全是重点！大口径水表的选型和应用控制
导 读：大口径水表通常指公称通径大于DN50的水表，主要应用于工业和商业用户的贸易结算计量、管网系统的分区计量（DMA）和消防、园林等用水计量。大口径水表虽然数量比例小，但用水计量的总量通常是户用水表计量总量的2倍以上，工业发达地区甚至高达4倍。因此，大口径水表的计量收益对一个地区的用水管理和产销差控制起到至关重要的作用。
1大口径水表的型式和特点
1.1 大口径水表的型式
大口径水表的型式较为丰富，如下表所示。
1.2 大口径水表的特点
现有大口径水表都是基于测量水流速度来实现流量测量，故称为速度式水表，假定面积已知，与流速的乘积即为流量，流量按时间积分得到水的体积总量。速度式水表的压力损失越小则流通能力越大，更有利于控制管网输水能耗。
水平螺翼式和垂直螺翼式水表感测水流速度的元件是螺旋形旋转叶轮。水平螺翼式水表的叶轮旋转轴与管道中心轴线相同，且水平布置。垂直螺翼式水表的叶轮旋转轴垂直于管道轴中心线，且竖直布置。近年来，水平螺翼式水表的叶轮通过采用高强度工程塑料轻型化设计，能够实现更宽的测量范围，并可实现旋转轴倾斜或竖直安装，为区别于传统水平螺翼式水表，称之为涡轮式水表。
将水平螺翼式和垂直螺翼式水表的机械计数机构用电子计数器代替，即为机械传感电子式水表。由于机械传感电子式水表没有了传动阻力，故有更好的测量下限能力，再加上电子修正技术，可以实现比机械式水表更好的计量特性。
复式水表是一种由大小口径水表组合而成的水表，大流量流经大口径水表，小流量流经小口径水表，大小水表之间通过转换阀进行控制。大水表的Q3和小水表的Q1构成了复式水表的测量范围，故Q3/Q1非常大。虽然复式水表具有很宽的测量范围，但由于转换阀的开关按水流大小自动控制，频繁动作以及受杂质污染后极易发生工作点偏移甚至故障，实际效果并不理想。
超声波水表基于超声波顺流和逆流传播时间差法的工作原理，时间差与水流速度近似成正比。与户用超声波水表不同，大口径超声波水表可以安装多个声道，能够大幅提高计量性能，并且能较好地降低对流场畸变的敏感度。声道越多，超声波水表的计量性能表现越好。
电磁水表基于法拉第电磁感应定律的工作原理，磁场垂直穿过水流，水流切割磁力线产生感应电动势，感应电动势与水流速度成正比。电磁水表的测量原理非常切合流量的定义，测量模型在各种水表中具有优势。
机械传感水表的叶轮由水流驱动旋转，优点是传感端应激响应，不需要消耗电能，缺点是机械运动受到来自流体和传动等的阻力影响，因此有理论测量下限。电子传感水表的传感端工作机制为激励响应，超声波水表的传感激励信号为超声波，电磁水表的传感激励信号为磁场，需要消耗电能来产生，优点是理论测量下限为零，可以实现很宽的测量范围，实际由于存在外部干扰和内部噪声，受当前技术水平限制仍然有测量下限。
电子传感电子式水表通常采用内置电池供电和低功耗设计，优点是电路热噪声小，可实现远大于机械传感水表的测量范围，缺点是通常为了省电以延长电池使用寿命而采用间歇测量模式。当间歇测量的频度较低时，在流动变化较快的场合下容易产生显著的测量误差，如下图所示。
2大口径水表的选型
2.1 用水工况
用水工况是指用户在正常生产生活条件下管道内水流量的变化状况，通常可以用流量与时间的关系曲线来描述，主要有以下四种基本形式：
①稳定流，流量不随时间显著变化。
②缓变流，流量随时间缓慢变化。
③瞬变流，短时间内流量忽大忽小，变化急剧。
④断续流，流量通一段时间再停止一段时间，反复循环。
更复杂的用水工况是四种形式的组合。
通过用水工况分析，能够大致确定用户各时段用水的峰谷流量和用水比例，便于进一步结合水表的性能指标选择水表型式。原则上水表的测量范围应覆盖工况流的最小流量和最大流量，主要用水时段的流量应落在水表分界流量以上。
2.2 工况流的适应性
不同型式的水表对以上四种工况流的适应能力不同，见下表。
复式水表不适应于瞬变流的主要原因是转换阀的动态响应比较困难，频繁动作下性能下降较快。超声波水表不适应于瞬变流的主要原因是瞬变流的流动特征与测量所依据的数学模型不相符。电磁水表不适应于瞬变流的主要原因是间歇测量的频次不足容易产生较大的测量误差。超声波水表和电磁水表适应于断续流的条件是要求在通流期间的工况流相当于稳定流或缓变流，持续时间较长，而断流过程要求快速。
