風機性能測試不確定度評定

裘　俊,　應金源,　陳　坤,　孟令飛,　茅忠明,　陳　彪

(1, 浙江省機電產品質量檢測所,杭州　310051; 2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海　200093;

3.上海理工大學 能源與動力工程學院,上海　200093)

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風機性能測試不確定度評定

裘俊1,應金源1,陳坤1,孟令飛1,茅忠明2,陳彪3

(1, 浙江省機電產品質量檢測所,杭州310051; 2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院,上海200093;

3.上海理工大學 能源與動力工程學院,上海200093)

摘要：以風機抽檢產品的風機流量、壓力、效率等關鍵性能指標的測試結果進行不確定度分析,確定本次測試的不確定度,對各個儀表在測試過程中對不確定度的影響進行評估,得出關鍵性能測試過程中主要測試儀表選取的指導意見.對風機流量、壓力和效率進行了公式推算,對風機性能測試過程中的各個基本測量量進行不確定度分析.

關鍵詞：風機流量; 風機效率; 風機壓力; 不確定度

在風機性能測試過程中,由于測試方法、儀器精度、環境和人為因素的影響,使得測試的結果與真值間存在一定的誤差.由于真值的未知性質,誤差也是未知的,但是,被測量參數值的不確定度是可以估計的.不確定度表征了被測量參數值的分散性,通過不確定度可以估計被測量參數結果的可信度.

為了解可直接測量的參數對風機性能測試結果的準確度和可信度的影響,找出對測試影響較大的環節,對產品性能測試數據正確度有一個基本的評估,本文對國標GB/T 1236-2000 《工業風機用標準化風道進行性能試驗》中C型裝置風機主要性能(風機流量、風機壓力、風機效率),依據中華人民共和國國家計量技術規范 JJF 1059.1-2012 《測量不確定度評定與表示》進行不確定度分析和評估[1],估計出風機性能測試結果的可信度,為用戶選擇風機提供參考依據.

1基本測量的不確定度分析

風機性能測試過程中直接測量得到的量為基本量,主要是空氣溫度、濕度、壓力、噴嘴直徑及功率等,這些基本量的準確度直接影響風機的主要性能.對這些基本量的不確定度評定有A類評定,即用統計方法估計不確定度,可采用重復測試得到.還有B類評定,即依據其他信息估計的不確定度,這些信息主要來自于生產廠家的技術說明書,將儀器誤差限以一定的置信概率換算成標準不確定度來表示.

A類評定的計算標準不確定度[1]

(1)

自由度νA(x)=n-1.

B類評定的計算不確定度[1]:

c. 合成不確定度

(2)

根據GB/T 1236-2000,以C型裝置為例,裝置圖如圖1所示[2],采用90°弧進口噴嘴測定流量.

分析中被測風機為9-26№12.5D,噴嘴和風管直徑為710 mm,實測大氣壓為100.949 kPa,噴嘴壓差為569.85 Pa,風管壓力為8 029.44 Pa,空氣干球溫度為33 ℃,空氣濕度為60.3%,功率變送器讀數為1.53 kW,電流互感器變比為100.根據測試結果對風機的主要性能參數進行不確定度評定.

測量結果的不確定度與每次測試過程的多種因素有關.本次測試采用的儀器有安捷倫的數據采集儀、橫河的壓力變送器、維薩拉的濕度傳感器.功率測量采用電測法,轉速測量采用紅外脈沖,溫度測量采用鉑電阻溫度計.

圖1　90°弧進口噴嘴及風機示意圖

通過計算機自動采集進風干球溫度ta、環境濕度hu、大氣壓力pa、噴嘴壓差Δp、風管壓力pe3并進行A類和B類標準不確定度評定,再合成計算性能參數的不確定度.

安捷倫數據采集儀的分辨率達221,包含因子K=2給出的相對擴展不確定度為4×10-5%,其相對標準不確定度為2×10-5%.在采集過程中,可以通過對采集儀濾波常數進行設置(參見安捷倫說明書[3])并加以偏振數據處理,求得的基本參數A類不確定度比較B類不確定度可以忽略不計,在不確定度分析中,不計入安捷倫數據采集儀的影響.本文對除去噴嘴直徑外的其他基本參數不確定度的分析主要依據變送器的技術文獻進行B類不確定度評定.

