吸油煙機空氣性能測量不確定度評定及其應用

江先明　劉躍軍　梁燦裕　黃遜青

廣東萬和新電氣股份有限公司　廣東佛山　528305

1　引言

全壓效率和風量是吸油煙機空氣性能的主要組成部分，也是評估產品性能的重要指標。全壓效率，一般使用“規定風量時的全壓效率”進行描述，用于衡量吸油煙機的綜合性能，主要評估電機輸入功率轉化為流體動能的效率，即產品有效利用電能的能力；同等應用條件下，該效率越高則意味著消費者日常支出越低。風量，一般使用“最大風量”進行描述，用于衡量吸油煙機的換風能力，主要評估吸油煙機在特定工況下可產生的最大換風量；同等條件下，該風量越大則意味著吸力越大，其油煙排放效果一般也會更優。同時，全壓效率和風量也是消費者關注焦點，對購買選型有較大影響，尤其風量。

根據GB/T 17713-2011《吸油煙機》的要求，需要在8～10個工況點下測得對應的全壓效率和風量（以下簡稱工況全壓效率和工況風量），然后對測得數據進行擬合并求得規定風量時的全壓效率和最大風量。而在GB 29539-2013《吸油煙機能效限定值及能效等級》中，5個能效等級的全壓效率的限值從15%～23%，每級能效的差值為2%。考慮到整個測量過程比較復雜，且能效級差僅為2%，為評估其中風險并據此對產品設計和檢驗進行指導，有必要對這些指標進行分析。

為簡化計算，本文對工況全壓效率和工況風量進行測量不確定度評定，并據此對規定風量時的全壓效率和最大風量的測量不確定度進行估計。

2　工況全壓效率及工況風量測量不確定度評定

測試過程的影響因素較多，涉及人機料法環等諸多環節，而傳統的測量不確定度評定主要研究計算公式中各相關因子的綜合效應以及各因子的影響權重，故此實施測量不確定度評定之前，應當盡量確保測試過程中未參與不確定度評定的要素均已符合要求，減少這些要素引入的影響，從而避免評定結果過大并影響后期的分析和整改。對于日常工作中常見問題列舉如下：

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

（b）設備安裝位置不佳：一般設備制造商會對設備安裝位置進行要求，尤其進風口和出風口等位置的預留空間；

（c）超設備能力檢測：由于國標方法為間接方法，故一般情況下設備的校準報告不會提供與風量的量程、最大允差或準確度等級有關的溯源結果。如果實驗室未關注設備量程對于測量結果的影響，有可能出現超出設備能力進行檢測的情況。

本實驗室對相關要素檢查后，依據GB/T 17713-2011《吸油煙機》的檢測方法，使用FL-1空氣性能測試裝置對共計16個工況點的全壓效率和風量的測量不確定度進行評定。

為節省篇幅，本文以108.00mm孔板的工況點為例對評定過程進行詳述，其余各工況點將直接給出計算結果。

2.1　使用108.00mm孔板的工況全壓效率測量不確定度評定

2.1.1 數學模型

工況全壓效率根據以下公式求得：

根據上述公式，可將式（1）轉換為：

式中：

i——工況代號，使用該工況對應孔板直徑來代表；

K——試驗設備結構常數，查表結果；

α——孔板系數，查表結果；

d——孔板開孔直徑，單位為米（m）；

D4——試驗裝置擴散段上游直徑，單位為米（m）；

θa——環境溫度，單位為攝氏度（℃）；

ps6——減壓筒內計示靜壓，單位為帕斯卡（Pa）；

pba——環境氣壓，單位為帕斯卡（Pa）；

ρn——空氣標準狀態下的空氣密度，單位為千克/立方米（kg/m3）。

ρn=1.20518kg/m3；

P——特定工況點的主電機輸入功率，單位為瓦特（W）。

其中，ρn為常數。根據不確定度合成原理，工況全壓效率的標準不確定度計算公式可表達為：

2.1.2 測量不確定度分量

該測量包含9個不確定度分量，分別為：測量的重復性引入的不確定度uA(ηB,108.00)、試驗設備結構常數引入的不確定度u(K)、孔板系數引入的不確定度u(α)、孔板開孔直徑引入的不確定度u(d)、試驗裝置擴散段上游直徑引入的不確定度u(D4)、環境溫度引入的不確定度u(θa)、減壓筒內計示靜壓引入的不確定度(ps6)、環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）測量的重復性引入的不確定度uA(ηB,108.00)

