【国家标准(GB)】 水文仪器可靠性技术要求

ICS.07.060
中华人民共和国国家标准
GB/T18185-2000
水文仪器可靠性技术要求bZxz.net
Specification of reliability for hydrologic instruments2000-08-14发布
2000-12-01实施
国家质量技术监督局发布
YYKAONrKAca
GB/T18185-2000
引用标推
可靠性设计程序
产品可靠性技术要求
抽样检验及验证考核方法
结果分析统计及故障判定…
9试验记录与报告
附录A(标准的附录）
一次抽样方案
附录B（提示的附录）抽样方案示例目
附录C（提示的附录）可靠性估计及验证方法示例附录D（提示的附录）水文仪器可靠性试验报告附录E（提示的附录）水文仪器现场使用故障统计表次
KAIKAca
GB/T18185—-2000
本标准是根据《水利部水利水电技术标准体系表》及“水利部产品技术标准编制八·五”计划\进行编制的。
本标准主要从产品可靠性工程设计角度出发，根据水文仪器的产品结构和专业特点，考虑到产品长期（或周期性）处于野外恶劣的环境中，并要求能满足连续自动工作或手工操作测验所特定的使用要求，即从设计、研制、试验及生产流程上，按照既要保证产品使用的实效性、耐久性，又要能实现产品设计预定的可靠性目标等诸要求进行编制。本标准与GB/T9359.1～9359.8--1988《水文仪器总技术条件》系列标准、GB/T15966一1995《水文仪器基本参数及通用技术条件》并列为水文仪器专业的产品基础性通用标准。
本标准在规定产品可靠性设计指标系列及试验方法等内容时，基本按GB/T13336一1991《水文仪器系列型谱》规定的仪器分类顺序展开，其中可靠性指标系列不仅是作为水文仪器的各大类仪器设计、研制及试验测试时的指导，参考，也是编制产品标准或产品技术条件等技术文件中相关内容的选择、确定依据。
本标准的附录A是标准的附录；
本标准的附录B、附录C、附录D、附录E都是提示的附录。本标准由水利部机械局提出。
本标准由全国水文标准化技术委员会水文仪器分技术委员会归口。本标准负责起草单位：水利部南京水利水文自动化研究所；参加起草单位：水利部科技司。本标准主要起草人：冯讷敏、陆旭、马济元、施正乎、姚永熙、李玉萍。本标准委托水利部南京水利水文自动化研究所负责解释。HYYKAONYKAca
1范围
中华人民共和国国家标准
水文仪器可靠性技术要求
Specification of reliability for hydrologic instrumentsGB/T18185—2000
本标准规定了水文仪器可靠性技术设计的基本原则、描述方法、建立数学模型、指标分配及预计、可靠性通用要求、指标系列划分、抽样规则、验证试验及考核方法、结果统计及故障判定、试验报告等要求。本标准适用于一般江河、感潮河口、湖泊、水库、明渠，以及地下水中测量各种水文参数的水文仪器。2引用标准
下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB/T2689.1—1981恒定应力寿命试验和加速寿命试验方法总则GB/T2689.2—1981寿命试验和加速寿命试验的图估计法（用于威布尔分布）GB/T2689.3一1981寿命试验和加速寿命试验的简单线性无偏估计法（用于威布尔分布）GB/T2689.4一1981寿命试验和加速寿命试验的最好线性无偏估计法（用于威布尔分布）GB/T2829—1987周期检查计数抽样程序及抽样表（适用于生产过程稳定性的检查）可靠性、维修性术语
GB/T3187--1994
GB/T4086.2-1983统计分布数值表X2分布设备可靠性试验可靠性测定试验的点估计和区间估计方法（指数分布）GB/T5080.4——1986
GB/T5080.6—1986
设备可靠性试验恒定失效率假设的有效性检验设备可靠性试验恒定失效率假设下的失效率与平均无障碍时间的验证试GB/T5080.7-1986
验方案
GB/T5081-1985
GB/T6993—1986