1.1噴管直徑的不確定度

在風量測試過程中,噴嘴直徑以45°角劃分4個測量點，用0.2級1 m鋼直尺測量標稱直徑d為710 mm的文丘里噴嘴，分別測得直徑di,可得A類標準不確定度

0.2級1 m鋼直尺誤差限

式中:X為測量值;L為量程.

噴嘴直徑的B類不確定度

噴嘴直徑引起的合成不確定度

(3)

相對合成不確定度

(4)

1.2大氣壓力和大氣濕度的不確定度[4]

大氣壓力和大氣濕度的測量是計算空氣密度ρa不可缺少的量.大氣壓力的測量選用橫河EJA530壓力變送器,量程為90~110 kPa,誤差限為±[0.05%X+0.15%L],當實測大氣壓為100.949 kPa時,其置信半區間寬度為

100 949×0.05%+110 000×0.15%=215.4Pa

按正態分布置信概率95%,包含因子kp=1.96,可求得大氣壓力的不確定度

(5)

濕度的測量選用維薩拉HMW83濕度變送器,允許誤差限為±3%RH，其標準不確定度

(6)

1.3噴嘴壓差和風管壓力的不確定度

噴嘴壓差Δp的測量選用橫河EJA110-L壓力變送器，量程為2 kPa,風管壓力pe3測量選橫河EJA110-M壓力變送器,量程為10 kPa,誤差限為±[0.025%X+0.05%L].當噴嘴壓差測得569.85 Pa和風管壓力測得8 029.44 Pa時,分別計算噴嘴壓差和風管壓力的不確定度

(7)

(8)

1.4進風干球溫度的不確定度

干球溫度的測定采用鉑電阻溫度計Pt 100,鉑電阻溫度計的精度為±0.05 ℃,其不確定度

(9)

1.5電機輸入功率的不確定度

功率變送器為0.2級,量程為0~4 kW,電流互感器0.2級,變比ke=500/5,又電機輸入功率Pe=keP,P為功率，變送器測量值、允許誤差限均為0.2%L,均勻分布,可得不確定度

0.245kW

(10)

2風機流量不確定度分析

風機流量的測量原理是根據流體通過噴嘴節流裝置,使部分壓力能轉變為動能而產生差壓信號;由流體連續性方程和伯努利方程可推得質量流量方程式[2,5-6].

質量流量

(11)

容積流量

流量系數

對自由進口流量計而言,直徑比

膨脹系數

可得質量流量不確定度計算式為[7]

2.1流量系數的不確定度

根據國標GB/T 1236-2000的C型裝置,文丘里進口流量計的雷諾數大于105時,流量系數與雷諾數無關.流量系數最大誤差為0.017[1].按正態分布,置信度80%計,則流量系數α的不確定度

(13)

2.2膨脹系數的不確定度

當噴嘴壓差Δp=569.85 Pa時,

(14)

由于量級很小,因此,膨脹系數的不確定度可忽略不計.

2.3氣體密度的不確定度

圖1中截面7的氣體平均密度ρ7=ρa

氣體常數

式中，pv為ta對應的飽和蒸汽壓力.

推導得到密度計算式為

根據式(3)可推得密度不確定度

當測量值大氣壓為100 949 Pa,空氣干球溫度為33 ℃,空氣濕度為60.3%時,計算可得

求得各基本量的標準不確定度之后,再推導出各自偏導數,可以計算各分量的不確定度.

2.4流量的合成不確定度

通過式(12)各對應分量的計算,得到合成質量流量不確定度

(16)

質量流量的百分率不確定度

(17)

3風機壓力不確定度分析

在風機性能試驗中,除了風機壓力以外,風量測

試同樣也是借助于壓力來完成的,通過對風機壓力的計算推導,分析出影響風機壓力的因素,推導和計算出壓力的不確定度,得到壓力測試的可信度評估.

3.1風機壓力計算推導

根據國家標準[2],風機進口壓力psg1按下式進行計算:

式中，ρ3，V3，p3分別為截面3的氣體密度、速度和壓力.

考慮截面1—3的損失(系數ζ1-3),得到風機進口壓力[2，5]

(18)

式中:(ζ1-3)3為截面1—3的常規損失系數,用截面3計算;ReD3為截面3的雷諾數;Θa為大氣溫度;Θ3為截面3的靜態溫度;Θsg1,Θsg3分別為截面1,3的滯止溫度.

