干货分享！户用水表的选型和应用控制
导 读：户用水表是指用于居民家庭生活用水计量的水表，主要包括公称通径DN15～DN25的水表，有时也指包括用作楼栋总表的DN50及以下水表。户用水表按照工作原理和结构型式可分为机械式水表、带电子装置的机械式水表和电子式水表三大类。
1、户用水表的型式和特点
1.1 机械式水表
机械式水表主要有速度式水表和容积式水表两类。速度式水表通常是旋翼式水表，或称旋转叶轮式水表，通过直板形叶轮旋转来感测水流速度。根据冲击叶轮水流的束数分为单流束水表和多流束水表。容积式水表主要有旋转活塞式和章动圆盘式两种，通过循环反复排出固定容积的水来感测水量，我国以旋转活塞式为主。
与叶轮式水表相比较，容积式水表的测量元件基于精密制造，具有更好的计量特性，比如测量范围（Q3/Q1）更大，一般不小于160，对水力扰动不敏感，安装要求更低，但对水质的洁净度要求更高。叶轮式水表的Q3/Q1一般不大于160，对水力扰动较敏感，安装要求较高，但对水质的洁净度要求相对要低一些。单流束水表的计量特性总体比多流束水表略低，安装要求也更高。
机械式水表的计数机构（也称计数器）主要有两类：湿式和干式。湿式计数器与测量元件之间采用齿轮啮合传动，传动效率较高，缺点是与水接触，容易受水质污染，读数清晰度易降低。干式计数器与测量元件之间采用磁耦合传动，传动效率相较湿式计数器略低， Q3/Q1总体也略低于湿式水表，优点是与水隔离，更有利于读数保持长久清晰。液封计数器是湿式计数器一种改进形式，结合了湿式与干式两者的优点，运动机构仍然采用齿轮啮合，读数部分用特殊液体封装，既保持较高的传动效率又利于读数保持长久清晰。
1.2 带电子装置的机械式水表
带电子装置的机械式水表指在保留机械式水表完整结构的基础上加装了电子装置的水表，主要有IC卡预付费水表和远传水表两种，是智能水表的一种。电子装置通过机电转换装置将水表的机械读数转换成电子读数，实现预付费或远程读数、远程控制等管理功能。由于电子装置是一种辅助装置，本身并不能提高水表固有的计量特性，相反，通常要求加装的电子装置不得降低水表的计量特性。带电子装置的机械式水表有机械和电子两个读数，法制管理上将原始读数界定为主示值，即机械读数是主示值，电子读数应服从于机械读数。
智能化的远传水表实现了计量技术与信息技术的有效融合，很好满足了当前社会经济发展的需求，是当前应用的热点。
1.3 电子式水表
电子式水表指测量结果的原始指示为电子指示的水表，包括机械传感电子式水表和电子传感电子式水表。电子式水表通过功能扩展与物联网技术相结合，可以满足更多的管理需要，代表了当前新一代智能水表的发展方向。
将机械式水表的机械计数器用电子计数器代替即为机械传感电子式水表。电子计数器相比较机械计数器，最为明显的优点是可以采用电子修正技术，有利于提高水表的计量性能，结构上取消了机械传动后消除了传动阻力，有利于提高小流量的测量能力。
电子传感电子式水表最为常见的有超声波水表和电磁水表两类，电磁水表因成本相对较高极少应用于户用水表。与机械传感或机械式水表相比，电子传感水表的测量模型理论下限为零，也即意味着不受始动流量限制，可以实现更大的Q3/Q1值。机械传感水表的运动元件需要克服运动阻力，存在理论下限，故有始动流量限制。电子传感水表的始动流量虽然理论下限为零，但外部干扰和内部电路噪声不可避免，必须采取小信号切除措施来抑制干扰，相当于实际仍存在始动流量，但随着电子技术的发展，始动流量和测量下限可以不断突破。
需要注意的是，电子传感水表虽然可以实现更大的Q3/Q1值，但需要伺服供电，为节省电源，通常采用间歇测量的工作模式，在流动变化较大的场合下，比如打开或关闭水龙头阶段，会产生非常显著的计量误差，表明测量模型尚有改进余地。
1.4 电子装置的特性
带电子装置的机械式水表和电子式水表均有电子装置。电子装置的特性指广义上的工作特性，除功能特性外，还包括电源特性、气候环境适应特性、机械环境适应特性、电磁环境适应特性和外壳防护特性等。
电子装置的电源理论上可以采用外部交直流电源和内置电池，以及各种组合。内置电池可采用充电电池、可更换电池和不可更换电池。根据使用习惯，以内置可更换电池和不可更换电池为常见，户用水表尤以不可更换电池为主。