电子产品现场工作可靠性、有效性和维修性数据收集指南系统和设备研制生产中的可靠性程序设备可靠性试验推荐的试验条件室内便携设备粗模拟GB/T7288.1-1987
GB/T7288.2—1987设备可靠性试验推荐的试验条件GB/T 7289-1987
可靠性、维修性与有效性预计报告编写指南系统可靠性分析技术失效模式和效应分析（FMEA)程序GB/T 7826-—1987
GB/T7827—1987
GB/T 7828—1987
可靠性预计程序
可靠性设计评审
GB/T9359.5--1988水文仪器总技术条件基本环境试验条件与方法GB/T9359.7-—1988水文仪器总技术条件安全要求GB/T13264--1991
不合格品率的小批计数抽样检查程序及抽样表GB/T15966-1995水文仪器基本参数及通用技术条件SL.10-—1989水文仪器术语
国家质量技术监督局2000-08-14批准HIKAONIKAca
2000-12-01实施
3定义
GB/T18185—2000
除下列定义外，本标准所采用的其他可靠性术语定义、符号见GB/T3187和SL10。3.1平均寿命
产品在交付使用后工作寿命的平均值。它可分为下列两种情况：①对不可修复或不值得修复的产品，平均寿命是指产品发生失效前工作时间的平均值，记作MTTF。
②对可修复产品，平均寿命是指相邻两故障间工作时间的平均值，又称平均无故障工作时间，记作MTBF.
3.2生产方风险
在抽样方案的抽查特性(oc)曲线上，对应于事先确定的、具有比较小的拒收概率的一个点称为生产方风险点，这个拒收概率（本标准规定为0.05）称为生产方风险。3.3生产方风险质量
对于任一抽样方案，具有规定的生产方风险的批不合格品率。以P。表示生产方风险为0.05时的生产方风险质量。
3.4使用方风险
在抽样方案的抽查特性（oc）曲线上，对应于事先确定的、具有比较小的接收概率本标准规定为0.10)的一个点，称为使用方风险点，这个接收概率称为使用方风险。3.5使用方风险质量
对于任一抽样方案，具有规定的使用方风险的批不合格品率。以P表示使用方风险为0.10时的使用方风险质量。
3.6合格质量水平（AQL）
在抽样检验中，可以接受的连续提交检查批的过程平均上限值。3.7不合格质量水平（RQL）
在抽样检验中，认为不可接收的批质量下限值。它们是所有认为不可接收的批的每百单位产品不合格品数或每百单位产品不合格数的最小值。3.8周期检查
为判断在规定周期内（按时间规定，也可按制造单位数量规定）生产过程的稳定性是否符合规定要求，从遂批检查合格的某个批或若干批中抽取样本的检查。3.9判别水平
判别生产过程稳定性不符合规定要求的能力大小的等级（本标准规定按GB/T2829中三个不同的判别水平执行)。
4总则
4.1目的
为水文仪器的研制、设计、试验、生产、验收、使用等方面提供基本可信的可靠性传递基础及技术要求。
为水文仪器的质量控制、可靠性增长提供标准技术依据。为水文仪器的可靠性描述、建模、预计、指标分配及指标系列划分、试验验证、故障判定等提供科学的可供选择的指导性技术文件。4.2基本原则
a）水文仪器在研制、设计、试验及生产中，均应有明确的可靠性指标要求，其确定原则参照5.1及6.2要求；
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b）仪器机电结构及电路设计、元器件数量、组装方式应尽量简化：c）仪器应尽量采用成熟的、实用有效的标准结构及典型电路单元，确保产品的模块化、标准化、通用化水平；
d）某一类仪器新品推出应按系列化设计，在成熟产品基础上逐步扩展，并应在继承的基础上应用和采纳新技术
e）仪器采用元器件的规格品种应尽量简化，注意提高元器件的复用率，对选用的新的元器件应预先了解其可靠性水平；
f)必要时在仪器设计中应对关键电路、部件及元器件采用适当的亢余技术；g）新仪器总体设计方案除应事先进行可行性论证外，还必须进行仪器可靠性模型分析及指标预计，达不到规定可靠性指标时应修改方案或另选方案。4.3描述方法