風機出口壓力psg2按下式進行計算[2]:

(19)

p2=pa

式中:ρ2，p2，A2分別為截面2的氣體密度、壓力和面積;Θsg2為截面2的滯止溫度；cp為比定壓熱容.

風機壓力

3.2風機壓力不確定度計算

由式(18)可以得到風機進口壓力的合成不確定度

(20)

根據測量值和計算得到的各分量不確定度,由式(20)合成得進口壓力不確定度

(21)

由式(20)可以得到風機出口壓力的合成不確定度

(22)

根據已計算得到的各分量,由式(22)中各項合成得到出口壓力的合成不確定度

(23)

最后，風機壓力的合成不確定度

(24)

風機壓力的百分率不確定度

(25)

4風機效率不確定度分析

風機的效率為風機空氣功率和電機輸入功率之比,風機空氣功率[2,5]

整理可得

風機效率

由功率變送器讀數1.53 kW和電流互感器變比100計算,可推得風機空氣功率的不確定度

由已計算得到的各分項不確定度合成,得到風機空氣功率的不確定度

(26)

風機效率的不確定度

計算式中各項合成，得到風機效率合成不確定度

(27)

風機效率的百分率不確定度

(28)

5結論

a. 計算結果表明，風機流量、風機壓力和風機效率的百分率不確定度都在1%以內,可以認為本次測試具有較高的可信度.

b. 效率的計算包含了電機的損耗,如果僅考慮風機效率,則電測法風機效率還需要考慮電機性能的特性曲線精確度對不確定度的影響.

c. 比較式(12)各分量的計算結果可以看出,直徑的不確定度分量比大氣密度和噴嘴壓差的不確定度分量大一個量級.對風量測量結果的影響最大,應特別重視對噴嘴的精確度的要求.同時,再比較式(15)各分量的計算結果可以看出,大氣壓力和進風干球溫度的測量不確定度比大氣濕度的測量不確定度對氣體密度不確定度的影響大一個量級,因此，應重視大氣壓力和溫度測量儀表的選取.

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1059.1-2012 測量不確定度評定與表示[S].北京:中國標準出版社,2015.

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 1236-2000工業風機用標準化風道進行性能試驗[S].北京:中國標準出版社,2000.

[3]Agilent Technologies.Agilent_34970A_Users_Manual[M].3rd ed.Loveland:Agitent Technologies,2013:326-327.

[4]于建清,程紹華,賈偉廣,等.溫濕度傳感器相對濕度示值誤差測量結果的不確定度評定[J].海洋技術,2013,32(1):83-86.

[5]周植鵬,巨廣剛,孔令剛.GB/T 1236—2000工業風機空氣動力性能試驗主要參數的計算方法(C型裝置)[J].礦業安全與環保,2004,31(1):20-22.

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[7]曹小林,李雄林,喻首賢,等.調器性能測試平臺測量不確定度的研究[J].制冷學報,2009,30(5):58-62.

(編輯:石瑛)

第一作者： 姜愛玲(1992-),女,碩士研究生.研究方向:骨生物學.E-mail:454463884@qq.com

Uncertainty Assessment of Fan PerformanceQIU Jun1,YING Jinyuan1,CHEN Kun1,MENG Lingfei1,MAO Zhongming2,CHEN Biao3

(1.Zhejiang Testing Inspection Institute for Mechanical and Electrical Products Quality,Hangzhou 310051,China; 2.School

of Optical Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;

3.School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract：An analysis on the uncertainty was made for the results of sampling of a certain product based on three key performance indicators,i.e.fan flow rate,pressure and efficiency.Geting the uncertainty of the test and evaluateing each instrument’s contribution to the uncertainty in the test process,the choosing guideline of main test equipment was obtained.The formulas for calculating the fan flow rate,pressure and efficiency were presented and the uncertainty for each measurement parameter in the test was analyzed.

Key words：fan flow rate; fan efficiency; fan pressure; uncertainty

通信作者：張巖(1978-),男,副教授.研究方向:骨生物學、骨內分泌代謝.E-mail:medicineyan@aliyun.com

基金項目：上海市教委科研創新重點資助項目(11ZZ137)

收稿日期：2014-05-22

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2015.06.012

文章編號：1007-6735(2015)06-0573-04

中圖分類號：TH 432

文獻標志碼：A