气候环境指水表工作地点随气候变化的高温、低温和湿热环境条件。水表根据安装地点分为建筑物内安装和室外安装两种情形。国家标准规定：建筑物内安装的条件一般要求冬季低温不得低于+5℃，夏季高温不得高于+55℃；室外安装一般要求冬季低温不得低于-25℃，夏季高温不得高于+55℃；一年四季安装地点的湿度可以偶尔高于90%，但不应长期处于高湿度状态。如果安装地点的环境条件超出了标准规定，则需要与制造商特别约定，要求特别设计。
电磁环境指电磁干扰环境条件，干扰形式主要有静电、射频电磁场、传导电磁场、电脉冲群等。静电来源于人体对水表的触碰，射频电磁场来源于电磁波的空间辐射，传导电磁场和电脉冲群来源于传输线耦合。一般认为居住区、商业区和轻工业区的电磁干扰较弱，工业区的电磁干扰更强，电子装置应按应用场所针对性地设计抗干扰特性。
通常意义上的外壳防护特性指电子装置的外壳防止液态水侵入的能力。需要注意的是水不仅能以液态分子团的形态侵入防护外壳，还能以独立分子的形态通过扩散运动侵入，后者的防护情形不属于通常意义上的外壳防护。外壳防护等级无论是IP67还是IP68，仅指浸入水中一段时间外壳能够防止液态水进入壳体内部的能力，不包括长期在高湿度环境下防止水分子扩散侵入的能力。事实上，绝大多数的高分子材料均无法阻止水分子以扩散运动方式迁移，只有高致密性的金属和极少数无机材料才具备这种防护能力。因此长期处于高湿环境下的水表需要对防护外壳进行特别设计。
2、户用水表的选型
2.1 选型基本原则
用好水表，选型是关键的第一步。选型应以适用为基本原则，做到型式匹配、性能适宜、功能满足。对于智能水表，没有应用经验的地区宜循序渐进，可靠优先，切忌冒进。
任何一种型式的水表，总有存在的合理性。机械式水表虽然功能单一，但环境适应能力强，通常不需要特别考虑工作环境条件。带电子装置的水表虽然功能强大，但对工作环境条件要求苛刻。电子式水表虽然Q3/Q1有优势，但需要电源保证，且对电磁和电气干扰敏感。远传水表解决了抄表便利性，但需要可靠的网络传输系统为保障。因此，一个地区选择何种水表需要在充分论证的基础上作出科学决策。决策过程中充分了解水表的各种特性是必要的，同时还需结合本地区的水质条件、管理水平、基础设施和经营目标等因素综合考虑。
2.2 计量特性选型
计量特性的第一关注点是计量技术基础指标：测量范围（Q3/Q1）和准确度等级，如下表所示。
基础指标以容积式水表为最优，超声波水表次之，旋翼式水表再次之。
然而水表选型不仅要关注基础指标，更应关注计量特性的可靠性和长期稳定性。不考虑水质影响，以容积式水表为最优，旋翼式水表次之，超声波水表再次之。一种观点认为超声波水表没有可动部件，具有更好的可靠性和长期稳定性，这个认识缺乏逻辑基础和事实依据。事实上由于超声波水表应用历史短，系统构成远比机械式水表复杂，换能器等关键部件仍有待改进，可靠性控制更加困难。
计量特性选型还需要回答另一个关键问题：是否测量范围越宽越好？从计量收益角度考虑似乎应回答是，测量范围越宽对提升漏损计量收益越有价值，然而换一个角度考虑则并不完全是。一个重要原则是任何特性指标均需要建立在稳定可靠的前提之下，当指标趋向于极限时，必然伴随着可靠性下降的风险。而使用期内可靠性下降不仅会冲抵漏损计量收益，还会带来一定的法律风险。比如使用中的旋翼式水表指标为Q3/Q1=160，因计量纠纷经检定发现不合格，但如果按Q3/Q1=125指标来评判则是合格的，然而法律并没有酌情灵活处理的机制。技术指标保守标称是一种国际通行的做法，既是负责任的表现，也是为了合理规避法律风险。因此从这个角度考虑，典型值更具有参考价值，一种可行的折衷方案是采取内控指标高于明示指标的策略。
2.3 安装特性选型
安装特性指水表对安装条件的适应性，包括水质适应性、水力条件适应性和环境条件适应性。
水质适应性主要考虑两个因素：固体杂质影响和空气混合影响。固体杂质影响适应能力以超声波水表为最优，旋翼式水表次之，容积式水表再次之。空气混合影响适应能力以容积式水表最优，超声波水表次之，旋翼式水表再次之。
水力条件适应性主要依据对前后直管段长度要求和对水力扰动的敏感程度来评价。水表对水力条件的适应性取决于工作原理，以容积式水表为最优，对前后直管段长度基本无要求，对水力扰动基本不敏感；旋翼式水表次之，对前后直管段长度有一定要求，对水力扰动较敏感，其中多流束水表又要优于单流束水表；超声波水表再次之，对前后直管段长度要求较高，对水力扰动非常敏感。
