便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量的測(cè)量不確定度分析

佘光宇，王振東*，李全罡

(1.國(guó)家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國(guó)家林業(yè)和草原局林業(yè)機(jī)電工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.國(guó)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(fēng)力滅火機(jī)是一種以汽油機(jī)為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)滅火的森林和草原滅火機(jī)械[1]。便攜式風(fēng)力滅火機(jī)是我國(guó)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(jī)械[2]，其性能的優(yōu)劣直接影響滅火效果和效率。便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口的風(fēng)量是其重要性能指標(biāo)，該指標(biāo)的高低關(guān)系到便攜式風(fēng)力滅火機(jī)的性能好壞。因此，如何科學(xué)、準(zhǔn)確測(cè)量和確定便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口的風(fēng)量是客觀、公正評(píng)價(jià)其性能的前提。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 10280-2008 林業(yè)機(jī)械 便攜式風(fēng)力滅火機(jī)》[3]規(guī)定了便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口的風(fēng)量的具體測(cè)試方法和限值要求，規(guī)定其出風(fēng)口風(fēng)量不應(yīng)小于0.4 m3/s。但是標(biāo)準(zhǔn)中未給出便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口的風(fēng)量測(cè)試過(guò)程中，測(cè)量不確定度的影響因子及計(jì)算方法，致使無(wú)法給出對(duì)應(yīng)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)的測(cè)量不確定度，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)不嚴(yán)謹(jǐn)。本文結(jié)合便攜式風(fēng)力滅火機(jī)性能測(cè)試的工作實(shí)踐，對(duì)便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口的風(fēng)量測(cè)試過(guò)程中，測(cè)量不確定度的影響因子進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并推導(dǎo)出便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量測(cè)量不確定度的具體數(shù)值，便于對(duì)便攜式風(fēng)力滅火機(jī)性能進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的評(píng)估。

1 便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法

《GB/T 10280-2008 林業(yè)機(jī)械 便攜式風(fēng)力滅火機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量的測(cè)量方法如圖1所示。

圖1 便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量測(cè)試示意圖1.便攜式風(fēng)力滅火機(jī)；2.試驗(yàn)臺(tái)；3.畢托管夾具；4.畢托管

首先要調(diào)整好測(cè)試樣機(jī)，測(cè)試樣機(jī)水平固定在臺(tái)架上，風(fēng)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(biāo)定轉(zhuǎn)速下，用一個(gè)能上下左右調(diào)整的可移動(dòng)支架固定畢托管，在距離風(fēng)筒出口10 mm處測(cè)定風(fēng)筒出口截面各點(diǎn)動(dòng)壓值p(hPa)，垂直和水平方向各測(cè)10點(diǎn)，并換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值[3]。

按公式(1)將所測(cè)得出風(fēng)口風(fēng)壓值計(jì)算出出風(fēng)口風(fēng)速v(m/s)。

(1)

式中：vi為相應(yīng)pdi處風(fēng)速，m/s；pdi為所測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓值，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3。

用尺測(cè)量風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口直徑?(mm)計(jì)算出出風(fēng)口面積S(m2)按公式(2)用出風(fēng)口風(fēng)速與出風(fēng)口面積的相乘計(jì)算出出風(fēng)口風(fēng)量Q(m3/s)。

Q=v×S

(2)

式中：Q為風(fēng)量，m3/s；v為平均風(fēng)速，m/s；S為滅火風(fēng)筒出口處截面積，m2。

2 便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量測(cè)量的數(shù)學(xué)模型

本實(shí)驗(yàn)采用差壓計(jì)測(cè)量出風(fēng)口風(fēng)壓，用鋼卷尺測(cè)量風(fēng)筒出風(fēng)口直徑。設(shè)p為差壓計(jì)測(cè)量的出風(fēng)口風(fēng)壓(hPa)、ρ為空氣密度(kg/m3)，?為出風(fēng)口直徑(mm)。則出風(fēng)口風(fēng)量Q計(jì)算模型為：

