吸油煙機(jī)流體動力效率測試的不確定度評定

王伯燕

中家院（北京）檢測認(rèn)證有限公司 北京 100176

0 引言

IEC 61591《家用抽油煙機(jī)性能測試方法》標(biāo)準(zhǔn)在2019年修訂時增加了流體動力效率測試，該測試從輸入功率、風(fēng)量、風(fēng)壓幾個維度對吸油煙機(jī)性能進(jìn)行整體考核[1]。通過測試得出被測吸油煙機(jī)的壓力、風(fēng)量和相應(yīng)的功率曲線，利用該曲線計(jì)算出被測吸油煙機(jī)的最佳效率點(diǎn)，最后用最佳效率點(diǎn)處的風(fēng)量、壓力、輸入功率計(jì)算得到被測吸油煙機(jī)的流體動力效率?？紤]到流體動力效率測試過程復(fù)雜，受測試環(huán)境溫度、儀器設(shè)備及人員操作等因素影響比較大，所以實(shí)驗(yàn)室測量不確定度評定有著重要意義。本次選擇的流體動力效率測試裝置為多噴嘴式風(fēng)室結(jié)構(gòu)[2]，測試裝置示意圖如圖1所示?？諝馔ㄟ^噴嘴時，噴嘴的上游側(cè)和下游側(cè)會產(chǎn)生一個靜壓差，通過這個靜壓差、空氣密度、噴嘴喉部直徑以及噴嘴的流量系數(shù)可以計(jì)算出在該噴嘴工況點(diǎn)的風(fēng)量。

圖1 噴嘴式流體效率測試裝置

1 測量過程

吸油煙機(jī)的出氣口連接到壓力補(bǔ)償室，管道直徑必須與出風(fēng)口的直徑相同。連接管道的長度為管道直徑的5倍。

被測吸油煙機(jī)在正常使用能連續(xù)工作的最高檔位下至少運(yùn)行30 min，進(jìn)行預(yù)熱。

根據(jù)被測吸油煙機(jī)的風(fēng)量選擇對應(yīng)的噴嘴。

風(fēng)量測試裝置采集每個工況點(diǎn)的壓力、溫度、輸入功率等，得到被測樣機(jī)的壓力、風(fēng)量和相應(yīng)的功率曲線。為了保證測試精度，至少要有25個工況點(diǎn)。

利用該曲線計(jì)算出被測吸油煙機(jī)的最佳效率點(diǎn)，最后用最佳效率點(diǎn)處的風(fēng)量、壓力、輸入功率計(jì)算得到被測吸油煙機(jī)的流體動力效率。最佳效率點(diǎn)示例圖如圖2所示。

圖2 最佳效率點(diǎn)示例圖

吸油煙機(jī)的流體動力效率FDEhood按照公式（1）求得：

式中：

FDEhood-流體動力效率，單位為%；

QBEP-最佳效率點(diǎn)的風(fēng)量，單位為m3/h；

?pBEP-最佳效率點(diǎn)處靜壓差，單位為Pa；

PBEP-最佳效率點(diǎn)上被測吸油煙機(jī)的輸入功率，單位為W。

2 建立測量模型

吸油煙機(jī)的最佳效率點(diǎn)處靜壓差?PBEP按照公式（2）計(jì)算：

式中：

?ps-試驗(yàn)條件下腔室內(nèi)的靜壓，單位為Pa；

ρRef-參考空氣的密度，為1.2 kg/m3；

ρCha-試驗(yàn)條件下風(fēng)室中的空氣密度，單位為kg/m3。

ρa(bǔ)-空氣密度，單位為kg/m3。

空氣密度ρa(bǔ)按照公式（3）計(jì)算：

式中：

pa-被測吸油煙機(jī)高度上的大氣壓強(qiáng)，單位為Pa；

pv-空氣中的水蒸氣分壓，這里約等于0 Pa；

Θa-環(huán)境絕對溫度，單位為K。

環(huán)境絕對溫度按照公式（4）計(jì)算：

式中：

ta-實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度，單位為℃。

最佳效率點(diǎn)的風(fēng)量QBEP按照公式（5）計(jì)算：

式中：

qm-最佳效率點(diǎn)的質(zhì)量風(fēng)量，單位為kg/s。

式中：

α-噴嘴流量系數(shù)；

d-噴嘴喉部直徑，單位為m；

?p-噴嘴上下游空氣壓差，單位為Pa。

其中對于L?d=0.6，噴嘴流量系數(shù)α按照公式（7）計(jì)算：

式中：

Red-管道雷諾數(shù)；

αAu-噴嘴上游的流體動能系數(shù)，對于風(fēng)室內(nèi)多噴嘴為1；

β=d/D噴嘴內(nèi)徑與上游管道直徑之比（對于風(fēng)室，它可以取做0）；

ε-膨脹系數(shù)，約等于1。

管道雷諾數(shù)Red按照公式（8）計(jì)算：

將公式（2）～（8）帶入公式（1），可得：

3 流體動力效率的A類不確定度評定

測試條件：大氣壓為100583 Pa，環(huán)境溫度為24.3℃，測試最佳效率點(diǎn)壓差為288.28 Pa，風(fēng)室內(nèi)的靜壓為249.32 Pa，選擇的噴嘴為一個φ50 mm噴嘴和兩個φ60 mm噴嘴，被測樣機(jī)的輸入功率為103.28 W。其壓力-風(fēng)量-功率曲線如圖3所示。