可靠性系指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。可靠性有广义的和狭义的两种含义。描述水文仪器的可靠性，从广义可靠性出发，本标准推荐使用有效度来表示，即：MTBF
A=MTBF+MTTR
式中，A一-有效度；
平均无故障工作时间，h；
MTTR一平均修复时间，h。
从狭义可靠性角度出发，根据水文仪器的产品门类及工作特征，推荐采用以下可靠性特征量进行描述：
a）平均无故障工作时间（MTBF）；b）可靠度R
产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率；c）失效率
工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。5可靠性设计程序
水文仪器可靠性设计的基本任务是在现有技术水平条件下，从系统、设备或装置的总体设计、元器件选用、电路稳定性设计、机械结构及工艺设计、维修、安全等方面，采用各种措施，在性能指标、功能、成本、时间、重量、体积等因素综合平衡下，实现既定的可靠性指标。5.1可靠性指标的规定
观测水文要素的仪器、设备或装置，根据其工作的不同方式和要素的测量要求可分为连续性工作的水文仪器和间歇性工作的水文仪器两大类，不同类别的仪器选用不同的可靠性指标，连续性工作的水文仪器，适用于连续测量水文要素随时间变化的过程，而仅在仪器作必要的更换附配件、读取数据、保养、修理时，才暂时停止其工作，其持续的时段可以是一天、一周、一月、数月、数年。水文仪器连续性工作特点，一般是由被测水文要素测量要求所决定的。连续性工作的水文仪器其可靠性指标规定为平均无故障工作时间MTBF。间歇性工作的水文仪器仅测量瞬时或某一时段水文要素随时间变化的过程。一般讲该时段可以是数秒、数分、数小时。而大部分时间，仪器处于储备闲置状态。间歇性工作的特点一般也是由被测水文要素测量要求所决定的。间歇性工作的水文仪器可靠性指标规定为可靠度R（t）。5.2建立可靠性模型
为了对水文仪器的可靠性做出定量的分配、预计、评价，以及对可靠性设计进行分析，首先应建立可靠性模型。
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可靠性模型的建立应在仪器设计阶段进行，并当产品设计、技术指标、环境要求、实验数据、工作模式发生变更时，随时修改可靠性模型。可靠性模型分为基本可靠性模型和任务可靠性模型两类。对单台套水文仪器或系统而言，若仪器处于既无亢余，又无替代工作模式的情况下，基本可靠性模型即可用来估计任务可靠性，构成仪器的所有设备、功能块组成串联模型。当多台套设备组成系统，或虽为单台设备，但系统或设备中有穴余或替代工作模式的复杂系统时，则可同时考虑基本可靠性模型和任务可靠性模型。5.2.1般描述
水文仪器的可靠性模型，包括可靠性框图和与之对应的数学模型。可靠性框图是仪器组成各单元从任务可靠性角度出发，表现其逻辑关系的方框图，即表示仪器在成功完成任务时，所有单元之间的相互依赖关系。可靠性框图可用对应的数学模型加以描述。可靠性框图应能正确、清晰反映仪器各个单元之间在可靠性功能上的联系，以及这些单元功能对仪器工作的影响程度，以保证仪器完成其预期的功能。可靠性框图应能与仪器功能结构框图、原理图相协调。可靠性框图数学模型的输入、输出应与仪器分析模型的输入、输出相一致。5.2.2建立可靠性框图原则
水文仪器可靠性框图的建立应满足如下要求：a）可靠性框图中的每一个方框都是能完成某一功能的功能块，根据仪器本身的复杂情况，功能块可以是一台设备、一个单元电路、一个部件、一个元器件或一个零件。一般情况下，建立系统可靠性框图时，可划分至设备。建立设备可靠性框图时可划分至功能级，特别重要的元器件、零件，允许单独列出，以保证可靠性框图的简明、直观；b）可靠性框图除特殊情况外，每一个方框发生的故障都是相互独立的，即任一个方框发生的故障与其他方框是否出现故障无关：c）可靠性框图描述的是各单元之间的可靠性逻辑关系，不涉及单元的复杂程度、工作环境的严酷程度，以及工作时间长短等其他因素。5.2.3仪器可靠性框图结构
