高頻感應(yīng)爐紅外吸收法測(cè)定不銹鋼中碳含量的測(cè)量不確定度評(píng)定

李明惠

【摘? 要】依據(jù)GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）》和GB/T 27418-2017《測(cè)量不確定度評(píng)定和表示》，采用CS-902G高頻紅外碳硫分析儀分析檢測(cè)不銹鋼中碳含量、對(duì)其分析檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定。

【Abstract】According to GB / T 20123-2006 "Determination of Total Carbon and Sulfur Content in Iron and Steel Infrared Absorption Method after Combustion in High Frequency Induction Furnace （conventional method） " and GB / T 27418-2017"Evaluation and Expression of Measurement Uncertainty"， CS-902G high frequency infrared carbon and sulfur analyzer is used to analyze and detect carbon content in stainless steel and evaluate the measurement uncertainty of the analysis and detection results.

【關(guān)鍵詞】紅外吸收法;不銹鋼;碳;不確定度

【Keywords】infrared absorption method; stainless steel; carbon; uncertainty

【中圖分類號(hào)】TG115.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）08-0191-02

1 引言

測(cè)量不確定度是與測(cè)量結(jié)果關(guān)聯(lián)的一個(gè)參數(shù)，是利用可獲得的信息，表征賦予被測(cè)量量值分散性的非負(fù)參數(shù) [1]。用評(píng)定和表示測(cè)量不確定度的方法來表征分析檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量，對(duì)分析檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量給出定量的說明，便于使用者正確評(píng)價(jià)分析檢測(cè)結(jié)果的可靠程度和可信程度。因此，當(dāng)報(bào)告分析檢測(cè)結(jié)果時(shí)，應(yīng)同時(shí)給出被測(cè)量的值及與該值相關(guān)的測(cè)量不確定度。本文采用GB/T 20123-2006《鋼鐵總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）》[2]標(biāo)準(zhǔn)方法分析檢測(cè)S31603不銹鋼中碳含量，依據(jù)GB/T 27418-2017《測(cè)量不確定度評(píng)定和表示》[1]對(duì)分析檢測(cè)結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)定，建立數(shù)學(xué)模型，分析、識(shí)別不確定度來源，評(píng)定不確定度分量，找出影響測(cè)量結(jié)果的主要因素，為判斷、評(píng)價(jià)報(bào)告分析檢測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

試料置于瓷坩堝中，加入鎢粒助熔劑，在高頻感應(yīng)爐中通氧燃燒，碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳和/或二氧化碳，利用氧氣流中二氧化碳和一氧化碳的紅外吸收光譜進(jìn)行測(cè)量[2]，測(cè)定試料中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

CS-902G高頻紅外碳硫分析儀，BS124S電子天平。

2.3 方法概述

用高頻燃燒紅外吸收法分析檢測(cè)不銹鋼中的碳含量，先用不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)紅外碳硫分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)進(jìn)行兩次。然后進(jìn)行不銹鋼被測(cè)樣品的分析測(cè)定和測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)，被測(cè)樣品重復(fù)分析測(cè)定兩次，測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)在同條件下重復(fù)分析測(cè)定十次。標(biāo)準(zhǔn)樣品和被測(cè)樣品的試料稱樣量約0.40g。

2.4 建立數(shù)學(xué)模型

紅外吸收法分析檢測(cè)不銹鋼中的碳含量分析方法是通過用標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)紅外碳硫分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，根據(jù)試料的測(cè)量信號(hào)計(jì)算試料中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而得到分析檢測(cè)結(jié)果。

樣品中碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωC與輸入量的函數(shù)關(guān)系為：

ωC=×100

式中：ωC——樣品中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，數(shù)值以%表示;m1——試料中碳元素質(zhì)量的數(shù)值，單位為克（g）;m0——空白試驗(yàn)中碳元素質(zhì)量的數(shù)值，單位為克（g）;m——試料質(zhì)量的數(shù)值，單位為克（g）。

3 結(jié)果與討論

3.1 不確定度來源識(shí)別

根據(jù)分析方法和建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)影響分析檢測(cè)結(jié)果的不確定度來源進(jìn)行分析、識(shí)別，不確定度的引入主要有以下幾個(gè)方面：①被測(cè)樣品的測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度;②標(biāo)準(zhǔn)樣品碳含量認(rèn)定值引入的不確定度;③標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)儀器時(shí)測(cè)量變動(dòng)性引入的不確定度;④電子天平稱取試料質(zhì)量引入的不確定度;⑤紅外碳硫分析儀示值誤差引入的不確定度;⑥助熔劑、坩堝及氧氣空白值引入的不確定度。

3.2 不確定度分量的評(píng)定

3.2.1 被測(cè)樣品的測(cè)量重復(fù)性不確定度

按實(shí)驗(yàn)方法對(duì)S31603不銹鋼樣品進(jìn)行分析檢測(cè)及測(cè)量重復(fù)性試驗(yàn)。在相同條件下重復(fù)分析檢測(cè)十次，分析測(cè)量數(shù)據(jù)分別為：0.01955%、0.01932%、0.01933%、0.01953%、0.01956%、0.01905%、0.01930%、0.01982%、0.01954%和0.01994%，十次分析測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值為0.01949%，十次測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差s=0.00026%。樣品重復(fù)分析測(cè)定兩次，分析測(cè)量數(shù)據(jù)分別為0.01955%和0.01932%，測(cè)量結(jié)果的平均值為0.019%，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（s）=0.00026%/=0.00018%， 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（s）=0.00018/0.019=0.0095。

