吸油烟机空气性能测量不确定度评定及其应用

江先明　刘跃军　梁灿裕　黄逊青

广东万和新电气股份有限公司　广东佛山　528305

1　引言

全压效率和风量是吸油烟机空气性能的主要组成部分，也是评估产品性能的重要指标。全压效率，一般使用“规定风量时的全压效率”进行描述，用于衡量吸油烟机的综合性能，主要评估电机输入功率转化为流体动能的效率，即产品有效利用电能的能力；同等应用条件下，该效率越高则意味着消费者日常支出越低。风量，一般使用“最大风量”进行描述，用于衡量吸油烟机的换风能力，主要评估吸油烟机在特定工况下可产生的最大换风量；同等条件下，该风量越大则意味着吸力越大，其油烟排放效果一般也会更优。同时，全压效率和风量也是消费者关注焦点，对购买选型有较大影响，尤其风量。

根据GB/T 17713-2011《吸油烟机》的要求，需要在8～10个工况点下测得对应的全压效率和风量（以下简称工况全压效率和工况风量），然后对测得数据进行拟合并求得规定风量时的全压效率和最大风量。而在GB 29539-2013《吸油烟机能效限定值及能效等级》中，5个能效等级的全压效率的限值从15%～23%，每级能效的差值为2%。考虑到整个测量过程比较复杂，且能效级差仅为2%，为评估其中风险并据此对产品设计和检验进行指导，有必要对这些指标进行分析。

为简化计算，本文对工况全压效率和工况风量进行测量不确定度评定，并据此对规定风量时的全压效率和最大风量的测量不确定度进行估计。

2　工况全压效率及工况风量测量不确定度评定

测试过程的影响因素较多，涉及人机料法环等诸多环节，而传统的测量不确定度评定主要研究计算公式中各相关因子的综合效应以及各因子的影响权重，故此实施测量不确定度评定之前，应当尽量确保测试过程中未参与不确定度评定的要素均已符合要求，减少这些要素引入的影响，从而避免评定结果过大并影响后期的分析和整改。对于日常工作中常见问题列举如下：

（a）测试环境温度不受控：由于测试室未采取独立间隔，或者该独立间隔的保温效果或者密封效果不佳，从而导致环境温度不受控或者控温效果欠佳；

（b）设备安装位置不佳：一般设备制造商会对设备安装位置进行要求，尤其进风口和出风口等位置的预留空间；

（c）超设备能力检测：由于国标方法为间接方法，故一般情况下设备的校准报告不会提供与风量的量程、最大允差或准确度等级有关的溯源结果。如果实验室未关注设备量程对于测量结果的影响，有可能出现超出设备能力进行检测的情况。

本实验室对相关要素检查后，依据GB/T 17713-2011《吸油烟机》的检测方法，使用FL-1空气性能测试装置对共计16个工况点的全压效率和风量的测量不确定度进行评定。

为节省篇幅，本文以108.00mm孔板的工况点为例对评定过程进行详述，其余各工况点将直接给出计算结果。

2.1　使用108.00mm孔板的工况全压效率测量不确定度评定

2.1.1 数学模型

工况全压效率根据以下公式求得：

根据上述公式，可将式（1）转换为：

式中：

i——工况代号，使用该工况对应孔板直径来代表；

K——试验设备结构常数，查表结果；

α——孔板系数，查表结果；

d——孔板开孔直径，单位为米（m）；

D4——试验装置扩散段上游直径，单位为米（m）；

θa——环境温度，单位为摄氏度（℃）；

ps6——减压筒内计示静压，单位为帕斯卡（Pa）；

pba——环境气压，单位为帕斯卡（Pa）；

ρn——空气标准状态下的空气密度，单位为千克/立方米（kg/m3）。

ρn=1.20518kg/m3；

P——特定工况点的主电机输入功率，单位为瓦特（W）。

其中，ρn为常数。根据不确定度合成原理，工况全压效率的标准不确定度计算公式可表达为：

2.1.2 测量不确定度分量

该测量包含9个不确定度分量，分别为：测量的重复性引入的不确定度uA(ηB,108.00)、试验设备结构常数引入的不确定度u(K)、孔板系数引入的不确定度u(α)、孔板开孔直径引入的不确定度u(d)、试验装置扩散段上游直径引入的不确定度u(D4)、环境温度引入的不确定度u(θa)、减压筒内计示静压引入的不确定度(ps6)、环境气压引入的不确定度u(pba)、输入功率引入的不确定度u(P)。

（1）测量的重复性引入的不确定度uA(ηB,108.00)

