一种扰动影响量试验，其目的是检验施加机械冲击后被试水表是否符合国家标准GB/T778.1的6.7.5的要求。
试验配置应符合国家标准《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法 试验Ec和导则：倾跌与翻倒》（GB/T2434.7）和《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 元件、设备和其他产品在冲击（Ea）、碰撞（Eb）、振动（Fc和Fd）和静态加速度（Ga）等动力学试验中的安装要求和导则》（GB/T2423.43）的要求。
五．关于“静电放电”试验的理解
在低湿度环境下，人体可通过摩擦带电并在与被试设备的接触过程中对其产生放电。静电放电可能会引起设备中某些电子器件的损坏，从而造成设备的永久性破环；也可能引起附近电磁场变化，造成被试设备的误动作。静电放电抗扰度试验有“直接放电”和“间接放电”两种方式（见图1）。所谓直接放电，即模拟设备操作人员直接触摸设备时对设备的放电；
所谓间接放电（或空气放电），即模拟设备操作人员触摸邻近设备放电时对被试设备的影响。静电放电试验是通过放电发生器产生放电电流波形（如图2所示）施加到被试设备上。
静电放电试验是一种“扰动”性质的影响量环境试验。其目的是检验在施加直接和间接静电放电期间水表是否符合GB/T 778.1的6.7.5的要求。试验配置应符合《电磁兼容试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》（GB/T17626.2）的要求。在电磁环境等级为E1、E2时，接触放电试验电压为：6kV；空气放电试验电压为：8kV。在同一次试验期间，每一试验点至少施加10次直接放电，放电间隔时间至少为1s；对于间接放电，在水平耦合平面上总计应施加10次放电，在垂直耦合平面上，每一位置总计施加10次放电。
标准要求，从静电放电期间测得的水表示值误差减去施加静电放电之前测得的基本误差，两者之差应不超过“高区”最大允许误差的二分之一。
六．关于“电磁敏感性”试验的理解
电磁敏感性试验（即“电磁辐射”试验）是一种“扰动”性质的影响量试验。其目的是检验被试水表在受到电磁辐射影响时是否符合国家标准GB/T778.1的6.7.5的要求。试验配置应符合《电磁兼容试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验 》（GB/T 17626.3）和ENV50205的要求。
电磁敏感性试验是把被测水表（EUT）置于某一电磁试验环境中，考核其抵抗环境电磁场影响的能力。电磁辐射试验的常用方法是“发射天线法”（见图3）。
试验时被试水表及其至少1.2m长的外接电缆应置于辐射射频场下。施加电磁场前在参比条件下测量被试水表的基本误差；然后根据要求的严酷度等级（电磁场载波频率：26MHz～1000MHz；场强：E1级为3V/m，E2级为10V/m；调制：80%AM,1kHz,正弦波）逐一从载波的起始频率至终止频率分20个频率段施加电磁场辐射，同时分别测量相应频率段被试水表的示值；在每频率段结束施加电磁场辐射的间隙中，计算被试水表对应频率段的示值误差；其基本误差与各频率段结束施加电磁场辐射的间隙中算得的示值误差之差（即差错）应不超过“高区”最大允许误差的二分之一。
每次扫描时，应以实际频率1% 的增幅逐步增加频率值，直至达到下一个频率段的起始点（每频率段扫描增幅的驻留时间必须相同）。
七．关于“浪涌抗扰度和电脉冲群”试验的理解
1. “浪涌抗扰度”试验：
当雷电直接击中户外线路和邻近物体时，会在线路上产生巨大的浪涌电压和电流；变电站开关启闭瞬间，也会在线路上感应出很大的浪涌电压和电流。这两种浪涌的共同特点是能量巨大，波形较缓，重复频率低。做浪涌试验时一般采用综合波形发生器通过耦合/去耦网络施加到被测设备上（其波形见图4）。
浪涌抗扰度试验（即“浪涌瞬变”试验）是一种“扰动”性质的影响量试验。本试验的目的是检验在水表连接的若干条长度超过10m的线路上叠加浪涌瞬变时，水表是否符合GB/T778.1-2007的6.7.5的要求。试验配置应符合《电磁兼容试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验》（GB/T17626.5）的要求。