水文仪器的可靠性框图从基本可靠性出发均为串联系统。对有几余或替代工作模式的设备或系统从任务可靠性出发，具有串并联混合系统的框图，但通过有关可靠性数学理论计算，并联部分将得以简化，故水文仪器的可靠性框图最终为单一的串联系统。5.2.3.1当水文仪器为单台套设备时，典型的水文仪器功能框图如图1所示。传感AF
变换B
测量C
时钟D
变换E
显示记录输出F
图1典型的水文仪器功能框图
根据上述的功能框图，遵循建立可靠性框图的原则，典型的水文仪器可靠性框图如图2所示。RR
图2典型的水文仪器可靠性框图
而与之相对应的数学模型为：
式中：R(t)——设备总可靠度：R,(t)——第i个单元可靠度。
对各种不同单台套水文仪器均可参照上述可靠性框图形式，进行更为恰当、合理、明确、具体的划HYYKAONYKAca
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分。对若干台设备组成的系统，可划分至单台设备，同样组成串联系统可靠性框图。5.2.3.2串并联混合系统可靠性框图的简化a）纯并联系统可靠性框图如图3所示：Ri
图3纯并联系统可靠性框图
其数学模型为：
R.(t) —1
b）串并联系统可靠性框图如图4所示；R
图4串并联系统可靠性框图
其数学模型为：
R,(t) =1 - 1
c）并串联系统可靠性框图如图5所示：R,
图5并串联系统可靠性框图
其数学模型为：
R,(t) =
5.2.4水文仪器可靠性数学模型
[{1 [1-R,(t)])
若水文仪器可靠性模型为单一串联系统，则：a）可靠性模型的可靠度R(t)等于各单元可靠度R,(t)的乘积，见式(2)；b）可靠性模型的失效率入(t)等于各单元入(t)的和，即：()
式中：入(t)——设备的总失效率，入,(t)—-—第i个单元的失效率。a(t)
c）若各单元失效分布服从指数分布，则仪器失效分布也服从指数分布，即：R-e-
（3）
（4）
（6）
（7）
上述公式说明，要提高系统设备的可靠度，可通过减少单元数目、降低单元失效率、缩短工作时间得5
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以实现。
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5.3可靠性指标的分配
可靠性分配是将可靠性指标或预计所能达到的指标值加以分解，科学合理地分配到规定的产品单元。可靠性指标的分配应根据仪器可靠性框图进行划分，即每一个方框均应有相应的可靠性指标，使仪器的可靠性指标得以保证。
5.3.1加权因子
对水文仪器串联系统可靠性框图进行可靠性分配，基于如下条件：a）组成系统的各设备或组成设备的各功能块，其故障是相互独立的；b）组成系统的各设备或组成设备的各功能块的失效率都是常数，即它们的寿命均服从指数分布。在机械类水文仪器中，某个零件的寿命可能符合对数、正态分布或威布尔分布，但作为其所在功能块来讲，认为其寿命仍然服从指数分布；c）系统(设备)的失效率为常数，且是各设备(功能块)失效率的加权和。由此，对由n(n≥1)个单元组成串联系统而言，可得：AT
式中：T一一系统要求执行任务时间，即任务周期；入—一系统应具有失效率指标；n一一设备或功能块数目，即方框数；At
t一一第：个设备或功能块在任务周期内的工作时间入一一分配给第；个设备或功能块的失效率。（8）
为了科学合理地将总失效率指标分配到各设备或功能块，有必要引入加权因子C，且有：0≤C,<1；ZC=1;
则可求得失效率分配方程；
当第；个设备或功能块在任务周期内的工作时间等于任务周期时，则式（9)可为：=C
（10）
由式（10)可见可靠性指标中的加权因子C一且确定，则根据系统总失效率即可求得各相应设备或功能块失效率。
5.3.2比例分配法求加权因子
符合下列条件之一者，可应用比例分配法来求解加权因子。a）产品结构比较简单，成熟，各功能块已作过可靠性预测，或有这方面的经验数据，b）有相似老产品，并具有一定的老产品历史现场失效率记录，或有这方面的实例；c）设备主要部分由外购件构成，且有这些外购件较完整的可靠性资料。工(K为比例系数）
令，=C
