吸油煙機(jī)空氣性能測(cè)量不確定度評(píng)定及其應(yīng)用

江先明　劉躍軍　梁燦?！↑S遜青

廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司　廣東佛山　528305

1　引言

全壓效率和風(fēng)量是吸油煙機(jī)空氣性能的主要組成部分，也是評(píng)估產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)。全壓效率，一般使用“規(guī)定風(fēng)量時(shí)的全壓效率”進(jìn)行描述，用于衡量吸油煙機(jī)的綜合性能，主要評(píng)估電機(jī)輸入功率轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)能的效率，即產(chǎn)品有效利用電能的能力；同等應(yīng)用條件下，該效率越高則意味著消費(fèi)者日常支出越低。風(fēng)量，一般使用“最大風(fēng)量”進(jìn)行描述，用于衡量吸油煙機(jī)的換風(fēng)能力，主要評(píng)估吸油煙機(jī)在特定工況下可產(chǎn)生的最大換風(fēng)量；同等條件下，該風(fēng)量越大則意味著吸力越大，其油煙排放效果一般也會(huì)更優(yōu)。同時(shí)，全壓效率和風(fēng)量也是消費(fèi)者關(guān)注焦點(diǎn)，對(duì)購(gòu)買選型有較大影響，尤其風(fēng)量。

根據(jù)GB/T 17713-2011《吸油煙機(jī)》的要求，需要在8～10個(gè)工況點(diǎn)下測(cè)得對(duì)應(yīng)的全壓效率和風(fēng)量（以下簡(jiǎn)稱工況全壓效率和工況風(fēng)量），然后對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并求得規(guī)定風(fēng)量時(shí)的全壓效率和最大風(fēng)量。而在GB 29539-2013《吸油煙機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》中，5個(gè)能效等級(jí)的全壓效率的限值從15%～23%，每級(jí)能效的差值為2%?？紤]到整個(gè)測(cè)量過(guò)程比較復(fù)雜，且能效級(jí)差僅為2%，為評(píng)估其中風(fēng)險(xiǎn)并據(jù)此對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)，有必要對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行分析。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，本文對(duì)工況全壓效率和工況風(fēng)量進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定，并據(jù)此對(duì)規(guī)定風(fēng)量時(shí)的全壓效率和最大風(fēng)量的測(cè)量不確定度進(jìn)行估計(jì)。

2　工況全壓效率及工況風(fēng)量測(cè)量不確定度評(píng)定

測(cè)試過(guò)程的影響因素較多，涉及人機(jī)料法環(huán)等諸多環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)的測(cè)量不確定度評(píng)定主要研究計(jì)算公式中各相關(guān)因子的綜合效應(yīng)以及各因子的影響權(quán)重，故此實(shí)施測(cè)量不確定度評(píng)定之前，應(yīng)當(dāng)盡量確保測(cè)試過(guò)程中未參與不確定度評(píng)定的要素均已符合要求，減少這些要素引入的影響，從而避免評(píng)定結(jié)果過(guò)大并影響后期的分析和整改。對(duì)于日常工作中常見問(wèn)題列舉如下：

（a）測(cè)試環(huán)境溫度不受控：由于測(cè)試室未采取獨(dú)立間隔，或者該獨(dú)立間隔的保溫效果或者密封效果不佳，從而導(dǎo)致環(huán)境溫度不受控或者控溫效果欠佳；

（b）設(shè)備安裝位置不佳：一般設(shè)備制造商會(huì)對(duì)設(shè)備安裝位置進(jìn)行要求，尤其進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口等位置的預(yù)留空間；

（c）超設(shè)備能力檢測(cè)：由于國(guó)標(biāo)方法為間接方法，故一般情況下設(shè)備的校準(zhǔn)報(bào)告不會(huì)提供與風(fēng)量的量程、最大允差或準(zhǔn)確度等級(jí)有關(guān)的溯源結(jié)果。如果實(shí)驗(yàn)室未關(guān)注設(shè)備量程對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響，有可能出現(xiàn)超出設(shè)備能力進(jìn)行檢測(cè)的情況。