环境条件适应性仅考虑带电子装置的水表，包括温湿度影响的适应性、电磁和电气干扰影响的适应性、机械振动影响的适应性。所有的电子装置只能适应一定范围内的温湿度和电磁电气干扰条件下，超声波水表还对机械振动敏感，不适合应用于有显著振动的场所。
2.4 功能特性选型
功能特性指除计量功能外为满足管理需求所具备的功能，包括预付费功能和远传功能两类。对水表功能特性的选型应基于经营和管理目标进行决策，需要综合考量本地区的能力和条件。
通常认为IC卡预付费水表是一种阶段性产品，最终会被更高效的远传水表所代替，但现阶段局部地区仍然有需求，尤其是基础设施相对落后、水费收缴相对困难的地区。
远传水表有两种通信方式：有线传输和无线传输。
有线传输的优点是通信可靠性高，缺点是网络布线工程量大，一般适合有事先统一规划和设计的新建楼房。
无线传输分私网和公网两种模式。私网一般由供水部门自行组网，第一代无线传输私网采用FSK制式（俗称小无线），由于采用的技术路线允许水表间相互路由，导致水表内置电池传染式快速耗尽，以应用失败而告终。第二代无线传输私网采用LoRa制式。LoRa本身是国际上主流的物联网无线通信制式之一，但受通信频率资源制约，未形成规模应用。与此同时，在华为等物联网巨头的推动下，我国基于公网的物联网无线通信制式很快由GPRS、WCDMA发展到Nb-Iot（窄带物联网）制式，并成为当前的主流。
无线传输的优点在于灵活，私网模式还能够因地制宜布置网络，但缺点是易受气候条件影响，公网模式还受当地基础设施的条件制约。网络投运后需要维护，总的来说公网模式更有优势，既有专业维护保证，又有规模效应。
远传水表的传输数据有高分辨力和低分辨力两类，低分辨力数据仅包含结算总量信息，如光电编码、电阻编码直读式水表，数据表征的信息实时性较差，基于数据分析的二次应用价值相对不高；高分辨力数据同时包含总量和实时用水信息，如无磁传感水表和超声波水表等，基于数据分析的二次应用价值较高。
3、户用水表的应用控制
3.1 控制目的
水表是一种制造质量和正确应用同等重要的计量仪表。受现有科学技术水平制约，应用阶段仍需要较为专业的知识和技术支持，以保证正确应用，从而确保水表发挥应有的计量特性。应用控制是管理水平的重要体现，如果对水表认识不充分，应用环节就不清楚控制要求，后续便可能出现一系列由应用不当而引发的问题。尤其是智能水表，前期全国有很多失败的案例，其中有产品性能和质量的原因，也有技术路线选型和应用控制不当的原因。
3.2 安装
应用的第一个控制环节是安装，通过控制确保水表安装满足正确性、安全性和便利性的“三性”要求。国家标准GB/T 778.5-2018《饮用冷水水表和热水水表 第5部分：安装要求》详细描述了保证水表安装“三性”要求的具体控制要求，包括水质条件、水力条件、管道条件、环境条件以及有关防护措施等。安装要求也是制造商产品使用说明书的必备内容，是水表安装必须遵循的准则。根据《产品质量法》的相关规定，未按制造商的声明使用产品所引起的法律责任由使用者自行承担。我国普遍存在水表安装不规范的现象，不折不扣执行国家标准和使用说明书的安装要求，是保证水表应有计量特性的前提，也是规避绝大多数问题发生的基础。
3.3 维护
户用水表的使用期限不超过6年，使用期间无论是机械式水表还是智能水表，均需通过持续有效的维护来保障计量结果的可信度。通过维护，及时发现故障水表和不受控制的水表，能够最大程度减少计量纠纷、提高计量收益。为此，供水部门有必要建立一支专门的队伍来开展水表的维护工作，包括巡查、保护、清洗、排气、检修、更换、测试、分析等具体措施。
无论是机械式水表还是智能水表，均可充分利用积累的抄表数据实施大数据管理，采用统计技术与历史数据和横向数据进行分析对比，有助于判断每一台水表当前的工作状态。远传水表还可以进一步利用采集的信息及时识别出工作异常的水表，如信息中断、电池电量低、阀门控制异常等。一些智能水表还能形成用水工况流量曲线，利用进一步的数据分析可帮助识别异常大流量、异常小流量、长期无流量、持续超流量等非正常用水工况，方便采取更为精准高效的管控措施。
赵建亮
浙江省计量科学研究院
本文作者赵建亮，就职于浙江省计量科学研究院，正高级工程师，国家一级注册计量师，全国流量计量技术委员会液体流量分技术委员会委员，国际法制计量组织法制计量专家，从事流量计量领域科研和检测工作 25 年，主持和参与起草多项国家、行业标准，饮用冷水水表国家计量检定规程和型式评价大纲的主要起草人。
