佘光宇，王振東*，李全罡

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)機電工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.國家林業(yè)和草原局林業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

便攜式風力滅火機是一種以汽油機為動力源，驅(qū)動風機葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高速氣流，利用高速氣流吹擊可燃物表面火焰實現(xiàn)滅火的森林和草原滅火機械[1]。便攜式風力滅火機是我國森林防火裝備中使用量最大、應(yīng)用面最廣的重要森林和草原撲火機械[2]，其性能的優(yōu)劣直接影響滅火效果和效率。便攜式風力滅火機出風口的風量是其重要性能指標，該指標的高低關(guān)系到便攜式風力滅火機的性能好壞。因此，如何科學(xué)、準確測量和確定便攜式風力滅火機出風口的風量是客觀、公正評價其性能的前提。國家標準《GB/T 10280-2008 林業(yè)機械 便攜式風力滅火機》[3]規(guī)定了便攜式風力滅火機出風口的風量的具體測試方法和限值要求，規(guī)定其出風口風量不應(yīng)小于0.4 m3/s。但是標準中未給出便攜式風力滅火機出風口的風量測試過程中，測量不確定度的影響因子及計算方法，致使無法給出對應(yīng)測試結(jié)果數(shù)據(jù)的測量不確定度，導(dǎo)致測試結(jié)果數(shù)據(jù)不嚴謹。本文結(jié)合便攜式風力滅火機性能測試的工作實踐，對便攜式風力滅火機出風口的風量測試過程中，測量不確定度的影響因子進行系統(tǒng)的分析，并推導(dǎo)出便攜式風力滅火機出風口風量測量不確定度的具體數(shù)值，便于對便攜式風力滅火機性能進行科學(xué)、準確的評估。

1 便攜式風力滅火機出風口風量測量實驗方法

《GB/T 10280-2008 林業(yè)機械 便攜式風力滅火機》標準中規(guī)定的便攜式風力滅火機出風口風量的測量方法如圖1所示。

圖1 便攜式風力滅火機出風口風量測試示意圖1.便攜式風力滅火機；2.試驗臺；3.畢托管夾具；4.畢托管

首先要調(diào)整好測試樣機，測試樣機水平固定在臺架上，風筒中心距地面高度應(yīng)不小于1 m，前方不得有障礙物，左右2 m內(nèi)不得有影響射流的障礙物。在標定轉(zhuǎn)速下，用一個能上下左右調(diào)整的可移動支架固定畢托管，在距離風筒出口10 mm處測定風筒出口截面各點動壓值p(hPa)，垂直和水平方向各測10點，并換算為標準狀態(tài)值[3]。

按公式(1)將所測得出風口風壓值計算出出風口風速v(m/s)。

(1)

式中：vi為相應(yīng)pdi處風速，m/s；pdi為所測點的動壓值，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3。

用尺測量風力滅火機出風口直徑?(mm)計算出出風口面積S(m2)按公式(2)用出風口風速與出風口面積的相乘計算出出風口風量Q(m3/s)。

Q=v×S

(2)

式中：Q為風量，m3/s；v為平均風速，m/s；S為滅火風筒出口處截面積，m2。

2 便攜式風力滅火機出風口風量測量的數(shù)學(xué)模型

本實驗采用差壓計測量出風口風壓，用鋼卷尺測量風筒出風口直徑。設(shè)p為差壓計測量的出風口風壓(hPa)、ρ為空氣密度(kg/m3)，?為出風口直徑(mm)。則出風口風量Q計算模型為：

(3)

式中：p為差壓計測量的出風口風壓，hPa；ρ為空氣密度，kg/m3；?為滅火風筒出口直徑，mm。

3 便攜式風力滅火機出風口風量的測量不確定度分析

如圖2所示，根據(jù)公式(3)，在實驗測量時影響測試結(jié)果的因素有：出風口風壓誤差δp(包括：出風口風壓測量誤差δ1(hPa)、差壓計最大允許偏差產(chǎn)生的誤差δ2(hPa)、人員操作產(chǎn)生的誤差δ3(hPa)三部分)、出風口直徑測量誤差δ4(mm)、空氣溫度與濕度對空氣密度的影響產(chǎn)生的誤差δ5(kg/m3)，便攜式風力滅火機出風口風量的測量不確定度則由上述各誤差導(dǎo)致的各分量標準不確定度合成確定[4]。

圖2 便攜式風力滅火機出風口風量測量數(shù)學(xué)模型

4 分量標準不確定度的確定

4.1 出風口風壓測量引入的標準不確定度分量Uδ1

兩名試驗員分別對同一臺風力滅火機樣機的出風口風壓值進行檢測，結(jié)果如表1，表2。

表1 實驗員1測得出風口壓力值(hPa)

表2 實驗員2測得出風口壓力值(hPa)

利用貝塞爾公式[5]以實驗員1測量數(shù)據(jù)來計算重復(fù)性測量引入的不確定度分量Uσ1：

被測量20次出風口風壓的平均值：

(4)

單個測得值xi的的實驗室方差s2(xi)為：

(5)

單個測得值xi實驗室標準偏差s(xi)為：

(6)

自由度為γ=n-1=19。

4.2 差壓計最大允許偏差引入的標準不確定度分量Uδ2

已知差壓計分辨率為0.1 hPa，以均勻分布計算：

(7)

4.3 人員操作產(chǎn)生的標準不確定度分量Uδ5

實驗員1測得平均壓強值為24.51 hPa，實驗員2測得壓強值為24.57 hPa。取均勻分布：

(8)

4.4 環(huán)境因素導(dǎo)致的標準不確定度分量Uδ4

在測量出風口風量時環(huán)境溫度為20 ℃大氣壓力為101 kPa，根據(jù)空氣密度表可知空氣在不同壓力和溫度下的密度對照表空氣密度介于1.217 7-1.176 9 kg/m3，以均勻分布計算：

(9)

4.5 鋼卷尺最大允許偏差引入的標準不確定度分量Uδ5

鋼卷尺最小分度值為0.5 mm，以均勻分布計算：

(10)

4.6 出風口風壓誤差引入的標準不確定度分量Uδp

標準不確定度分量Uδp由標準不確定度分量Uδ1、標準不確定度分量Uδ3、標準不確定度分量Uδ5構(gòu)成，即：

(11)

4.7 合成標準不確定度UQ?

(12)

擴展不確定度U，取擴展因子為2[5]，得到便攜式風力滅火機出風口風量的測量不確定度：

U=K×UQ=2×2.4×10-3=4.8×10-3(m3/s)

(13)

4.8 測量不確定度報告

便攜式風力滅火機出風口風量測量的擴展不確定度U=0.004 8(m3/s)。是由合成標準不確定度UQ和擴展因子的乘積得到的，置信概率為95%。

5 結(jié)論

通過上面的分析和計算得到，在置信概率為95%的區(qū)間內(nèi)，便攜式風力滅火機出風口風量測量的擴展不確定度U=0.004 8(m3/s)。該數(shù)據(jù)與便攜式風力滅火機出風口風量測量值相配合，為準確評估便攜式風力滅火機的性能提供了嚴謹?shù)目茖W(xué)依據(jù)，尤其是當測量值處于標準規(guī)定限值的臨界點值時。