本實(shí)驗(yàn)室對(duì)相關(guān)要素檢查后，依據(jù)GB/T 17713-2011《吸油煙機(jī)》的檢測(cè)方法，使用FL-1空氣性能測(cè)試裝置對(duì)共計(jì)16個(gè)工況點(diǎn)的全壓效率和風(fēng)量的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。

為節(jié)省篇幅，本文以108.00mm孔板的工況點(diǎn)為例對(duì)評(píng)定過(guò)程進(jìn)行詳述，其余各工況點(diǎn)將直接給出計(jì)算結(jié)果。

2.1　使用108.00mm孔板的工況全壓效率測(cè)量不確定度評(píng)定

2.1.1 數(shù)學(xué)模型

工況全壓效率根據(jù)以下公式求得：

根據(jù)上述公式，可將式（1）轉(zhuǎn)換為：

式中：

i——工況代號(hào)，使用該工況對(duì)應(yīng)孔板直徑來(lái)代表；

K——試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)常數(shù)，查表結(jié)果；

α——孔板系數(shù)，查表結(jié)果；

d——孔板開孔直徑，單位為米（m）；

D4——試驗(yàn)裝置擴(kuò)散段上游直徑，單位為米（m）；

θa——環(huán)境溫度，單位為攝氏度（℃）；

ps6——減壓筒內(nèi)計(jì)示靜壓，單位為帕斯卡（Pa）；

pba——環(huán)境氣壓，單位為帕斯卡（Pa）；

ρn——空氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度，單位為千克/立方米（kg/m3）。

ρn=1.20518kg/m3；

P——特定工況點(diǎn)的主電機(jī)輸入功率，單位為瓦特（W）。

其中，ρn為常數(shù)。根據(jù)不確定度合成原理，工況全壓效率的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式可表達(dá)為：

2.1.2 測(cè)量不確定度分量

該測(cè)量包含9個(gè)不確定度分量，分別為：測(cè)量的重復(fù)性引入的不確定度uA(ηB,108.00)、試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)常數(shù)引入的不確定度u(K)、孔板系數(shù)引入的不確定度u(α)、孔板開孔直徑引入的不確定度u(d)、試驗(yàn)裝置擴(kuò)散段上游直徑引入的不確定度u(D4)、環(huán)境溫度引入的不確定度u(θa)、減壓筒內(nèi)計(jì)示靜壓引入的不確定度(ps6)、環(huán)境氣壓引入的不確定度u(pba)、輸入功率引入的不確定度u(P)。

（1）測(cè)量的重復(fù)性引入的不確定度uA(ηB,108.00)

全壓效率的測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度按A類評(píng)定，10次獨(dú)立測(cè)量的測(cè)量結(jié)果見表1。

用貝塞爾公式計(jì)算測(cè)量結(jié)果，可得A類方法評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，計(jì)算公式如下：

式中：

uA(ηB,108.00)——使用108.00mm孔板的工況全壓效率的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；

ηBi——第i次獨(dú)立測(cè)量得到的全壓效率值；

n——獨(dú)立測(cè)量次數(shù)，此處n=10。

將表1中的數(shù)據(jù)代入公式（8），可得到：uA(ηB,108.00)=0.498 %

（2）試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)常數(shù)引入的不確定度u(K)

該常數(shù)K由減壓筒直徑D6和擴(kuò)散段上游直徑D4決定，通過(guò)GB/T 17713-2011附表查取。在每一個(gè)工況點(diǎn)時(shí)，此常數(shù)不變。該常數(shù)的不確定度來(lái)源于減壓筒直徑和擴(kuò)散段上游直徑的測(cè)量誤差。依據(jù)使用說(shuō)明，減壓筒直徑實(shí)測(cè)值為φ450mm，軟件默認(rèn)值為φ450mm，最大誤差為1mm；擴(kuò)散段上游直徑實(shí)測(cè)值為φ180mm，軟件默認(rèn)值為φ180mm，最大誤差為1mm。按矩形分布估計(jì)，K的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下：