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)樣品碳含量認(rèn)定值的不確定度

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣品證書的信息，YSB C 31902-2012標(biāo)準(zhǔn)樣品碳含量的認(rèn)定值為0.031%、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.001%、定值測(cè)量數(shù)據(jù)組數(shù)為8組，認(rèn)定值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（cB）=0.001% /=0.00035%，則相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（cB）=0.00035/0.031=0.011。

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)儀器時(shí)測(cè)量變動(dòng)性的不確定度

用YSB C 31902-2012標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)紅外碳硫分析儀校準(zhǔn)測(cè)量?jī)纱?，校?zhǔn)測(cè)量次數(shù)較少，無多次重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差引用與校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)樣品碳含量相似的被測(cè)樣品在同條件下的測(cè)量重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)偏差，即sB=s=0.00026%，標(biāo)準(zhǔn)樣品校準(zhǔn)儀器測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（sB）=0.00026%/=

0.00018%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（sB）=0.00018/0.031=0.0058。

3.2.4 電子天平稱取試料質(zhì)量的不確定度

稱量誤差和稱量重復(fù)性是電子天平稱取試料質(zhì)量的不確定度的兩個(gè)主要因素。因樣品的測(cè)量重復(fù)性不確定度已包括試料稱量重復(fù)性不確定度，故對(duì)電子天平稱取試料質(zhì)量的稱量重復(fù)性不確定度不再評(píng)定。稱取試料質(zhì)量所用的電子天平的感量為0.1mg，稱量誤差為±0.1mg，按均勻分布，稱量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.1mg/=0.058mg。稱取試料質(zhì)量需進(jìn)行兩次，試料稱樣量約0.40g，則稱量誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（m）==0.082mg，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（m）=0.082/400=0.00021。

3.2.5 紅外碳硫分析儀示值誤差的不確定度

測(cè)量?jī)x器示值與對(duì)應(yīng)輸入量的參考量值之差即為示值誤差[3] 。根據(jù)紅外碳硫分析儀校準(zhǔn)證書提供的信息，當(dāng)碳含量大于0.010%～0.100%時(shí)，示值誤差為0.001%，其紅外碳硫分析儀示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Δx）=0.001%×0.29=0.00029%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（Δx）=0.00029/0.019=0.015。

3.2.6 助熔劑、坩堝及氧氣空白值的不確定度

稱取選定質(zhì)量的鎢粒助熔劑，置于瓷坩堝中，，在高頻感應(yīng)爐中通氧燃燒，重復(fù)分析檢測(cè)三次，測(cè)定空白值?？瞻字档钠骄鶞y(cè)量數(shù)據(jù)為0.0002%，按均勻分布，助熔劑、坩堝及氧氣空白值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u（k）=0.0002%/■=0.00012%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（k）=0.00012/0.019=0.0063。

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

不確定度來源及其各分量評(píng)定結(jié)果見表1。由表1可以看出：電子天平稱取試料質(zhì)量的不確定度分量遠(yuǎn)小于其他5個(gè)分量，可以忽略不計(jì)。由于各不確定度分量互不相關(guān)，相互獨(dú)立，則相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

ucrel（ωC）=

==0.023

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：uc（ωC）=0.019%×0.023=0.00044%

3.4 擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

取95%置信水平、包含因子k=2，得擴(kuò)展不確定度為：

U=0.00044%×2=0.001%。

3.5 報(bào)告最終測(cè)量結(jié)果及不確定度的表達(dá)

樣品中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示為：ωC=（0.019±0.001）%，k=2或ωC=0.019（1±0.053）%，k=2。

4 結(jié)語

本文討論了高頻感應(yīng)爐紅外吸收法分析檢測(cè)不銹鋼中碳含量的測(cè)量不確定度評(píng)定方法，考察了影響分析檢測(cè)結(jié)果的不確定度引入的6個(gè)主要分量，通過對(duì)6個(gè)不確定度分量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行計(jì)算、評(píng)定、比較得出：紅外吸收法分析檢測(cè)不銹鋼中碳含量時(shí)，采用感量值小、靈敏度高的電子天平稱取試料質(zhì)量，試料質(zhì)量的不確定度分量與其他分量相比足夠小，可忽略不計(jì);對(duì)低含量碳元素的分析檢測(cè)，應(yīng)評(píng)定助熔劑、坩堝及氧氣空白值的不確定度分量，不可以忽略;不確定度的評(píng)定結(jié)果定量表征了測(cè)量結(jié)果的可靠程度和可信程度、定量說明了分析檢測(cè)結(jié)果的質(zhì)量，為分析檢測(cè)工作者在分析檢測(cè)工作中提高測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量提供一定的技術(shù)指導(dǎo)，為使用者正確判斷、評(píng)價(jià)分析檢測(cè)報(bào)告測(cè)量結(jié)果的可靠度、準(zhǔn)確度和可信度提供科學(xué)依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】GB/T 27418-2017.測(cè)量不確定度評(píng)定和表示[S].

【2】GB/T 20123-2006.鋼鐵總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）[S].

【3】JJF1001-2011.通用計(jì)量術(shù)語及定義[S].