吸油煙機流體動力效率測試的不確定度評定

王伯燕

中家院（北京）檢測認證有限公司 北京 100176

0 引言

IEC 61591《家用抽油煙機性能測試方法》標準在2019年修訂時增加了流體動力效率測試，該測試從輸入功率、風量、風壓幾個維度對吸油煙機性能進行整體考核[1]。通過測試得出被測吸油煙機的壓力、風量和相應的功率曲線，利用該曲線計算出被測吸油煙機的最佳效率點，最后用最佳效率點處的風量、壓力、輸入功率計算得到被測吸油煙機的流體動力效率。考慮到流體動力效率測試過程復雜，受測試環境溫度、儀器設備及人員操作等因素影響比較大，所以實驗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室結構[2]，測試裝置示意圖如圖1所示。空氣通過噴嘴時，噴嘴的上游側和下游側會產生一個靜壓差，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可以計算出在該噴嘴工況點的風量。

圖1 噴嘴式流體效率測試裝置

1 測量過程

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

被測吸油煙機在正常使用能連續工作的最高檔位下至少運行30 min，進行預熱。

根據被測吸油煙機的風量選擇對應的噴嘴。

風量測試裝置采集每個工況點的壓力、溫度、輸入功率等，得到被測樣機的壓力、風量和相應的功率曲線。為了保證測試精度，至少要有25個工況點。

利用該曲線計算出被測吸油煙機的最佳效率點，最后用最佳效率點處的風量、壓力、輸入功率計算得到被測吸油煙機的流體動力效率。最佳效率點示例圖如圖2所示。

圖2 最佳效率點示例圖

吸油煙機的流體動力效率FDEhood按照公式（1）求得：

式中：

FDEhood-流體動力效率，單位為%；

QBEP-最佳效率點的風量，單位為m3/h；

?pBEP-最佳效率點處靜壓差，單位為Pa；

PBEP-最佳效率點上被測吸油煙機的輸入功率，單位為W。

2 建立測量模型

吸油煙機的最佳效率點處靜壓差?PBEP按照公式（2）計算：

式中：

?ps-試驗條件下腔室內的靜壓，單位為Pa；

ρRef-參考空氣的密度，為1.2 kg/m3；

ρCha-試驗條件下風室中的空氣密度，單位為kg/m3。

ρa-空氣密度，單位為kg/m3。

空氣密度ρa按照公式（3）計算：

式中：

pa-被測吸油煙機高度上的大氣壓強，單位為Pa；

pv-空氣中的水蒸氣分壓，這里約等于0 Pa；

Θa-環境絕對溫度，單位為K。

環境絕對溫度按照公式（4）計算：

式中：

ta-實驗室環境溫度，單位為℃。

最佳效率點的風量QBEP按照公式（5）計算：

式中：

qm-最佳效率點的質量風量，單位為kg/s。

式中：

α-噴嘴流量系數；

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α按照公式（7）計算：

式中：

Red-管道雷諾數；

αAu-噴嘴上游的流體動能系數，對于風室內多噴嘴為1；

β=d/D噴嘴內徑與上游管道直徑之比（對于風室，它可以取做0）；

ε-膨脹系數，約等于1。

管道雷諾數Red按照公式（8）計算：

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，環境溫度為24.3℃，測試最佳效率點壓差為288.28 Pa，風室內的靜壓為249.32 Pa，選擇的噴嘴為一個φ50 mm噴嘴和兩個φ60 mm噴嘴，被測樣機的輸入功率為103.28 W。其壓力-風量-功率曲線如圖3所示。

圖3 壓力-風量-功率曲線

按照標準對某品牌吸油煙機樣機進行10次流體動力效率測試，其壓力、風量、內率及最佳效率點測試數據數據如表1所示，流體動力效率測試數據如表2所示。

表1 壓力-風量-功率及最佳效率點數據

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果

根據貝塞爾公式，可得流體動力效率重復性引入的A類不確定度分量，計算公式為：

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驗室環境溫度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pa、測試裝置風室內的靜壓?ps和最佳效率點上被測吸油煙機的輸入功率PBEP的不確定度決定。

4.1 環境溫度ta引入的B類不確定度分量

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

其靈敏系數為：

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，噴嘴上下游空氣壓差測量的不確定度：

其靈敏系數為：

4.3 風室內噴嘴喉部直徑d引入的B類不確定度分量

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

其靈敏系數為：

風室內φ60 mm噴嘴d2喉部直徑測量的不確定度：

其靈敏系數為：

4.4 大氣壓強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驗室大氣壓強，根據空盒氣壓表的校準證書，空盒氣壓表擴展不確定度為0.8 hPa，k=2，其標準不確定度為0.4 hPa。其靈敏系數為：

4.5 風室內的靜壓?ps引入的B類不確定度分量

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

其靈敏系數為：

4.6 最佳效率點上被測吸油煙機的輸入功率PBEP引入的B類不確定度分量

本次測試使用橫河WT310數字電參數儀測試吸油煙機輸入功率。由數字電參數儀校準證書可知，數字電參數儀功率示值測量結果的相對擴展不確定度為0.15%。本次實驗吸油煙機的輸入功率為103.28 W。被測吸油煙機的輸入功率測量不確定度：

其靈敏系數為：

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如表2所示。

流體動力效率的合成不確定度為：

取包含因子k=2，流體動力效率的擴展不確定度為：

6 結語

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