表1　吸油煙機(jī)全壓效率結(jié)果

表2　使用108.00mm孔板進(jìn)行測(cè)量的工況全壓效率各不確定度分量表

表3　各工況點(diǎn)的全壓效率、風(fēng)量及其對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展不確定度分量匯總

表4　主要影響量的控制措施

（3）孔板系數(shù)引入的不確定度u(α)

該常數(shù)α由減壓筒直徑D6和各工況點(diǎn)孔板直徑d決定，通過(guò)GB/T 17713-2011附表查取。依據(jù)使用說(shuō)明，減壓筒直徑實(shí)測(cè)值為φ450mm，軟件默認(rèn)值為φ450mm，最大誤差為1mm；依據(jù)計(jì)量證書，工況點(diǎn)孔板直徑d的計(jì)量?jī)x器精度為0.02mm。

在比值為0.590時(shí)（對(duì)應(yīng)工況為使用“265.50mm”孔板時(shí)）出現(xiàn)最大偏差為0.01，對(duì)應(yīng)的孔板系數(shù)偏差為0.0002。

按矩形分布估計(jì)，α的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下：

（4）孔板開孔直徑引入的不確定度u(d)

孔板開孔直徑的不確定度來(lái)源于孔板直徑的測(cè)量誤差。依據(jù)計(jì)量證書，此時(shí)孔板開孔直徑偏差0.02mm。按矩形分布估計(jì)，d的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下：

（5）試驗(yàn)裝置擴(kuò)散段上游直徑引入的不確定度u(D4)

依據(jù)使用說(shuō)明，所使用試驗(yàn)裝置擴(kuò)散段上游直徑實(shí)測(cè)值為φ180mm，軟件默認(rèn)值為φ180mm，最大誤差為1mm。按矩形分布估計(jì)，D4的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下：

（6）環(huán)境溫度引入的不確定度u(θa)

環(huán)境溫度測(cè)量的不確定度來(lái)源于溫度變送器的測(cè)量誤差。依據(jù)計(jì)量證書，已知溫度變送器的示值最大誤差為-0.2℃，θa的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下：

（7）減壓筒內(nèi)計(jì)示靜壓引入的不確定度(ps6)

靜壓測(cè)量的不確定度來(lái)源于計(jì)示靜壓力變送器的測(cè)量誤差。依據(jù)計(jì)量證書，已知壓力變送器的示值最大誤差為-2Pa，按矩形分布估計(jì)，ps6的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下：

（8）環(huán)境氣壓引入的不確定度u(pba)

環(huán)境氣壓測(cè)量的不確定度來(lái)源于大氣壓傳感器的測(cè)量誤差。依據(jù)計(jì)量證書，已知大氣壓力變送器的示值最大誤差為-40Pa，按矩形分布估計(jì)，pba的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下：

（9）輸入功率引入的不確定度u(P)

輸入功率測(cè)量的不確定度來(lái)源于功率計(jì)的測(cè)量誤差。依據(jù)計(jì)量證書，已知功率計(jì)的示值最大誤差為±0.2W，按矩形分布估計(jì)，P的標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算如下：

2.1.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

對(duì)于使用“108.00mm孔板”進(jìn)行測(cè)量時(shí)，該工況點(diǎn)下全壓效率測(cè)量的各不確定度分量見表2。

將表2中的數(shù)據(jù)代入公式（7），可計(jì)算ηB,108.00的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

擴(kuò)展不確定度

取包含因子k=2，則ηB,108.00的擴(kuò)展不確定度為：

結(jié)果報(bào)告：

使用108.00mm孔板測(cè)得全壓效率為29.01%±1.04%。

各工況點(diǎn)評(píng)定結(jié)果匯總：

同理可求得其余各工況點(diǎn)的全壓效率、風(fēng)量及其對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展不確定度（k=2），結(jié)果匯總見表3。

3　結(jié)果分析與應(yīng)用

3.1　全壓效率和風(fēng)量測(cè)量不確定度估計(jì)