(3)

式中：p為差壓計(jì)測(cè)量的出風(fēng)口風(fēng)壓，hPa；ρ為空氣密度，kg/m3；?為滅火風(fēng)筒出口直徑，mm。

3 便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量的測(cè)量不確定度分析

如圖2所示，根據(jù)公式(3)，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)影響測(cè)試結(jié)果的因素有：出風(fēng)口風(fēng)壓誤差δp(包括：出風(fēng)口風(fēng)壓測(cè)量誤差δ1(hPa)、差壓計(jì)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(fēng)口直徑測(cè)量誤差δ4(mm)、空氣溫度與濕度對(duì)空氣密度的影響產(chǎn)生的誤差δ5(kg/m3)，便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量的測(cè)量不確定度則由上述各誤差導(dǎo)致的各分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成確定[4]。

圖2 便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量測(cè)量數(shù)學(xué)模型

4 分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的確定

4.1 出風(fēng)口風(fēng)壓測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量Uδ1

兩名試驗(yàn)員分別對(duì)同一臺(tái)風(fēng)力滅火機(jī)樣機(jī)的出風(fēng)口風(fēng)壓值進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1，表2。

表1 實(shí)驗(yàn)員1測(cè)得出風(fēng)口壓力值(hPa)

表2 實(shí)驗(yàn)員2測(cè)得出風(fēng)口壓力值(hPa)

利用貝塞爾公式[5]以實(shí)驗(yàn)員1測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度分量Uσ1：

被測(cè)量20次出風(fēng)口風(fēng)壓的平均值：

(4)

單個(gè)測(cè)得值xi的的實(shí)驗(yàn)室方差s2(xi)為：

(5)

單個(gè)測(cè)得值xi實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)偏差s(xi)為：

(6)

自由度為γ=n-1=19。

4.2 差壓計(jì)最大允許偏差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量Uδ2

已知差壓計(jì)分辨率為0.1 hPa，以均勻分布計(jì)算：

(7)

4.3 人員操作產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量Uδ5

實(shí)驗(yàn)員1測(cè)得平均壓強(qiáng)值為24.51 hPa，實(shí)驗(yàn)員2測(cè)得壓強(qiáng)值為24.57 hPa。取均勻分布：

(8)

4.4 環(huán)境因素導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量Uδ4

在測(cè)量出風(fēng)口風(fēng)量時(shí)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(duì)照表空氣密度介于1.217 7-1.176 9 kg/m3，以均勻分布計(jì)算：

(9)

4.5 鋼卷尺最大允許偏差引入的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算：

(10)

4.6 出風(fēng)口風(fēng)壓誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量Uδp

標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量Uδp由標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量Uδ1、標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量Uδ3、標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量Uδ5構(gòu)成，即：

(11)

4.7 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度UQ?

(12)

擴(kuò)展不確定度U，取擴(kuò)展因子為2[5]，得到便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量的測(cè)量不確定度：

U=K×UQ=2×2.4×10-3=4.8×10-3(m3/s)

(13)

4.8 測(cè)量不確定度報(bào)告

便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量測(cè)量的擴(kuò)展不確定度U=0.004 8(m3/s)。是由合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度UQ和擴(kuò)展因子的乘積得到的，置信概率為95%。

5 結(jié)論

通過(guò)上面的分析和計(jì)算得到，在置信概率為95%的區(qū)間內(nèi)，便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量測(cè)量的擴(kuò)展不確定度U=0.004 8(m3/s)。該數(shù)據(jù)與便攜式風(fēng)力滅火機(jī)出風(fēng)口風(fēng)量測(cè)量值相配合，為準(zhǔn)確評(píng)估便攜式風(fēng)力滅火機(jī)的性能提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)依據(jù)，尤其是當(dāng)測(cè)量值處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值的臨界點(diǎn)值時(shí)。