使用中水表計(jì)量性能變化趨勢與風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測技術(shù)研究

0 引言

水表作為民生計(jì)量最重要的計(jì)量器具之一被列入國家強(qiáng)制檢定計(jì)量器具目錄，水表計(jì)量數(shù)據(jù)是用戶繳納水費(fèi)、污水處理費(fèi)和部分企業(yè)繳納排污費(fèi)的依據(jù)。其計(jì)量性能影響到每家每戶老百姓、用水企業(yè)和自來水公司的切身利益，因而備受社會關(guān)注。如何管理好水表強(qiáng)制檢定是各級質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門法制計(jì)量的重要內(nèi)容，是各級地方政府貫徹實(shí)施國務(wù)院《計(jì)量發(fā)展規(guī)劃（2013－2020年）》的重要內(nèi)容。

水表在使用過程中，易受到使用環(huán)境、內(nèi)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(jì)數(shù)器、電子裝置等性能指標(biāo)易隨時(shí)間的推移而逐漸變差，存在危及計(jì)量安全的風(fēng)險(xiǎn)。目前行業(yè)中缺少長期使用中水表的計(jì)量檢測數(shù)據(jù)（常規(guī)專項(xiàng)抽查時(shí)耐久性試驗(yàn)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(jì)量性能情況，國內(nèi)研究基本還是一片空白。

目前行業(yè)中缺少長期使用中水表的計(jì)量檢測數(shù)據(jù)（常規(guī)專項(xiàng)抽查時(shí)耐久性試驗(yàn)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(jì)量性能情況，國內(nèi)研究基本還是一片空白。目前國內(nèi)對貿(mào)易結(jié)算冷水水表到期輪換和周期檢定的監(jiān)管普遍處于真空狀況，我們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(shù)據(jù)支撐。

1 技術(shù)路線

1.1 調(diào)研

對國內(nèi)典型城市水表質(zhì)量抽檢的情況進(jìn)行調(diào)研；對本地區(qū)自來水公司供表生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，了解產(chǎn)品類型；對各地區(qū)用水水質(zhì)進(jìn)行調(diào)研。

1.2 分析風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

針對本地區(qū)各類水表的特點(diǎn)和使用情況，結(jié)合JJG162－2009和GB/T778.1－2007的技術(shù)要求分析出風(fēng)險(xiǎn)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(shù)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(dá)到理想的抽樣效果。多階段抽樣具體操作過程是：

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，依此類推，直到獲得最終樣本。

在多階段抽樣中每一級都會帶來一些誤差。似乎增加一級抽樣便會更加一些誤差，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作用，使群內(nèi)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。可見，多級抽樣雖然增加誤差來源，但不一定會使誤差的數(shù)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(nèi)方差和群間方差的關(guān)系而定。在既定檢驗(yàn)費(fèi)用的條件下，多階段抽樣可以通過調(diào)整各個(gè)階段的樣本數(shù)，選擇各個(gè)層次最優(yōu)樣本量來達(dá)到最小估計(jì)誤差水平。

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

1.4 初步抽樣

根據(jù)抽樣方案確定的初步抽樣量實(shí)施抽樣，并記錄現(xiàn)場情況（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(jù)GB/T778.1－2007《封閉滿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(yàn)及型式評價(jià)方面的內(nèi)容，涵蓋所有風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，水表一般應(yīng)覆蓋以下檢驗(yàn)項(xiàng)目，詳見下表。

表1 檢測項(xiàng)目及依據(jù)

1.6 分析抽樣誤差來源及計(jì)算

若初級單元中包含的次級單元個(gè)數(shù)為M，因此在抽中的初級單元中再抽取次級單元個(gè)數(shù)也相等，記為m；且兩個(gè)階段的抽樣方法都是簡單隨機(jī)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(dú)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(nèi)方差。

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

    （1）

估計(jì)量這是一個(gè)無偏估計(jì)量

方差

其中

方差的無偏估計(jì)為

    （2）

根據(jù)前述，第一級的抽樣帶來的抽樣誤差應(yīng)該為

    （3）

單就整個(gè)總體來說，第二級的抽樣誤差不僅與各群內(nèi)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(jié)合起來考慮，則第二級抽樣帶來的誤差為

    （4）

第二級的抽樣誤差就每個(gè)群來說為

    （5）

但就整個(gè)總體來說，第二級的抽樣誤差不僅與各群內(nèi)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(jié)合起來考慮，則第二級抽樣帶來的誤差為

    （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(xiàng)。

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，可見抽樣數(shù)目如何合理分配在各級之間，是一個(gè)重要的問題。

1.7 確定樣本容量

樣本容量與檢驗(yàn)預(yù)算有關(guān)，也與抽樣誤差有關(guān)。在實(shí)際工作中，檢驗(yàn)預(yù)算是有限的，對調(diào)查誤差也有一定的要求。因此，要根據(jù)總檢驗(yàn)費(fèi)用預(yù)算和抽樣誤差兩方面來確定樣本容量。現(xiàn)思路是在給定費(fèi)用的條件下，研究如何配置樣本量，使估計(jì)的方差達(dá)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(shè)ci為第i階段調(diào)查每一個(gè)i級組單位的平均費(fèi)用，則總調(diào)查費(fèi)用為

    （8）

在總檢測費(fèi)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(jù)樣本容量進(jìn)行補(bǔ)充抽樣

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

1.9 對補(bǔ)充抽樣樣品進(jìn)行檢驗(yàn)

按技術(shù)路線第五點(diǎn)的要求進(jìn)行。

1.10 匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，研究使用中水表計(jì)量性能變化趨勢的特點(diǎn)

數(shù)據(jù)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(jì)量性能，繪制“運(yùn)行時(shí)間計(jì)量特性曲線圖”，目的是研究水表計(jì)量性能變化和運(yùn)行時(shí)間之間的關(guān)系。第二部分，水表耐磨損試驗(yàn)。選擇用水量相同的水表作為實(shí)驗(yàn)樣本，通過對樣本的檢定來驗(yàn)證水表的計(jì)量性能和用水量的關(guān)系，繪制出“流量計(jì)量特性曲線圖”，目的是研究水表計(jì)量性能變化和運(yùn)行水量之間的關(guān)系。第三部分，驗(yàn)證修理后再用水表的計(jì)量性能。