規(guī)定風(fēng)量時(shí)的全壓效率一般通過(guò)以下步驟來(lái)獲?。菏褂米钚《朔▽?duì)不同工況點(diǎn)的全壓效率測(cè)得值進(jìn)行擬合，并在所得全壓效率特性曲線上求得風(fēng)量為7m3/min對(duì)應(yīng)的全壓效率。

由于風(fēng)量測(cè)試裝置所擬合曲線的函數(shù)不可知，且出于簡(jiǎn)化計(jì)算的目的，本文取10次測(cè)量所得結(jié)果的平均值為報(bào)告值，并使用插值法對(duì)其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行估算：

ηB=27.134%

u(ηB)=0.489%

取包含因子k=2，則ηB的擴(kuò)展不確定度為：

此時(shí)的全壓效率測(cè)量結(jié)果為27.134%±0.978%。

同理可求得最大風(fēng)量測(cè)量結(jié)果為16.70m3/min±0.61m3/min。

3.2　主要影響量分析

本案例中，主要影響量為重復(fù)性和減壓筒內(nèi)計(jì)示靜壓。在使用最大直徑的孔板時(shí)，兩者影響基本相當(dāng)，而后者會(huì)略高；但隨著孔板直徑的減小，靜壓的影響權(quán)重快速下降。

同時(shí)結(jié)合整個(gè)評(píng)定過(guò)程可發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)量測(cè)量中，重復(fù)性和減壓筒內(nèi)計(jì)示靜壓的影響相當(dāng)；在全壓效率測(cè)量中，重復(fù)性的影響更大。

3.3　標(biāo)準(zhǔn)適宜性討論

目前中國(guó)市場(chǎng)上銷售的吸油煙機(jī)，最大風(fēng)量達(dá)到15m3/min以上的產(chǎn)品占有率達(dá)到2/3，其明示的全壓效率是規(guī)定風(fēng)量下測(cè)得值，按GB/T 17713-2011的要求，該規(guī)定風(fēng)量為7m3/min，一般情況下，除非是一些特殊的運(yùn)行模式，在正常的吸油煙運(yùn)行狀態(tài)下，這些產(chǎn)品的最小風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述規(guī)定風(fēng)量。考慮到風(fēng)機(jī)—電機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行特性，這些產(chǎn)品在規(guī)定風(fēng)量為7m3/min下測(cè)得全壓效率，會(huì)與正常運(yùn)行性能存在明顯差異，通常，此項(xiàng)因素導(dǎo)致的全壓效率和風(fēng)壓等指標(biāo)偏差，可能超過(guò)測(cè)量不確定度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，換言之，這類產(chǎn)品現(xiàn)有的明示性能指標(biāo)實(shí)際上不能反映產(chǎn)品的實(shí)際情況。

表3數(shù)據(jù)顯示，被測(cè)產(chǎn)品的最高效率點(diǎn)出現(xiàn)在風(fēng)量約為10.5m3/min工作點(diǎn)上，對(duì)應(yīng)的全壓效率為29.7%，而按標(biāo)準(zhǔn)明示的最大風(fēng)量為16.7m3/min，規(guī)定風(fēng)量時(shí)的全壓效率約為27.1%。從能源高效利用的角度考慮，產(chǎn)品主要運(yùn)行的工作點(diǎn)應(yīng)盡量接近最高效率點(diǎn)，若以達(dá)到最高效率點(diǎn)的90%定義為高效運(yùn)行區(qū)，該產(chǎn)品的高效運(yùn)行區(qū)間對(duì)應(yīng)的風(fēng)量約為7.0m3/min～13.7m3/min，按實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，該產(chǎn)品的主要使用范圍通常是10m3/min以上，顯然，實(shí)際運(yùn)行工作區(qū)間與高效運(yùn)行區(qū)間的重疊區(qū)就顯得較小，換言之，產(chǎn)品的能源利用效率未得到充分發(fā)揮。