全压效率的测量重复性引入的标准不确定度按A类评定，10次独立测量的测量结果见表1。

用贝塞尔公式计算测量结果，可得A类方法评定的标准不确定度，计算公式如下：

式中：

uA(ηB,108.00)——使用108.00mm孔板的工况全压效率的A类标准不确定度分量；

ηBi——第i次独立测量得到的全压效率值；

n——独立测量次数，此处n=10。

将表1中的数据代入公式（8），可得到：uA(ηB,108.00)=0.498 %

（2）试验设备结构常数引入的不确定度u(K)

该常数K由减压筒直径D6和扩散段上游直径D4决定，通过GB/T 17713-2011附表查取。在每一个工况点时，此常数不变。该常数的不确定度来源于减压筒直径和扩散段上游直径的测量误差。依据使用说明，减压筒直径实测值为φ450mm，软件默认值为φ450mm，最大误差为1mm；扩散段上游直径实测值为φ180mm，软件默认值为φ180mm，最大误差为1mm。按矩形分布估计，K的标准不确定度计算如下：

表1　吸油烟机全压效率结果

表2　使用108.00mm孔板进行测量的工况全压效率各不确定度分量表

表3　各工况点的全压效率、风量及其对应的扩展不确定度分量汇总

表4　主要影响量的控制措施

（3）孔板系数引入的不确定度u(α)

该常数α由减压筒直径D6和各工况点孔板直径d决定，通过GB/T 17713-2011附表查取。依据使用说明，减压筒直径实测值为φ450mm，软件默认值为φ450mm，最大误差为1mm；依据计量证书，工况点孔板直径d的计量仪器精度为0.02mm。

在比值为0.590时（对应工况为使用“265.50mm”孔板时）出现最大偏差为0.01，对应的孔板系数偏差为0.0002。

按矩形分布估计，α的标准不确定度计算如下：

（4）孔板开孔直径引入的不确定度u(d)

孔板开孔直径的不确定度来源于孔板直径的测量误差。依据计量证书，此时孔板开孔直径偏差0.02mm。按矩形分布估计，d的标准不确定度计算如下：

（5）试验装置扩散段上游直径引入的不确定度u(D4)

依据使用说明，所使用试验装置扩散段上游直径实测值为φ180mm，软件默认值为φ180mm，最大误差为1mm。按矩形分布估计，D4的标准不确定度计算如下：

（6）环境温度引入的不确定度u(θa)

环境温度测量的不确定度来源于温度变送器的测量误差。依据计量证书，已知温度变送器的示值最大误差为-0.2℃，θa的标准不确定度计算如下：

（7）减压筒内计示静压引入的不确定度(ps6)

静压测量的不确定度来源于计示静压力变送器的测量误差。依据计量证书，已知压力变送器的示值最大误差为-2Pa，按矩形分布估计，ps6的标准不确定度计算如下：

（8）环境气压引入的不确定度u(pba)

环境气压测量的不确定度来源于大气压传感器的测量误差。依据计量证书，已知大气压力变送器的示值最大误差为-40Pa，按矩形分布估计，pba的标准不确定度计算如下：

（9）输入功率引入的不确定度u(P)

输入功率测量的不确定度来源于功率计的测量误差。依据计量证书，已知功率计的示值最大误差为±0.2W，按矩形分布估计，P的标准不确定度计算如下：

2.1.3 合成标准不确定度评定

对于使用“108.00mm孔板”进行测量时，该工况点下全压效率测量的各不确定度分量见表2。

将表2中的数据代入公式（7），可计算ηB,108.00的合成标准不确定度为：

扩展不确定度

取包含因子k=2，则ηB,108.00的扩展不确定度为：

结果报告：

使用108.00mm孔板测得全压效率为29.01%±1.04%。

各工况点评定结果汇总：

同理可求得其余各工况点的全压效率、风量及其对应的扩展不确定度（k=2），结果汇总见表3。

3　结果分析与应用

3.1　全压效率和风量测量不确定度估计

规定风量时的全压效率一般通过以下步骤来获取：使用最小二乘法对不同工况点的全压效率测得值进行拟合，并在所得全压效率特性曲线上求得风量为7m3/min对应的全压效率。