圖3 壓力-風(fēng)量-功率曲線

按照標(biāo)準(zhǔn)對某品牌吸油煙機(jī)樣機(jī)進(jìn)行10次流體動力效率測試，其壓力、風(fēng)量、內(nèi)率及最佳效率點(diǎn)測試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)如表1所示，流體動力效率測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 壓力-風(fēng)量-功率及最佳效率點(diǎn)數(shù)據(jù)

表2 流體動力效率各不確定度分量

表2 流體動力效率測試結(jié)果

根據(jù)貝塞爾公式，可得流體動力效率重復(fù)性引入的A類不確定度分量，計(jì)算公式為：

4 流體動力效率的B類不確定度評定

由公式（9）可知，流體動力效率的不確定度由實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度ta、測試裝置噴嘴上下游空氣壓差?p、噴嘴喉部直徑d、測試裝置高度上的大氣壓強(qiáng)pa、測試裝置風(fēng)室內(nèi)的靜壓?ps和最佳效率點(diǎn)上被測吸油煙機(jī)的輸入功率PBEP的不確定度決定。

4.1 環(huán)境溫度ta引入的B類不確定度分量

由吸油煙機(jī)流體動力效率測試裝置的說明書可知，測試裝置中環(huán)境溫度傳感器的精度為±0.5℃，按照矩形分布估計(jì)，環(huán)境溫度測量的不確定度：

其靈敏系數(shù)為：

4.2 噴嘴上下游壓差?p引入的B類不確定度分量

由吸油煙機(jī)流體動力效率測試裝置的說明書可知，測試裝置中噴嘴上下游空氣壓差傳感器的精度為±0.5%，按照矩形分布估計(jì)，噴嘴上下游空氣壓差測量的不確定度：

其靈敏系數(shù)為：

4.3 風(fēng)室內(nèi)噴嘴喉部直徑d引入的B類不確定度分量

由吸油煙機(jī)流體動力效率測試裝置的說明書可知，測試裝置風(fēng)室內(nèi)噴嘴喉部直徑的極限偏差為0.001d，按照矩形分布估計(jì)，風(fēng)室內(nèi)φ50 mm噴嘴（d1）喉部直徑測量的不確定度：

其靈敏系數(shù)為：

風(fēng)室內(nèi)φ60 mm噴嘴d2喉部直徑測量的不確定度：

其靈敏系數(shù)為：

4.4 大氣壓強(qiáng)pa引入的B類不確定度分量

本次測試選擇空盒氣壓表測量實(shí)驗(yàn)室大氣壓強(qiáng)，根據(jù)空盒氣壓表的校準(zhǔn)證書，空盒氣壓表擴(kuò)展不確定度為0.8 hPa，k=2，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.4 hPa。其靈敏系數(shù)為：

4.5 風(fēng)室內(nèi)的靜壓?ps引入的B類不確定度分量

由吸油煙機(jī)流體動力效率測試裝置的說明書可知，測試裝置風(fēng)室內(nèi)的靜壓傳感器的精度為±0.5%，按照矩形分布估計(jì)，風(fēng)室內(nèi)的靜壓測量的不確定度：

其靈敏系數(shù)為：

4.6 最佳效率點(diǎn)上被測吸油煙機(jī)的輸入功率PBEP引入的B類不確定度分量

本次測試使用橫河WT310數(shù)字電參數(shù)儀測試吸油煙機(jī)輸入功率。由數(shù)字電參數(shù)儀校準(zhǔn)證書可知，數(shù)字電參數(shù)儀功率示值測量結(jié)果的相對擴(kuò)展不確定度為0.15%。本次實(shí)驗(yàn)吸油煙機(jī)的輸入功率為103.28 W。被測吸油煙機(jī)的輸入功率測量不確定度：

其靈敏系數(shù)為：

5 流體動力效率不確定度

流體動力效率各不確定度分量匯總?cè)绫?所示。

流體動力效率的合成不確定度為：

取包含因子k=2，流體動力效率的擴(kuò)展不確定度為：

6 結(jié)語

通過對吸油煙機(jī)流體動力效率的不確定度的分析，可以看出對吸油煙機(jī)流體動力效率的主要影響因素是測試重復(fù)性和測試設(shè)備的精度；對吸油煙機(jī)流體動力效率的主要影響測試設(shè)備因素為靜壓測試。因此實(shí)驗(yàn)室可以從以上幾個方面有針對性地制定質(zhì)量控制計(jì)劃，積極開展內(nèi)部質(zhì)量控制和外部實(shí)驗(yàn)室間比對，或者參與吸油煙機(jī)流體動力效率的能力驗(yàn)證，不斷提升實(shí)驗(yàn)室的檢測質(zhì)量和檢測能力。