--- 水表新國標學習體會之三
寧波水表股份有限公司 姚靈
一．概述
水表新國標對水表型式批準試驗分為：“通用試驗項目（適用于所有水表）”和“施加影響量試驗項目（僅適用于電子水表和帶電子裝置水表）”兩大類。通用試驗項目主要有：靜壓、示值誤差、水溫、水壓、逆流、壓力損失、流速場不規(guī)則性、斷續(xù)流量耐久性、Q3下的連續(xù)流量耐久性等九項；施加影響量試驗項目主要有：高溫(無冷凝)（影響因素）、低溫（影響因素）、交變濕熱（影響因素）、振動（隨機）（擾動）、機械沖擊（擾動）、靜電放電（擾動）、電磁敏感性（擾動）、靜磁場（影響因素）、電源電壓變化（影響因素）、短時功率降低（擾動）、浪涌抗擾度（擾動）、電脈沖群（擾動）等十二項。
本文對施加影響量試驗中的嚴酷度等級，以及某些試驗項目的含義、方法、依據(jù)等內(nèi)容作出介紹和描述，便于在理解基礎上準確開展這些項目，達到試驗的預期目的。
二．環(huán)境試驗的分類及其必要性
施加影響量試驗是一種“環(huán)境試驗”，標準對每一項環(huán)境試驗的典型試驗條件都作出了明確規(guī)定。環(huán)境試驗條件可分為：氣候和機械環(huán)境、電磁環(huán)境、電源等三類試驗條件。對電子水表和帶電子裝置水表而言，將其在“氣候和機械環(huán)境”條件下的環(huán)境分為三個等級，即：B級—安裝在室內(nèi)的固定水表，C級—安裝在室外的固定水表，I級—移動式水表；將其在“電磁環(huán)境”條件下的環(huán)境分為兩個等級，即：E1級—住宅、商業(yè)和輕工業(yè)電磁環(huán)境，E2級—工業(yè)電磁環(huán)境。
確定環(huán)境試驗的目的是旨在驗證水表在規(guī)定的條件下工作性能是否符合預定的要求。相對于其他儀表，水表產(chǎn)品通常工作在比較惡劣的環(huán)境中，其外部的溫（濕）度變化、機械振動與沖擊、各類電磁騷擾等都會對其正常工作帶來不利影響和干擾，因此在產(chǎn)品設計階段就應考慮環(huán)境條件因素等對其性能及工作可靠性的影響。目前已能選擇多種技術方案（措施）來保障水表產(chǎn)品正常工作，并可通過模擬環(huán)境條件的試驗方法來驗證水表產(chǎn)品的抗干擾性能。
[注：在評定一種環(huán)境影響量的影響時，其他影響量需保持在參比條件狀態(tài)；某些影響量對水表示值誤差的影響是不變的（如電源電壓變化），與被測體積無比例關系。在其他一些試驗中，影響量對水表的影響與被測體積有關，在這種情況下，為了使不同實驗室取得的試驗結果具有可比性，測量水表示值誤差的試驗體積應相當于在過載流量Q4下排放1min的體積。]
三．“嚴酷度”及相關名詞術語的理解
所謂“嚴酷度”，一般是指環(huán)境參數(shù)的嚴酷度。GB/T4796-2001定義了“環(huán)境參數(shù)嚴酷（程）度”，即：表征每個環(huán)境參數(shù)特征量的值，如正弦振動的嚴酷(程)度用加速度和頻率的量值表征。與“嚴酷度”相關的其他名詞術語有，環(huán)境參數(shù)：描述環(huán)境因素的一個或多個物理、化學、或生物的特征，如溫度、加速度等；環(huán)境因素：單獨或者組合地形成一種環(huán)境條件（如熱、振動）的一種物理、化學或生物的影響；環(huán)境條件：在一定時間內(nèi)，產(chǎn)品所經(jīng)受其周圍的物理、化學和生物條件。
水表產(chǎn)品工作時的實際環(huán)境條件通常是復雜的，且由若干環(huán)境因素及相應環(huán)境參數(shù)所組成。因此當確定某一產(chǎn)品應用的環(huán)境條件時必須考慮以下兩點：列出所涉及的環(huán)境因素；對每一環(huán)境參數(shù)選擇合適的嚴酷（程）度。[ 注：國際建議OIML D11 Edition 2004(E)“General requirements for electronic measuring instruments” (電子測量儀器通用要求)中對各種環(huán)境因素及相應環(huán)境參數(shù)的嚴酷度（等級）做出了明確規(guī)定。]
對以上名詞術語的含義可通過下表作進一步說明（以“氣候環(huán)境條件”為例）。
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環(huán)境條件 |
氣候 |
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環(huán)境等級 |