则失效率分配方程为：
若各功能块已作过可靠性预测，并获得先验信息，则：K
其中入、入为可靠性预测值。
若具有相似老产品历史失效记录6
(i - 1,2...*n)
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（12）
其中入、入为历史失效记录。
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K，一且确定，即可求得各功能块相应的失效率。5.3.3综合因子评定法求加权因子A od
5.3.3.1符合下列条件之一者，可应用综合因子评定法，求解加权因子。a）有多台设备组成系统，对系统进行可靠性指标分配时；b）技术比较复杂，工作条件比较恶劣或采用新技术时；c）无相似产品时。
（13）
综合因子评定法考虑了各功能块的复杂性、重要性、环境条件、维修性、技术成熟程度、可靠性改进潜力等因素。
每一个因素给出一个定量的评价系数K，第i个单元的第j个评价系数记作K，（i=1,2，.n.j-1,2,*p)。
则第：单元的综合评定值：
整个系统综合评定值：
加权因子为：
5.3.3.2评价系数K，可按照以下各项来确定：a）结构复杂程度
最简单的功能块赋值为1，最复杂的功能块为10，其余按复杂程度取1~10之间的整数；b）环境条件
（14）
（15）
（16）
当系统内各功能块单元按GB/T9359.5进行分类，工作于不同环境条件下时，可按表1赋值。当系统内各功能块单元处于同一工作环境条件下时，可按不同功能块对环境的敏感程度，及对可靠性影响分别赋值：
表1环境评价系数表
使用环境
评价系数
c）重要程度
室内用仪器
室外用仪器
水下场合
船载仪器
车载仪器
高原场合
重要程度最高的单元赋值为1，重要程度最低的单元赋值为10，其余按重要程度取1～10之间的整数；
d）可维修程度
可用各功能块平均维修时间来确定评价系数，见表2：表2维修程度评价系数表
平均维修时间，h
维修程度评价系数
根据仪器具体情况，还可增加技术成熟程度，可靠性改进潜力，元器件成熟程度，运行工作时间等因素，来确定评价系数Kij。
5.4可靠性分析
可靠性分析通过对产品的各组成单元（元件或功能块）潜在的各种失效模式，及其对产品功能的影7
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响（效应），产生后果的危害程度进行分析，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品的可靠性。可靠性分析工作应贯穿于整个设计过程之中。水文仪器的可靠性分析一般采取如下步骤：a）绘制设备的功能逻辑框图，功能逻辑框图说明构成设备或系统的各个单元或功能块之间在功能上的依从关系。根据水文仪器的复杂程度，较简单的产品可分解到元器件，较复杂的产品可分解到单元电路或功能块，也可进行简化处理，仅分解到重要元器件或重要功能块。多台设备组成的系统，应对每个设备分别分解：
b）掌握元器件或功能块的失效模式对重要的元器件或功能块应找出失效模式及其相应出现概率，其依据如下：一该元器件首次采用，可以以被认为具有类似功能结构的元器件为依据；一常用的元器件，以过去使用时失效模式及失效率为依据；按经验判断。
并列表表示各重要元器件或功能块失效的若干种情况及其相应出现的概率。c）按照失效模式对设备造成影响的严重程度，划分成六个严酷度等级，见表3；d）采用网络图分析法
利用网络图分析法来确定失效模式危害度大小。即以严酷度等级为纵坐标，失效模式出现概率为横坐标，确定重要元器件或功能块在网络图中的位置，其中离原点越远的元器件或功能块，其危害度越高；e）提出预防措施
表3严酷度等级表
严酷度等级
导致功能可能下降，其他无影响严酷程度
造成功能下降或测量精度不符要求，其他无影响丧失部分功能，人工及时校正可得以弥补其资料缺陷丧失部分功能，设备未造成重大损失丧失原有功能，其结果使设备造成重大损失，但不危及人身安全丧失原有功能，其结果使设备或周围环境造成重大损失，并发生危及人身安全的任一事件根据网络图分析法提示，确定需重视的元器件或功能块，采用可靠性设计办法提出预防措施，从而提高系统可靠性。
