鋼材中碳含量測量不確定度評定

李江

摘要：對高頻爐燃燒一紅外吸收法測定鋼中碳含量的測量不確定度來源進行了詳細的分析，建立了合理的數學模型，概述了物質稱量、標準物質認定值、測量的重復性等等各主要的不確定度分量的評定方法，對高頻爐燃燒一紅外吸收法測定鋼中碳含量的測量不確定度進行了仔細的評定，給出了擴展不確定度，并就其對鋼中碳含量測量結果的影響進行了深入的探討。

關鍵詞：鋼材碳含量測量不確定度評定

中圖分類號：C35文獻標識碼： A

一、目的

通過對鋼材碳含量測量過程、測量結果的不確度的分析、評定，實施測量不確定度的有效控制，確保測量結果的可信度和可靠性。

根據1995年公布的《測量不確定度表示指南》(GUM)國際標準，中國質量技術監督局已于1999年發布了JJF 1059-199叫測量不確定度評定與表示》計量技術規范。近年來測量不確定度評定在理化檢驗中越來越受到重視。但是對于高頻爐燃燒一紅外吸收法的測量不確定度評定方面的內容鮮有報道，因此探索其合理的評定方法具有極其重要的意義，同時還具有一定的借鑒作用和參考價值。

JJF1059-1999給出了測量不確定度的定義是“表征合理的賦予被測量之值的分散性，與測量結果相聯系的參數”。不確定度越小，則測量結果的可疑程度越小，可信程度越大，測量結果的質量越高，水平越高，其實用價值越高，反之亦然。

測量不確定度根據評定方法的不同，可區分為A類標準不確定度和B類標準不確定度。前者是用對觀測列的統計得出的不確定度，后者是不同于觀測列的統計得出的不確定度，即根據許多已知信息來評定不確定度。各因素引起的輸入量的不確定度分量(包括A類和B類)評定以后根據不確定度傳播定律，對各分量進行合成，從而得到合成標準不確定度，再按所確定的置信概率，將合成標準不確定度乘以包含因了，從而得到擴展不確定度，有時也可稱為展仲不確定度或范圍不確定度或總不確定度。

本文根據高頻爐燃燒一紅外吸收法測量碳含量的特點，經分析列出測量不確定度來源，建立數學模型，并進行分量評定，計算合成標準不確定度，評定擴展不確定度，最后完成不確定度評定。并根據評定結果分析了影響測量結果的主要不確定度分量，提出了保證分析數據質量的主要辦法。

二、實驗部分

1、儀器、標準樣品及試樣

EMIR-820V型紅外碳硫分析儀;XS-64梅特勒電了天平，可讀性±0 . 1 mg，標準樣品:高、低標準樣品的主要技術參數見表1

表1標準樣品標準值和標準不確定度

待測試樣:碳素鋼屑50 g

2、實驗環境及條件

溫度設置為(22±2)℃，電源220 V，波動小于5%

動力氣:氮氣，入口壓力0.35一0.40 MPa應氣體:高純氧氣:99 . 999 %濕度為(40士5)%，;反入口壓力:0. 30一0. 35 MPa

3、分析程序

選擇合適的標準曲線;用高、低標準物質校準分析儀器，使其處于最佳工作狀態;準確稱取待測試樣品0.5000 g置于增鍋中，推入高頻爐內，加熱氧化，用紅外吸收法測定碳的含量。

三、結果與討論

1、數學模型

由于高頻紅外碳硫分析儀采用計算機進行數據運算及數據處理，具有超強的數據采集和處理能力，因此測定值即為顯示值，其數學模型為:

w (C)0%=B

其中:B一樣品的碳含量顯示值;w (C)%一測量值。

2、測量不確定度來源的分析

根據國際標準化組織((ISO)制定的《測量不確定度表達指南》(Guideto the Expression of Uncertaintyin Measurement)和我國國家計量技術規范《測量不確定度評定與表示》JJF 1059-1999)進行分析。由于本方法用高含量和低含量兩種標準物質對儀器進行校準，然后進行分析樣品的測量，而且測量值直接以儀器顯示。因此測量不確定度的主要來源有:測量值的重復性，標準物質認定值的不確定度，標準物質校準儀器的測量變動性，天平稱量的不確定度等。其不確定度類型見表2

表2影響鋼中碳含量測量的不確定度分量及評定結果

3、測量不確定度各分量的分析評定

以高頻爐燃燒一紅外吸收法測量鋼中碳含量為例，對測定結果進行測量不確定度分量的評定。

1）樣品的測量重復性引入的不確定度對樣品進行11次平行測定，n=11次;其平均值x=0.352。

標準偏差

重復測定的標準不確定度

相對標準不確定度

2）標準物質認定值引入的不確定度各標

準物質的標準不確定度和相對標準不確定度各不相同，它們對待測量的影響大致可用相對標準不確定度的均方根來表示，按照表1數據計算如下:

JSS611-10：

標準偏差

標準不確定度

相對標準不確定度

JSS201一13：

標準偏差

標準不確定度

相對標準不確定度

影響待測量的兩標準物質的標準不確定度的均方根為:

影響待測量的兩標準物質的相對標準不確定度的均方根為:

3）標準物質校準儀器時的測量變動性引入的不確定度高頻爐燃燒一紅外吸收法分析，通常工作曲線存儲于計算機中，在測量樣品前，以標準樣品校準工作曲線的漂移。因此校準儀器時產生的變動性必然影響測量結果的不確定度。本方法因采用高、低標兩種標準樣品進行儀器校準。所以它們校準時產生的變動性可引用實際測量數據標準不確定度的均方根表示。

由于每個標準樣品校準儀器時，只進行3次，即n=3次。

當用JSS611-10標準樣品進行校準時，

其標準偏差

標準不確定度

相對標準不確定度

當用JSS201-13標準樣品進行校準時，

其標準偏差

標準不確定度

相對標準不確定度

校準時兩標準物質的標準不確定度的均方根為：

校準時兩標準物質的相對標準不確定度的均方根為：

4）天平稱量引入的不確定度稱量的不確定度主要有2個因素:稱量的重復性和稱量的誤差，稱量的重復性已包含在測量的重復性中，不再計算。根據儀器說明書，稱量誤差為1 mg(表示被測量的實際質量與天平示值之差)，按均勻分布，稱量的標準不確定度：

稱量一個樣品需2次使用天平(一次空盤，一次樣品)，所以稱量一個樣品的標準不確定度如下:

稱量的相對標準不確定度為:

4、合成不確定度的評定

對不確定度各個分量進行綜合考慮，確定合成不確定度。由于上述測量不確定度的各個分量之間彼此獨立，互不相關，因此可用方和根求其相對合成不確定度:

合成標準不確定度為:

5、擴展不確定度評定

擴展不確定度的公式為:

通常在置信概率p =0. 95下，其包含因了取k=2.0

擴展不確定度2 .6分析結果

高頻爐燃燒一紅外吸收法測定鋼中碳的測量結果為:

包含因子k=2。

結論：

評定結果證明，在各不確定度分量中，對測量結果影響最大的是標準物質定值引入的不確定度，其次是天平稱量引入的不確定度，因此若要保證分析結果的可靠準確，必須選擇使用定值穩定、準確、可靠并且組織均勻的標準樣品，其次試驗時盡量保證標樣和試樣稱量的一致性和準確性。

參考文獻：

JJF1059-1999《測量不確定度評定與表示》

GB-T20066-2006 鋼和鐵化學成分測定用試樣的取樣和制樣方法

GB/T 223.69-2008 鋼鐵及合金碳含量的測定管式爐內燃燒后的氣體容量法