B（室內(nèi)固定安裝水表）；C（室外固定安裝水表）；I（移動式水表） |
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環(huán)境因素 |
高溫（無冷凝） |
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環(huán)境參數(shù) |
空氣溫度、持續(xù)時間、試驗循環(huán)次數(shù) |
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嚴酷度等級 |
3 |
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嚴酷度 |
空氣溫度：55OC±2OC；持續(xù)時間：1h；試驗循環(huán)次數(shù)：1 |
四．關于“振動和機械沖擊”試驗的理解
“振動（隨機）”和“機械沖擊”是機械環(huán)境條件下的試驗項目，僅適用于環(huán)境等級為I級（移動式水表）的電子水表或帶電子裝置水表。移動式水表（如便攜式水表校驗儀中用作標準表的水表）工作在非固定狀態(tài)，因此更易受到隨機振動和機械沖擊的影響。本試驗適用于在運輸或工作環(huán)境中可能遭受隨機振動和機械沖擊的產(chǎn)品；試驗時樣品應處于無包裝物狀態(tài)。
1.“振動（隨機）”試驗：
振動（隨機）試驗的嚴酷度等級選用了OIML D11中的2級嚴酷度，其振動頻率范圍為：10Hz～150Hz；總均方根加速度（RMS）等級為：7m/s2；加速度譜密度（ASD）等級：在10Hz～20Hz時為1m2/s3；在20Hz～150Hz時為-3dB/倍頻程；試驗軸向數(shù)量為：3；每個軸向的試驗持續(xù)時間為：2min。本項目是一種擾動影響量試驗，其目的是檢驗施加隨機振動后被試水表是否符合國家標準GB/T778.1的6.7.5的要求。
試驗裝置一般采用電動或電液振動臺，并施以寬帶隨機激勵信號。試驗配置應符合國家標準《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法試驗Fh：寬帶隨機振動（數(shù)字控制）和導則》（GB/T2423.56）和《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法 元件、設備和其他產(chǎn)品在沖擊（Ea）、碰撞（Eb）、振動（Fc和Fd）和靜態(tài)加速度（Ga）等動力學試驗中的安裝要求和導則》（GB/T2423.43）的要求。
應當指出，隨機振動試驗是一個復雜的過程，它要求對試驗的基本原理和技術有相當程度的理解，在試驗中還需要具備相當?shù)墓こ膛袛嘟?jīng)驗。與大多數(shù)其他試驗相比，試驗Fh不是以確定性技術而是以統(tǒng)計技術為基礎，因而寬帶隨機振動試驗是以概率和統(tǒng)計平均的形式來描述的。
與試驗相關的幾個主要名詞術語的定義：
（1）隨機振動：在未來任一給定時刻，其瞬時值不能精確預知的振動。
（2）寬帶隨機振動：頻率分量分布在寬帶內(nèi)的隨機振動。( 注：寬頻帶的帶寬與所研究的問題有關，但通常等于或大于一個倍頻程。)
（3）倍頻程：頻率比為2的兩頻率之間的區(qū)間。
（4）加速度譜密度(ASD): 當在帶寬B趨于零和平均時間T趨于無窮的極限狀態(tài)下，各單位帶寬上通過中心頻率f 窄帶濾波器的加速度信號x ( t ) 的方均值即為加速度譜密度G ( f )。其計算公式為：
（5）總均方根加速度（RMS）:在一個周期T內(nèi)，取加速度信號x ( t ) 平方的均方根，即為有效值X RMS,
（6）窄帶濾波器：通帶相當窄的帶通濾波器。對于沖擊和振動來說窄帶通常意味著小于等于1/3倍頻程。
2. “機械沖擊”試驗：
機械沖擊試驗的嚴酷度等級同樣選用OIML D11中的2級嚴酷度，其試驗跌落高度為：50mm；試驗跌落次數(shù)為：1次（每個底邊）。本項目也是一種擾動影響量試驗，其目的是檢驗施加機械沖擊后被試水表是否符合國家標準GB/T778.1的6.7.5的要求。
試驗配置應符合國家標準《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法 試驗Ec和導則：傾跌與翻倒》（GB/T2434.7）和《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 元件、設備和其他產(chǎn)品在沖擊（Ea）、碰撞（Eb）、振動（Fc和Fd）和靜態(tài)加速度（Ga）等動力學試驗中的安裝要求和導則》（GB/T2423.43）的要求。