5.5可靠性预计
根据产品的零件、性能、工作环境及其相互关系的知识，推测该产品其将来的性能，这种技术称为可靠性预计。
可靠性预计的目的主要是从设计开始就采取各种措施，以保证系统达到所需的可靠性要求。应用可靠性预计方法来推测产品可能达到的可靠性水平是产品的设计手段之一，可为设计决策提供产品可靠性的相对量度。所以，水文仪器在研制设计过程中，均应进行可靠性预计。5.5.1可靠性预计分类
鉴于水文仪器的生产研制特点，水文仪器的可靠性预计可分为两类。即1类用于产品方案论证阶段的可行性预计，1类用于产品设计阶段的设计预计。其中产品方案论证阶段可使用相似设备法、相似电路法与有源器件法，在产品设计阶段，则可使用计数可靠性预计法及元器件应力分析法。5.5.2：可靠性预计流程
水文仪器可靠性预计一般流程，见表4。8
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定义产品
产品组成成分
可靠性框图
环境信息
应力信息
概率分布
失效率
建立可靠性模型
预计产品可靠性
编写预计报告
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表4可靠性预计一般流程
产品方案论证阶段
规定其工作方式，产品特征，性能要求对产品进行功能块大致划分
简单的申联系统
规定对组成成分有影响的环境信息不进行
指数分布
利用预计手册或相似设备现场失效率求得建立基本可靠性模型
采用相似设备法，相似电路法有源器件法按GB/T7289规定执行
产品设计阶段
规定其工作方式，产品特征，性能要求，指标更具体，理由更充足
对产品进行结构了解，划分确定的功能块并联部分进行简化
规定对组成成分有影响的环境信息设备工作时所经受的恶劣条件下，应力、热受力和承受力工作方式
指数分布
利用预计手册或相似设备现场失效率求得同左，必要时，还可建立任务可靠性模型采用计数可靠性预计法，元器件应力分析法按GB/T7289规定执行
进行水文仪器的可靠性预计除应考虑上述要求外，在操作程序上一般还应符合GB/T7827的有关规定。
5.6可靠性设计评审
可靠性设计评审目的是审核设备设计阶段可靠性方案的合理性，一般在设计方案确定后进行。根据产品的复杂程度，也可在设计不同阶段多次进行。水文仪器的可靠性设计评审应完成如下任务：a）对可靠性设计情况作全面审查；b）对设计有分歧的问题进行研讨；c）提出明确的评价和改进设计具体意见。此外，有关具体设计评审要求和内容还应符合GB/T7828的规定。5.7可靠性试验
在设计方案经过设计评审通过之后，方可试制样机，并进行样机阶段的性能试验和可靠性试验。可靠性试验通常有环境试验、寿命试验、筛选试验、现场使用试验和鉴定试验。其中，样机试制一般必须经历环境试验与现场使用试验，而进行环境试验的方法应符合GB/T9359.5及有关产品标准等的规定，对于批量生产的产品则应增加鉴定试验。对于有特殊要求（如合同、协议等）的产品，应根据其具体要求进行可靠性寿命试验（测定试验/验证试验），具体内容见本标准第7章规定，有关试验要求及方法应符合GB/T5080.4、GB/T5080.6和GB/T5080.7的规定。
其他试验可视产品具体情况决定。6产品可靠性技术要求
6.1可靠性设计要求
水文仪器一般属机电型产品。为保证产品总体可靠性的实现，应充分应用可靠性设计技术。可靠性设计技术包括产品的总体设计、元器件的选用、机械零件的设计、电路稳定性设计、结构工艺设计以及维修性安全性设计等方面，这些可靠性技术的应用，能有效地提高产品的设计质量，大大降低元器件的使用失效率，提高产品的可靠性，是可靠性设计中的重要工作内容。6.1.1总体设计
水文仪器的总体设计应符合以下要求：6.1.1.1水文仪器的设计指标、性能要求，应从实际需要出发，明确规定该仪器测量范围、使用环境条件、工作场合。对设计测量多项参数的水文仪器，应根据测验工作要，慎重对待。9
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