全壓效率的測量重復性引入的標準不確定度按A類評定，10次獨立測量的測量結果見表1。

用貝塞爾公式計算測量結果，可得A類方法評定的標準不確定度，計算公式如下：

式中：

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

ηBi——第i次獨立測量得到的全壓效率值；

n——獨立測量次數，此處n=10。

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

（2）試驗設備結構常數引入的不確定度u(K)

該常數K由減壓筒直徑D6和擴散段上游直徑D4決定，通過GB/T 17713-2011附表查取。在每一個工況點時，此常數不變。該常數的不確定度來源于減壓筒直徑和擴散段上游直徑的測量誤差。依據使用說明，減壓筒直徑實測值為φ450mm，軟件默認值為φ450mm，最大誤差為1mm；擴散段上游直徑實測值為φ180mm，軟件默認值為φ180mm，最大誤差為1mm。按矩形分布估計，K的標準不確定度計算如下：

表1　吸油煙機全壓效率結果

表2　使用108.00mm孔板進行測量的工況全壓效率各不確定度分量表

表3　各工況點的全壓效率、風量及其對應的擴展不確定度分量匯總

表4　主要影響量的控制措施

（3）孔板系數引入的不確定度u(α)

該常數α由減壓筒直徑D6和各工況點孔板直徑d決定，通過GB/T 17713-2011附表查取。依據使用說明，減壓筒直徑實測值為φ450mm，軟件默認值為φ450mm，最大誤差為1mm；依據計量證書，工況點孔板直徑d的計量儀器精度為0.02mm。

在比值為0.590時（對應工況為使用“265.50mm”孔板時）出現最大偏差為0.01，對應的孔板系數偏差為0.0002。

按矩形分布估計，α的標準不確定度計算如下：

（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源于孔板直徑的測量誤差。依據計量證書，此時孔板開孔直徑偏差0.02mm。按矩形分布估計，d的標準不確定度計算如下：

（5）試驗裝置擴散段上游直徑引入的不確定度u(D4)

依據使用說明，所使用試驗裝置擴散段上游直徑實測值為φ180mm，軟件默認值為φ180mm，最大誤差為1mm。按矩形分布估計，D4的標準不確定度計算如下：

（6）環境溫度引入的不確定度u(θa)

環境溫度測量的不確定度來源于溫度變送器的測量誤差。依據計量證書，已知溫度變送器的示值最大誤差為-0.2℃，θa的標準不確定度計算如下：

（7）減壓筒內計示靜壓引入的不確定度(ps6)

靜壓測量的不確定度來源于計示靜壓力變送器的測量誤差。依據計量證書，已知壓力變送器的示值最大誤差為-2Pa，按矩形分布估計，ps6的標準不確定度計算如下：

（8）環境氣壓引入的不確定度u(pba)

環境氣壓測量的不確定度來源于大氣壓傳感器的測量誤差。依據計量證書，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，pba的標準不確定度計算如下：

（9）輸入功率引入的不確定度u(P)

輸入功率測量的不確定度來源于功率計的測量誤差。依據計量證書，已知功率計的示值最大誤差為±0.2W，按矩形分布估計，P的標準不確定度計算如下：

2.1.3 合成標準不確定度評定

對于使用“108.00mm孔板”進行測量時，該工況點下全壓效率測量的各不確定度分量見表2。

將表2中的數據代入公式（7），可計算ηB,108.00的合成標準不確定度為：

擴展不確定度

取包含因子k=2，則ηB,108.00的擴展不確定度為：

結果報告：

使用108.00mm孔板測得全壓效率為29.01%±1.04%。

各工況點評定結果匯總：

同理可求得其余各工況點的全壓效率、風量及其對應的擴展不確定度（k=2），結果匯總見表3。

3　結果分析與應用

3.1　全壓效率和風量測量不確定度估計

規定風量時的全壓效率一般通過以下步驟來獲取：使用最小二乘法對不同工況點的全壓效率測得值進行擬合，并在所得全壓效率特性曲線上求得風量為7m3/min對應的全壓效率。