施加浪涌瞬变电压期间，在（实际或模拟）参比流量下测量被试水表的示值误差。其与试验前取得的基本误差的差值应不超过“高区”最大允许误差的二分之一。
2. “电快速瞬变/脉冲群”试验：
在感性负载电路中，机械开关启闭往往会对同一电路的其他设备产生干扰，其特点是脉冲成群出现，重复频率高，波形上升时间短。电快速瞬变/脉冲群抗扰度试验是利用脉冲发生器产生图5所示波形，通过耦合/去耦网络施加到被试设备的电源线或信号线（见图6）。
电快速瞬变/脉冲群试验也是一种“扰动”性质的影响量试验。本试验的目的是检验被试水表在主电源电压上叠加电脉冲群的情况下是否符合GB/T778.1-2007的6.7.5的要求。试验配置应符合《电磁兼容试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》 （GB/T17626.4）的要求。
水表在施加脉冲群期间取得的示值误差与试验前取得的基本误差之差应不超过“高区”最大允许误差的二分之一。[ 注：被试水表应在参比流量条件下测量示值误差；在测量示值误差期间，应以对称和非对称方式施加所有脉冲群。]
八．结 语
本文对严酷度及相关名词术语等内容作了初步介绍和举例，并对“振动（随机）试验”、“机械冲击试验”、“静电放电试验”、“电磁敏感性试验”、“浪涌抗扰度和电脉冲群试验”等的基本含义、主要试验方法和要求、以及试验依据等作了简要介绍与描述。由于篇幅限制，文章只能涉及某些试验项目的基本概念和内容。如需进一步了解这方面知识，开展相关试验工作，可参阅文后所列“主要参考资料”。文章表述有误之处，敬请批评指正。
主要参考资料：
1.GB/T778.1-2007《封闭满管道中水流量的测量 饮用冷水和热水水表》第一部分：规范
2.GB/T778.1-2007《封闭满管道中水流量的测量 饮用冷水和热水水表》第三部分：试验方法和试验设备
3.GB/T2423.56-2006《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Fh：宽带随机振动（数字控制）和导则》( idt IEC 60068-2-64:1993)
4.GB/T2423.7-1995《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Ec 和导则：倾跌与翻倒》（idt IEC 60068-2-31:1982）
5.GB/T2423.43-1995《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 元件、设备和其他产品在冲击（）、碰撞（Eb）、振动（Fc和Fd）和稳态加速度（Ga）等动力学试验中的安装要求和导则》（idt IEC 60068-2-47:1982）
6.国际建议OIML D11 Edition 2004(E)“Gleneral requirements for electronic measuring instruments” (电子测量仪器通用要求)
7.GB/T4796-2001《电工电子产品环境试验参数分类及其严酷成度分级》( idt IEC 60721-1-1:1990)
8.GB/T17626.2-1998《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》（idt IEC 61000-4-2）
9.GB/T17626.3-1998《电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验》（idt IEC 61000-4-3：）
10.GB/T17626.4-1998《电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》（idt IEC 61000-4-4：1995）
11.GB/T17626.5-1999《电磁兼容 试验和测量技术 浪涌（冲击）抗扰度试验》（idt IEC 61000-4-5：1995）
12.GB/T2298-91《机械振动与冲击 术语》
13.梁振光.《电磁兼容原理、技术及应用》.北京：中国机械工业出版社，2007.8
14.奚德昌等.《振动台及振动试验》.北京：中国机械出版社，1985.10
15.孙月明等.《机械振动学（测试与分析）》.杭州：浙江大学出版社，1991，11
2008年8月3日