五．關于“靜電放電”試驗的理解
在低濕度環(huán)境下，人體可通過摩擦帶電并在與被試設備的接觸過程中對其產(chǎn)生放電。靜電放電可能會引起設備中某些電子器件的損壞，從而造成設備的永久性破環(huán)；也可能引起附近電磁場變化，造成被試設備的誤動作。靜電放電抗擾度試驗有“直接放電”和“間接放電”兩種方式（見圖1）。所謂直接放電，即模擬設備操作人員直接觸摸設備時對設備的放電；
所謂間接放電（或空氣放電），即模擬設備操作人員觸摸鄰近設備放電時對被試設備的影響。靜電放電試驗是通過放電發(fā)生器產(chǎn)生放電電流波形（如圖2所示）施加到被試設備上。
靜電放電試驗是一種“擾動”性質(zhì)的影響量環(huán)境試驗。其目的是檢驗在施加直接和間接靜電放電期間水表是否符合GB/T 778.1的6.7.5的要求。試驗配置應符合《電磁兼容試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗》（GB/T17626.2）的要求。在電磁環(huán)境等級為E1、E2時，接觸放電試驗電壓為：6kV；空氣放電試驗電壓為：8kV。在同一次試驗期間，每一試驗點至少施加10次直接放電，放電間隔時間至少為1s；對于間接放電，在水平耦合平面上總計應施加10次放電，在垂直耦合平面上，每一位置總計施加10次放電。
標準要求，從靜電放電期間測得的水表示值誤差減去施加靜電放電之前測得的基本誤差，兩者之差應不超過“高區(qū)”最大允許誤差的二分之一。
六．關于“電磁敏感性”試驗的理解
電磁敏感性試驗（即“電磁輻射”試驗）是一種“擾動”性質(zhì)的影響量試驗。其目的是檢驗被試水表在受到電磁輻射影響時是否符合國家標準GB/T778.1的6.7.5的要求。試驗配置應符合《電磁兼容試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗 》（GB/T 17626.3）和ENV50205的要求。
電磁敏感性試驗是把被測水表（EUT）置于某一電磁試驗環(huán)境中，考核其抵抗環(huán)境電磁場影響的能力。電磁輻射試驗的常用方法是“發(fā)射天線法”（見圖3）。
試驗時被試水表及其至少1.2m長的外接電纜應置于輻射射頻場下。施加電磁場前在參比條件下測量被試水表的基本誤差；然后根據(jù)要求的嚴酷度等級（電磁場載波頻率：26MHz～1000MHz；場強：E1級為3V/m，E2級為10V/m；調(diào)制：80%AM,1kHz,正弦波）逐一從載波的起始頻率至終止頻率分20個頻率段施加電磁場輻射，同時分別測量相應頻率段被試水表的示值；在每頻率段結束施加電磁場輻射的間隙中，計算被試水表對應頻率段的示值誤差；其基本誤差與各頻率段結束施加電磁場輻射的間隙中算得的示值誤差之差（即差錯）應不超過“高區(qū)”最大允許誤差的二分之一。
每次掃描時，應以實際頻率1% 的增幅逐步增加頻率值，直至達到下一個頻率段的起始點（每頻率段掃描增幅的駐留時間必須相同）。
七．關于“浪涌抗擾度和電脈沖群”試驗的理解
1. “浪涌抗擾度”試驗：
當雷電直接擊中戶外線路和鄰近物體時，會在線路上產(chǎn)生巨大的浪涌電壓和電流；變電站開關啟閉瞬間，也會在線路上感應出很大的浪涌電壓和電流。這兩種浪涌的共同特點是能量巨大，波形較緩，重復頻率低。做浪涌試驗時一般采用綜合波形發(fā)生器通過耦合/去耦網(wǎng)絡施加到被測設備上（其波形見圖4）。
浪涌抗擾度試驗（即“浪涌瞬變”試驗）是一種“擾動”性質(zhì)的影響量試驗。本試驗的目的是檢驗在水表連接的若干條長度超過10m的線路上疊加浪涌瞬變時，水表是否符合GB/T778.1-2007的6.7.5的要求。試驗配置應符合《電磁兼容試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》（GB/T17626.5）的要求。
施加浪涌瞬變電壓期間，在（實際或模擬）參比流量下測量被試水表的示值誤差。其與試驗前取得的基本誤差的差值應不超過“高區(qū)”最大允許誤差的二分之一。
2. “電快速瞬變/脈沖群”試驗：
