佘光宇，王振东*，李全罡

(1.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.国家林业和草原局林业机电工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086；3.国家林业和草原局林业装备工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086)

便携式风力灭火机是一种以汽油机为动力源，驱动风机叶轮旋转产生高速气流，利用高速气流吹击可燃物表面火焰实现灭火的森林和草原灭火机械[1]。便携式风力灭火机是我国森林防火装备中使用量最大、应用面最广的重要森林和草原扑火机械[2]，其性能的优劣直接影响灭火效果和效率。便携式风力灭火机出风口的风量是其重要性能指标，该指标的高低关系到便携式风力灭火机的性能好坏。因此，如何科学、准确测量和确定便携式风力灭火机出风口的风量是客观、公正评价其性能的前提。国家标准《GB/T 10280-2008 林业机械 便携式风力灭火机》[3]规定了便携式风力灭火机出风口的风量的具体测试方法和限值要求，规定其出风口风量不应小于0.4 m3/s。但是标准中未给出便携式风力灭火机出风口的风量测试过程中，测量不确定度的影响因子及计算方法，致使无法给出对应测试结果数据的测量不确定度，导致测试结果数据不严谨。本文结合便携式风力灭火机性能测试的工作实践，对便携式风力灭火机出风口的风量测试过程中，测量不确定度的影响因子进行系统的分析，并推导出便携式风力灭火机出风口风量测量不确定度的具体数值，便于对便携式风力灭火机性能进行科学、准确的评估。

1 便携式风力灭火机出风口风量测量实验方法

《GB/T 10280-2008 林业机械 便携式风力灭火机》标准中规定的便携式风力灭火机出风口风量的测量方法如图1所示。

图1 便携式风力灭火机出风口风量测试示意图1.便携式风力灭火机；2.试验台；3.毕托管夹具；4.毕托管

首先要调整好测试样机，测试样机水平固定在台架上，风筒中心距地面高度应不小于1 m，前方不得有障碍物，左右2 m内不得有影响射流的障碍物。在标定转速下，用一个能上下左右调整的可移动支架固定毕托管，在距离风筒出口10 mm处测定风筒出口截面各点动压值p(hPa)，垂直和水平方向各测10点，并换算为标准状态值[3]。

按公式(1)将所测得出风口风压值计算出出风口风速v(m/s)。

(1)

式中：vi为相应pdi处风速，m/s；pdi为所测点的动压值，Pa；ρ为空气密度，kg/m3。

用尺测量风力灭火机出风口直径Ø(mm)计算出出风口面积S(m2)按公式(2)用出风口风速与出风口面积的相乘计算出出风口风量Q(m3/s)。

Q=v×S

(2)

式中：Q为风量，m3/s；v为平均风速，m/s；S为灭火风筒出口处截面积，m2。

2 便携式风力灭火机出风口风量测量的数学模型

本实验采用差压计测量出风口风压，用钢卷尺测量风筒出风口直径。设p为差压计测量的出风口风压(hPa)、ρ为空气密度(kg/m3)，Ø为出风口直径(mm)。则出风口风量Q计算模型为：

(3)

式中：p为差压计测量的出风口风压，hPa；ρ为空气密度，kg/m3；Ø为灭火风筒出口直径，mm。

3 便携式风力灭火机出风口风量的测量不确定度分析

如图2所示，根据公式(3)，在实验测量时影响测试结果的因素有：出风口风压误差δp(包括：出风口风压测量误差δ1(hPa)、差压计最大允许偏差产生的误差δ2(hPa)、人员操作产生的误差δ3(hPa)三部分)、出风口直径测量误差δ4(mm)、空气温度与湿度对空气密度的影响产生的误差δ5(kg/m3)，便携式风力灭火机出风口风量的测量不确定度则由上述各误差导致的各分量标准不确定度合成确定[4]。

图2 便携式风力灭火机出风口风量测量数学模型

4 分量标准不确定度的确定

4.1 出风口风压测量引入的标准不确定度分量Uδ1

两名试验员分别对同一台风力灭火机样机的出风口风压值进行检测，结果如表1，表2。

表1 实验员1测得出风口压力值(hPa)

表2 实验员2测得出风口压力值(hPa)

利用贝塞尔公式[5]以实验员1测量数据来计算重复性测量引入的不确定度分量Uσ1：

被测量20次出风口风压的平均值：

(4)

单个测得值xi的的实验室方差s2(xi)为：

(5)

单个测得值xi实验室标准偏差s(xi)为：

(6)

自由度为γ=n-1=19。

4.2 差压计最大允许偏差引入的标准不确定度分量Uδ2

已知差压计分辨率为0.1 hPa，以均匀分布计算：

(7)

4.3 人员操作产生的标准不确定度分量Uδ5

实验员1测得平均压强值为24.51 hPa，实验员2测得压强值为24.57 hPa。取均匀分布：

(8)

4.4 环境因素导致的标准不确定度分量Uδ4

在测量出风口风量时环境温度为20 ℃大气压力为101 kPa，根据空气密度表可知空气在不同压力和温度下的密度对照表空气密度介于1.217 7-1.176 9 kg/m3，以均匀分布计算：

(9)

4.5 钢卷尺最大允许偏差引入的标准不确定度分量Uδ5

钢卷尺最小分度值为0.5 mm，以均匀分布计算：

(10)

4.6 出风口风压误差引入的标准不确定度分量Uδp

标准不确定度分量Uδp由标准不确定度分量Uδ1、标准不确定度分量Uδ3、标准不确定度分量Uδ5构成，即：

(11)

4.7 合成标准不确定度UQ∂

(12)

扩展不确定度U，取扩展因子为2[5]，得到便携式风力灭火机出风口风量的测量不确定度：

U=K×UQ=2×2.4×10-3=4.8×10-3(m3/s)

(13)

4.8 测量不确定度报告

便携式风力灭火机出风口风量测量的扩展不确定度U=0.004 8(m3/s)。是由合成标准不确定度UQ和扩展因子的乘积得到的，置信概率为95%。

5 结论

通过上面的分析和计算得到，在置信概率为95%的区间内，便携式风力灭火机出风口风量测量的扩展不确定度U=0.004 8(m3/s)。该数据与便携式风力灭火机出风口风量测量值相配合，为准确评估便携式风力灭火机的性能提供了严谨的科学依据，尤其是当测量值处于标准规定限值的临界点值时。