吸油烟机流体动力效率测试的不确定度评定

王伯燕

中家院（北京）检测认证有限公司 北京 100176

0 引言

IEC 61591《家用抽油烟机性能测试方法》标准在2019年修订时增加了流体动力效率测试，该测试从输入功率、风量、风压几个维度对吸油烟机性能进行整体考核[1]。通过测试得出被测吸油烟机的压力、风量和相应的功率曲线，利用该曲线计算出被测吸油烟机的最佳效率点，最后用最佳效率点处的风量、压力、输入功率计算得到被测吸油烟机的流体动力效率。考虑到流体动力效率测试过程复杂，受测试环境温度、仪器设备及人员操作等因素影响比较大，所以实验室测量不确定度评定有着重要意义。本次选择的流体动力效率测试装置为多喷嘴式风室结构[2]，测试装置示意图如图1所示。空气通过喷嘴时，喷嘴的上游侧和下游侧会产生一个静压差，通过这个静压差、空气密度、喷嘴喉部直径以及喷嘴的流量系数可以计算出在该喷嘴工况点的风量。

图1 喷嘴式流体效率测试装置

1 测量过程

吸油烟机的出气口连接到压力补偿室，管道直径必须与出风口的直径相同。连接管道的长度为管道直径的5倍。

被测吸油烟机在正常使用能连续工作的最高档位下至少运行30 min，进行预热。

根据被测吸油烟机的风量选择对应的喷嘴。

风量测试装置采集每个工况点的压力、温度、输入功率等，得到被测样机的压力、风量和相应的功率曲线。为了保证测试精度，至少要有25个工况点。

利用该曲线计算出被测吸油烟机的最佳效率点，最后用最佳效率点处的风量、压力、输入功率计算得到被测吸油烟机的流体动力效率。最佳效率点示例图如图2所示。

图2 最佳效率点示例图

吸油烟机的流体动力效率FDEhood按照公式（1）求得：

式中：

FDEhood-流体动力效率，单位为%；

QBEP-最佳效率点的风量，单位为m3/h；

∆pBEP-最佳效率点处静压差，单位为Pa；

PBEP-最佳效率点上被测吸油烟机的输入功率，单位为W。

2 建立测量模型

吸油烟机的最佳效率点处静压差∆PBEP按照公式（2）计算：

式中：

∆ps-试验条件下腔室内的静压，单位为Pa；

ρRef-参考空气的密度，为1.2 kg/m3；

ρCha-试验条件下风室中的空气密度，单位为kg/m3。

ρa-空气密度，单位为kg/m3。

空气密度ρa按照公式（3）计算：

式中：

pa-被测吸油烟机高度上的大气压强，单位为Pa；

pv-空气中的水蒸气分压，这里约等于0 Pa；

Θa-环境绝对温度，单位为K。

环境绝对温度按照公式（4）计算：

式中：

ta-实验室环境温度，单位为℃。

最佳效率点的风量QBEP按照公式（5）计算：

式中：

qm-最佳效率点的质量风量，单位为kg/s。

式中：

α-喷嘴流量系数；

d-喷嘴喉部直径，单位为m；

∆p-喷嘴上下游空气压差，单位为Pa。

其中对于L⁄d=0.6，喷嘴流量系数α按照公式（7）计算：

式中：

Red-管道雷诺数；

αAu-喷嘴上游的流体动能系数，对于风室内多喷嘴为1；

β=d/D喷嘴内径与上游管道直径之比（对于风室，它可以取做0）；

ε-膨胀系数，约等于1。

管道雷诺数Red按照公式（8）计算：

将公式（2）～（8）带入公式（1），可得：

3 流体动力效率的A类不确定度评定

测试条件：大气压为100583 Pa，环境温度为24.3℃，测试最佳效率点压差为288.28 Pa，风室内的静压为249.32 Pa，选择的喷嘴为一个φ50 mm喷嘴和两个φ60 mm喷嘴，被测样机的输入功率为103.28 W。其压力-风量-功率曲线如图3所示。

图3 压力-风量-功率曲线

按照标准对某品牌吸油烟机样机进行10次流体动力效率测试，其压力、风量、内率及最佳效率点测试数据数据如表1所示，流体动力效率测试数据如表2所示。

表1 压力-风量-功率及最佳效率点数据

表2 流体动力效率各不确定度分量

表2 流体动力效率测试结果

根据贝塞尔公式，可得流体动力效率重复性引入的A类不确定度分量，计算公式为：

4 流体动力效率的B类不确定度评定

由公式（9）可知，流体动力效率的不确定度由实验室环境温度ta、测试装置喷嘴上下游空气压差∆p、喷嘴喉部直径d、测试装置高度上的大气压强pa、测试装置风室内的静压∆ps和最佳效率点上被测吸油烟机的输入功率PBEP的不确定度决定。

4.1 环境温度ta引入的B类不确定度分量

由吸油烟机流体动力效率测试装置的说明书可知，测试装置中环境温度传感器的精度为±0.5℃，按照矩形分布估计，环境温度测量的不确定度：

其灵敏系数为：

4.2 喷嘴上下游压差∆p引入的B类不确定度分量

由吸油烟机流体动力效率测试装置的说明书可知，测试装置中喷嘴上下游空气压差传感器的精度为±0.5%，按照矩形分布估计，喷嘴上下游空气压差测量的不确定度：

其灵敏系数为：

4.3 风室内喷嘴喉部直径d引入的B类不确定度分量

由吸油烟机流体动力效率测试装置的说明书可知，测试装置风室内喷嘴喉部直径的极限偏差为0.001d，按照矩形分布估计，风室内φ50 mm喷嘴（d1）喉部直径测量的不确定度：

其灵敏系数为：

风室内φ60 mm喷嘴d2喉部直径测量的不确定度：

其灵敏系数为：

4.4 大气压强pa引入的B类不确定度分量

本次测试选择空盒气压表测量实验室大气压强，根据空盒气压表的校准证书，空盒气压表扩展不确定度为0.8 hPa，k=2，其标准不确定度为0.4 hPa。其灵敏系数为：

4.5 风室内的静压∆ps引入的B类不确定度分量

由吸油烟机流体动力效率测试装置的说明书可知，测试装置风室内的静压传感器的精度为±0.5%，按照矩形分布估计，风室内的静压测量的不确定度：

其灵敏系数为：

4.6 最佳效率点上被测吸油烟机的输入功率PBEP引入的B类不确定度分量

本次测试使用横河WT310数字电参数仪测试吸油烟机输入功率。由数字电参数仪校准证书可知，数字电参数仪功率示值测量结果的相对扩展不确定度为0.15%。本次实验吸油烟机的输入功率为103.28 W。被测吸油烟机的输入功率测量不确定度：

其灵敏系数为：

5 流体动力效率不确定度

流体动力效率各不确定度分量汇总如表2所示。

流体动力效率的合成不确定度为：

取包含因子k=2，流体动力效率的扩展不确定度为：

6 结语

通过对吸油烟机流体动力效率的不确定度的分析，可以看出对吸油烟机流体动力效率的主要影响因素是测试重复性和测试设备的精度；对吸油烟机流体动力效率的主要影响测试设备因素为静压测试。因此实验室可以从以上几个方面有针对性地制定质量控制计划，积极开展内部质量控制和外部实验室间比对，或者参与吸油烟机流体动力效率的能力验证，不断提升实验室的检测质量和检测能力。