在感性負載電路中，機械開關啟閉往往會對同一電路的其他設備產(chǎn)生干擾，其特點是脈沖成群出現(xiàn)，重復頻率高，波形上升時間短。電快速瞬變/脈沖群抗擾度試驗是利用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生圖5所示波形，通過耦合/去耦網(wǎng)絡施加到被試設備的電源線或信號線（見圖6）。
電快速瞬變/脈沖群試驗也是一種“擾動”性質(zhì)的影響量試驗。本試驗的目的是檢驗被試水表在主電源電壓上疊加電脈沖群的情況下是否符合GB/T778.1-2007的6.7.5的要求。試驗配置應符合《電磁兼容試驗和測量技術 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》 （GB/T17626.4）的要求。
水表在施加脈沖群期間取得的示值誤差與試驗前取得的基本誤差之差應不超過“高區(qū)”最大允許誤差的二分之一。[ 注：被試水表應在參比流量條件下測量示值誤差；在測量示值誤差期間，應以對稱和非對稱方式施加所有脈沖群。]
八．結 語
本文對嚴酷度及相關名詞術語等內(nèi)容作了初步介紹和舉例，并對“振動（隨機）試驗”、“機械沖擊試驗”、“靜電放電試驗”、“電磁敏感性試驗”、“浪涌抗擾度和電脈沖群試驗”等的基本含義、主要試驗方法和要求、以及試驗依據(jù)等作了簡要介紹與描述。由于篇幅限制，文章只能涉及某些試驗項目的基本概念和內(nèi)容。如需進一步了解這方面知識，開展相關試驗工作，可參閱文后所列“主要參考資料”。文章表述有誤之處，敬請批評指正。
主要參考資料：
1.GB/T778.1-2007《封閉滿管道中水流量的測量 飲用冷水和熱水水表》第一部分：規(guī)范
2.GB/T778.1-2007《封閉滿管道中水流量的測量 飲用冷水和熱水水表》第三部分：試驗方法和試驗設備
3.GB/T2423.56-2006《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fh：寬帶隨機振動（數(shù)字控制）和導則》( idt IEC 60068-2-64:1993)
4.GB/T2423.7-1995《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Ec 和導則：傾跌與翻倒》（idt IEC 60068-2-31:1982）
5.GB/T2423.43-1995《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 元件、設備和其他產(chǎn)品在沖擊（）、碰撞（Eb）、振動（Fc和Fd）和穩(wěn)態(tài)加速度（Ga）等動力學試驗中的安裝要求和導則》（idt IEC 60068-2-47:1982）
6.國際建議OIML D11 Edition 2004(E)“Gleneral requirements for electronic measuring instruments” (電子測量儀器通用要求)
7.GB/T4796-2001《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗參數(shù)分類及其嚴酷成度分級》( idt IEC 60721-1-1:1990)
8.GB/T17626.2-1998《電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗》（idt IEC 61000-4-2）
9.GB/T17626.3-1998《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》（idt IEC 61000-4-3：）
10.GB/T17626.4-1998《電磁兼容 試驗和測量技術 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》（idt IEC 61000-4-4：1995）
11.GB/T17626.5-1999《電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》（idt IEC 61000-4-5：1995）
12.GB/T2298-91《機械振動與沖擊 術語》
13.梁振光.《電磁兼容原理、技術及應用》.北京：中國機械工業(yè)出版社，2007.8
14.奚德昌等.《振動臺及振動試驗》.北京：中國機械出版社，1985.10
15.孫月明等.《機械振動學（測試與分析）》.杭州：浙江大學出版社，1991，11
2008年8月3日