制訂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基本目的之一，就是引導(dǎo)生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)能源利用效率較高的產(chǎn)品，提高社會(huì)的能源利用效率，但是，按GB/T 17713-2011的要求獲得的能效指標(biāo)，并不能反映相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)際能效水平。GB 29539-2013對(duì)每級(jí)能效的全壓效率劃分的區(qū)間僅為2%，而該產(chǎn)品的明示值與最大值的差異達(dá)到了2.6%，換言之，產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行的能效水平處于高1個(gè)等級(jí)甚至更高。在此背景下，產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)為了使得明示值盡量高一些，不得不將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)高效運(yùn)行區(qū)向7.0m3/min偏離，從而犧牲了實(shí)際運(yùn)行效率。顯然，由于GB/T 17713-2011相關(guān)要求與市場(chǎng)的實(shí)際明顯偏離，導(dǎo)致現(xiàn)有吸油煙機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)一定程度削弱了正確引導(dǎo)生產(chǎn)企業(yè)提高產(chǎn)品性能的作用。因此，需要考慮根據(jù)市場(chǎng)的實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整規(guī)定風(fēng)量的范圍，將實(shí)際運(yùn)行工作區(qū)間與高效運(yùn)行區(qū)間的重疊區(qū)盡量擴(kuò)大。同時(shí)，在本文的示例中，全壓效率的測(cè)量不確定度已經(jīng)達(dá)到0.978%，在此條件下，按2%的分級(jí)區(qū)間范圍進(jìn)行能效定級(jí)，在測(cè)量技術(shù)的角度，發(fā)生誤判定的概率比較大，為減少這類情況的發(fā)生，通常采取的措施是要求每一級(jí)能效的區(qū)間應(yīng)不小于3%。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)吸油煙機(jī)全壓效率和風(fēng)量的測(cè)試過(guò)程進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定，探討測(cè)量不確定度評(píng)定結(jié)果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證環(huán)節(jié)的應(yīng)用，評(píng)估產(chǎn)品質(zhì)量水平和實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)?zāi)芰?，并結(jié)合評(píng)定結(jié)果提出針對(duì)措施。

對(duì)吸油煙機(jī)空氣性能中的試驗(yàn)工況下全壓效率和風(fēng)量的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定，按照不確定度評(píng)定步驟來(lái)建立數(shù)學(xué)模型并查找影響量，然后分別使用A類評(píng)定和B類評(píng)定來(lái)評(píng)估各影響量引入的不確定度，最終計(jì)算出每一個(gè)工況點(diǎn)的全壓效率和風(fēng)量的擴(kuò)展不確定度。根據(jù)該評(píng)定結(jié)果，可對(duì)規(guī)定風(fēng)量時(shí)的全壓效率和最大風(fēng)量進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)該測(cè)量過(guò)程的主要影響量為重復(fù)性和減壓筒內(nèi)計(jì)示靜壓，實(shí)驗(yàn)室需要結(jié)合實(shí)際情況提出監(jiān)控措施。

同時(shí)，需要關(guān)注按GB/T 17713-2011的要求，規(guī)定風(fēng)量為7m3/min，與目前市場(chǎng)上銷售的吸油煙機(jī)的實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量范圍差異較大，對(duì)于風(fēng)量較大的產(chǎn)品，仍然以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定風(fēng)量進(jìn)行能效測(cè)試，其檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況差異較大，導(dǎo)致這類產(chǎn)品明示性能指標(biāo)實(shí)際上不能反映產(chǎn)品的實(shí)際情況，而且，也要關(guān)注現(xiàn)行能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2%的分級(jí)區(qū)間偏小，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤判的概率偏大的問(wèn)題，因此，在標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)對(duì)這些問(wèn)題需加以考慮。解決的方案包括增大規(guī)定風(fēng)量值，同時(shí)，將每一級(jí)能效區(qū)間擴(kuò)大至不小于3%。

[1] 倪育才. 實(shí)用測(cè)量不確定度評(píng)定[M]. 3版. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009.2.

[2] GB/T 17713-2011 吸油煙機(jī).

[3] GB 29539-2013 吸油煙機(jī)能效限定值及能效等級(jí).