由于风量测试装置所拟合曲线的函数不可知，且出于简化计算的目的，本文取10次测量所得结果的平均值为报告值，并使用插值法对其合成标准不确定度进行估算：

ηB=27.134%

u(ηB)=0.489%

取包含因子k=2，则ηB的扩展不确定度为：

此时的全压效率测量结果为27.134%±0.978%。

同理可求得最大风量测量结果为16.70m3/min±0.61m3/min。

3.2　主要影响量分析

本案例中，主要影响量为重复性和减压筒内计示静压。在使用最大直径的孔板时，两者影响基本相当，而后者会略高；但随着孔板直径的减小，静压的影响权重快速下降。

同时结合整个评定过程可发现：在风量测量中，重复性和减压筒内计示静压的影响相当；在全压效率测量中，重复性的影响更大。

3.3　标准适宜性讨论

目前中国市场上销售的吸油烟机，最大风量达到15m3/min以上的产品占有率达到2/3，其明示的全压效率是规定风量下测得值，按GB/T 17713-2011的要求，该规定风量为7m3/min，一般情况下，除非是一些特殊的运行模式，在正常的吸油烟运行状态下，这些产品的最小风量远远大于上述规定风量。考虑到风机—电机的联合运行特性，这些产品在规定风量为7m3/min下测得全压效率，会与正常运行性能存在明显差异，通常，此项因素导致的全压效率和风压等指标偏差，可能超过测量不确定度对测量结果的影响，换言之，这类产品现有的明示性能指标实际上不能反映产品的实际情况。

表3数据显示，被测产品的最高效率点出现在风量约为10.5m3/min工作点上，对应的全压效率为29.7%，而按标准明示的最大风量为16.7m3/min，规定风量时的全压效率约为27.1%。从能源高效利用的角度考虑，产品主要运行的工作点应尽量接近最高效率点，若以达到最高效率点的90%定义为高效运行区，该产品的高效运行区间对应的风量约为7.0m3/min～13.7m3/min，按实际使用经验，该产品的主要使用范围通常是10m3/min以上，显然，实际运行工作区间与高效运行区间的重叠区就显得较小，换言之，产品的能源利用效率未得到充分发挥。

制订技术标准的基本目的之一，就是引导生产企业开发能源利用效率较高的产品，提高社会的能源利用效率，但是，按GB/T 17713-2011的要求获得的能效指标，并不能反映相关产品的实际能效水平。GB 29539-2013对每级能效的全压效率划分的区间仅为2%，而该产品的明示值与最大值的差异达到了2.6%，换言之，产品实际运行的能效水平处于高1个等级甚至更高。在此背景下，产品生产企业为了使得明示值尽量高一些，不得不将产品的设计高效运行区向7.0m3/min偏离，从而牺牲了实际运行效率。显然，由于GB/T 17713-2011相关要求与市场的实际明显偏离，导致现有吸油烟机的标准一定程度削弱了正确引导生产企业提高产品性能的作用。因此，需要考虑根据市场的实际情况，适当调整规定风量的范围，将实际运行工作区间与高效运行区间的重叠区尽量扩大。同时，在本文的示例中，全压效率的测量不确定度已经达到0.978%，在此条件下，按2%的分级区间范围进行能效定级，在测量技术的角度，发生误判定的概率比较大，为减少这类情况的发生，通常采取的措施是要求每一级能效的区间应不小于3%。

4　结束语

本文通过对吸油烟机全压效率和风量的测试过程进行测量不确定度评定，探讨测量不确定度评定结果在产品设计和验证环节的应用，评估产品质量水平和实验室检验能力，并结合评定结果提出针对措施。

对吸油烟机空气性能中的试验工况下全压效率和风量的测量不确定度进行评定，按照不确定度评定步骤来建立数学模型并查找影响量，然后分别使用A类评定和B类评定来评估各影响量引入的不确定度，最终计算出每一个工况点的全压效率和风量的扩展不确定度。根据该评定结果，可对规定风量时的全压效率和最大风量进行估计，同时发现该测量过程的主要影响量为重复性和减压筒内计示静压，实验室需要结合实际情况提出监控措施。

同时，需要关注按GB/T 17713-2011的要求，规定风量为7m3/min，与目前市场上销售的吸油烟机的实际运行风量范围差异较大，对于风量较大的产品，仍然以现行标准的规定风量进行能效测试，其检测结果与实际运行情况差异较大，导致这类产品明示性能指标实际上不能反映产品的实际情况，而且，也要关注现行能效标准规定的2%的分级区间偏小，导致检测结果出现误判的概率偏大的问题，因此，在标准修订时对这些问题需加以考虑。解决的方案包括增大规定风量值，同时，将每一级能效区间扩大至不小于3%。

[1] 倪育才. 实用测量不确定度评定[M]. 3版. 北京：中国计量出版社，2009.2.

[2] GB/T 17713-2011 吸油烟机.

[3] GB 29539-2013 吸油烟机能效限定值及能效等级.