由于風量測試裝置所擬合曲線的函數不可知，且出于簡化計算的目的，本文取10次測量所得結果的平均值為報告值，并使用插值法對其合成標準不確定度進行估算：

ηB=27.134%

u(ηB)=0.489%

取包含因子k=2，則ηB的擴展不確定度為：

此時的全壓效率測量結果為27.134%±0.978%。

同理可求得最大風量測量結果為16.70m3/min±0.61m3/min。

3.2　主要影響量分析

本案例中，主要影響量為重復性和減壓筒內計示靜壓。在使用最大直徑的孔板時，兩者影響基本相當，而后者會略高；但隨著孔板直徑的減小，靜壓的影響權重快速下降。

同時結合整個評定過程可發現：在風量測量中，重復性和減壓筒內計示靜壓的影響相當；在全壓效率測量中，重復性的影響更大。

3.3　標準適宜性討論

目前中國市場上銷售的吸油煙機，最大風量達到15m3/min以上的產品占有率達到2/3，其明示的全壓效率是規定風量下測得值，按GB/T 17713-2011的要求，該規定風量為7m3/min，一般情況下，除非是一些特殊的運行模式，在正常的吸油煙運行狀態下，這些產品的最小風量遠遠大于上述規定風量。考慮到風機—電機的聯合運行特性，這些產品在規定風量為7m3/min下測得全壓效率，會與正常運行性能存在明顯差異，通常，此項因素導致的全壓效率和風壓等指標偏差，可能超過測量不確定度對測量結果的影響，換言之，這類產品現有的明示性能指標實際上不能反映產品的實際情況。

表3數據顯示，被測產品的最高效率點出現在風量約為10.5m3/min工作點上，對應的全壓效率為29.7%，而按標準明示的最大風量為16.7m3/min，規定風量時的全壓效率約為27.1%。從能源高效利用的角度考慮，產品主要運行的工作點應盡量接近最高效率點，若以達到最高效率點的90%定義為高效運行區，該產品的高效運行區間對應的風量約為7.0m3/min～13.7m3/min，按實際使用經驗，該產品的主要使用范圍通常是10m3/min以上，顯然，實際運行工作區間與高效運行區間的重疊區就顯得較小，換言之，產品的能源利用效率未得到充分發揮。

制訂技術標準的基本目的之一，就是引導生產企業開發能源利用效率較高的產品，提高社會的能源利用效率，但是，按GB/T 17713-2011的要求獲得的能效指標，并不能反映相關產品的實際能效水平。GB 29539-2013對每級能效的全壓效率劃分的區間僅為2%，而該產品的明示值與最大值的差異達到了2.6%，換言之，產品實際運行的能效水平處于高1個等級甚至更高。在此背景下，產品生產企業為了使得明示值盡量高一些，不得不將產品的設計高效運行區向7.0m3/min偏離，從而犧牲了實際運行效率。顯然，由于GB/T 17713-2011相關要求與市場的實際明顯偏離，導致現有吸油煙機的標準一定程度削弱了正確引導生產企業提高產品性能的作用。因此，需要考慮根據市場的實際情況，適當調整規定風量的范圍，將實際運行工作區間與高效運行區間的重疊區盡量擴大。同時，在本文的示例中，全壓效率的測量不確定度已經達到0.978%，在此條件下，按2%的分級區間范圍進行能效定級，在測量技術的角度，發生誤判定的概率比較大，為減少這類情況的發生，通常采取的措施是要求每一級能效的區間應不小于3%。

4　結束語

本文通過對吸油煙機全壓效率和風量的測試過程進行測量不確定度評定，探討測量不確定度評定結果在產品設計和驗證環節的應用，評估產品質量水平和實驗室檢驗能力，并結合評定結果提出針對措施。

對吸油煙機空氣性能中的試驗工況下全壓效率和風量的測量不確定度進行評定，按照不確定度評定步驟來建立數學模型并查找影響量，然后分別使用A類評定和B類評定來評估各影響量引入的不確定度，最終計算出每一個工況點的全壓效率和風量的擴展不確定度。根據該評定結果，可對規定風量時的全壓效率和最大風量進行估計，同時發現該測量過程的主要影響量為重復性和減壓筒內計示靜壓，實驗室需要結合實際情況提出監控措施。

同時，需要關注按GB/T 17713-2011的要求，規定風量為7m3/min，與目前市場上銷售的吸油煙機的實際運行風量范圍差異較大，對于風量較大的產品，仍然以現行標準的規定風量進行能效測試，其檢測結果與實際運行情況差異較大，導致這類產品明示性能指標實際上不能反映產品的實際情況，而且，也要關注現行能效標準規定的2%的分級區間偏小，導致檢測結果出現誤判的概率偏大的問題，因此，在標準修訂時對這些問題需加以考慮。解決的方案包括增大規定風量值，同時，將每一級能效區間擴大至不小于3%。

[1] 倪育才. 實用測量不確定度評定[M]. 3版. 北京：中國計量出版社，2009.2.

[2] GB/T 17713-2011 吸油煙機.

[3] GB 29539-2013 吸油煙機能效限定值及能效等級.