不同型式的水表有不同的特性表现。大口径水表在选型过程中必须认识到只有水表型式与工况流的特征相匹配才能发挥水表应有的计量特性，型式不匹配必然会导致计量失准的情况发生。
2.3 安装条件适应性
安装条件需要考虑环境条件、水质条件、管道条件和水力条件等，各种型式的大口径水表对安装条件的适应性如下表所示。
2.4 选型原则
大口径水表的选型应遵循特性匹配原则，即水表的型式特征必须与用水工况和安装条件相匹配，避免偏面追求某种性能或功能的先进性而忽略应用场景的匹配性。大多数情况下，计量失准的原因并不是由水表本身的计量性能不合格引起，而往往是由型式与应用场景不匹配造成。水表的任何特性，不限于计量特性，一旦与应用场景不匹配，出问题是大概率事件，且往往表现为全面性的问题。因此只有在特性匹配的基础上选择计量性能更好、应用功能更丰富的水表才是有意义的。
匹配选型是一项管理性和技术性相结合的工作，包含了策划、实施、总结、提高的循环过程，需要采取调查分析、数据统计、同类对比、经验推断等一系列措施，因此供水部门成立并培养一支专业的队伍来从事这项工作是非常有必要的。
3大口径水表的应用控制
3.1 安装
用好水表，选型是基础，控制是关键，安装是控制的第一步。正确规范的安装是保证水表计量准确、合理延长使用期限的基础。
安装要保证三性：安全性、正确性和便利性。安全性指安装地点既要保证安装人员的操作安全，又要保证水表的工作安全。没有可靠防护的高空、易燃易爆有毒有害气体堆积的深井和有漏电风险的电力设施附近等场所对安装人员的操作安全存在威胁，应避免安装水表。水淹、冰冻、高温、雷击、水力冲击、空气积存等不可控的场所不利于水表安全工作，也应避免。
正确性是指水表的安装既要符合制造商的规定，又要符合水表安装通用标准（GB/T 778.5-2018）的规定，包括（不限于），水表前后直管段的长度、内径等管道条件要准确控制，水表的安装方位要与制造商要求一致，安装前的管道清洁和安装后的管道排气等操作步骤要规范实施等。
便利性指水表的安装地点和固定方式要便于抄表和维护。安装地点要尽可能选择在适合水表运输的位置，并适合安装人员的操作，还应方便日后开展抄表、检查维护和更换等工作。水表上下游直管段的前后位置应安装检修阀门，前直管段上游尽可能安装过滤器，方便维护维修。
3.2 维护
有效的维护是提高计量结果可信度、延长水表使用寿命的必要手段。水表在使用过程中不可避免地会受到水质污染、环境侵蚀等因素的影响。定期采取排污、清洗、排气、加固、电池更换等维护措施可以减缓这些不利影响的扩大化，使得水表持续工作在适宜的工作条件之下。定期维护还能及早发现水表故障或受到非受控修改的情况，及时采取措施以减少计量损失，避免计量纠纷扩大化。
3.3 计量核查
维护能够发现显性的故障或计量失准，但难以发现隐性的计量失准，这就需要采取计量核查措施来保证。水表是一种易于制造而难以使用的计量仪表，产品质量和规范使用同等重要，这是计量核查必要性的逻辑基础。
计量核查通常有两种方式，一是定期拆下水表送到实验室进行检定或校准，二是在不拆表的情况下进行现场核查。更有效的措施是两种方式相结合，通过定期检定或校准来验证水表固有性能处于合格状态，通过现场核查来验证水表工作状态下的性能是否合格。
建议首次安装完毕投入使用前有必要开展第一次现场核查，以确认实际工作状态下水表的计量准确度在允许范围内，否则应查找原因并加以解决。使用一段时间后，在检定或校准的有效期内有必要采取一次或多次核查，以确认水表是否持续处于准确计量状态。如果选型正确、安装规范，并且经验表明水表的性能稳定，可以减少核查次数，否则应增加核查次数。国家计量检定规程JJG 162-2019《饮用冷水水表》附录A《水表的使用中检查方法》给出了现场核查的方法，可以参照使用。
对大口径水表开展现场核查通常是比较困难的，如果在安装环节已经考虑了核查方法并预留了核查接口，则这项工作就可以持续方便地实施。从管理角度看，现场核查的重要性高于定期的检定或校准。特别是国家市场监督管理总局将大口径水表从依法实施强制管理计量器具目录中删除以后，使用单位的自主管理尤为重要，而现场核查是做到心中有数最直接的手段。
本文作者
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。
