高頻感應爐紅外吸收法測定不銹鋼中碳含量的測量不確定度評定

李明惠

【摘? 要】依據GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法（常規方法）》和GB/T 27418-2017《測量不確定度評定和表示》，采用CS-902G高頻紅外碳硫分析儀分析檢測不銹鋼中碳含量、對其分析檢測結果進行測量不確定度評定。

【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】TG115.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）08-0191-02

1 引言

測量不確定度是與測量結果關聯的一個參數，是利用可獲得的信息，表征賦予被測量量值分散性的非負參數 [1]。用評定和表示測量不確定度的方法來表征分析檢測結果的質量，對分析檢測結果的質量給出定量的說明，便于使用者正確評價分析檢測結果的可靠程度和可信程度。因此，當報告分析檢測結果時，應同時給出被測量的值及與該值相關的測量不確定度。本文采用GB/T 20123-2006《鋼鐵總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法（常規方法）》[2]標準方法分析檢測S31603不銹鋼中碳含量，依據GB/T 27418-2017《測量不確定度評定和表示》[1]對分析檢測結果的不確定度進行評定，建立數學模型，分析、識別不確定度來源，評定不確定度分量，找出影響測量結果的主要因素，為判斷、評價報告分析檢測結果的可靠性和準確性提供科學依據。

2 試驗部分

2.1 實驗原理

試料置于瓷坩堝中，加入鎢粒助熔劑，在高頻感應爐中通氧燃燒，碳轉化成一氧化碳和/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行測量[2]，測定試料中的碳的質量分數。

2.2 實驗儀器

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不銹鋼中的碳含量，先用不銹鋼標準樣品對紅外碳硫分析儀進行校準，校準進行兩次。然后進行不銹鋼被測樣品的分析測定和測量重復性試驗，被測樣品重復分析測定兩次，測量重復性試驗在同條件下重復分析測定十次。標準樣品和被測樣品的試料稱樣量約0.40g。

2.4 建立數學模型

紅外吸收法分析檢測不銹鋼中的碳含量分析方法是通過用標準樣品對紅外碳硫分析儀進行校準，根據試料的測量信號計算試料中碳元素的質量分數，從而得到分析檢測結果。

樣品中碳元素質量分數ωC與輸入量的函數關系為：

ωC=×100

式中：ωC——樣品中碳元素的質量分數，數值以%表示;m1——試料中碳元素質量的數值，單位為克（g）;m0——空白試驗中碳元素質量的數值，單位為克（g）;m——試料質量的數值，單位為克（g）。

3 結果與討論

3.1 不確定度來源識別

根據分析方法和建立的數學模型，對影響分析檢測結果的不確定度來源進行分析、識別，不確定度的引入主要有以下幾個方面：①被測樣品的測量重復性引入的不確定度;②標準樣品碳含量認定值引入的不確定度;③標準樣品校準儀器時測量變動性引入的不確定度;④電子天平稱取試料質量引入的不確定度;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 不確定度分量的評定

3.2.1 被測樣品的測量重復性不確定度

按實驗方法對S31603不銹鋼樣品進行分析檢測及測量重復性試驗。在相同條件下重復分析檢測十次，分析測量數據分別為：0.01955%、0.01932%、0.01933%、0.01953%、0.01956%、0.01905%、0.01930%、0.01982%、0.01954%和0.01994%，十次分析測量數據的平均值為0.01949%，十次測量值的標準偏差s=0.00026%。樣品重復分析測定兩次，分析測量數據分別為0.01955%和0.01932%，測量結果的平均值為0.019%，其標準不確定度u（s）=0.00026%/=0.00018%， 相對標準不確定度urel（s）=0.00018/0.019=0.0095。

3.2.2 標準樣品碳含量認定值的不確定度

根據標準樣品證書的信息，YSB C 31902-2012標準樣品碳含量的認定值為0.031%、標準偏差為0.001%、定值測量數據組數為8組，認定值的標準不確定度u（cB）=0.001% /=0.00035%，則相對標準不確定度urel（cB）=0.00035/0.031=0.011。

3.2.3 標準樣品校準儀器時測量變動性的不確定度

用YSB C 31902-2012標準樣品對紅外碳硫分析儀校準測量兩次，校準測量次數較少，無多次重復測量數據，測量重復性標準偏差引用與校準用標準樣品碳含量相似的被測樣品在同條件下的測量重復性標準偏差，即sB=s=0.00026%，標準樣品校準儀器測量的標準不確定度u（sB）=0.00026%/=

0.00018%，相對標準不確定度urel（sB）=0.00018/0.031=0.0058。

3.2.4 電子天平稱取試料質量的不確定度

稱量誤差和稱量重復性是電子天平稱取試料質量的不確定度的兩個主要因素。因樣品的測量重復性不確定度已包括試料稱量重復性不確定度，故對電子天平稱取試料質量的稱量重復性不確定度不再評定。稱取試料質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，稱量的標準不確定度為0.1mg/=0.058mg。稱取試料質量需進行兩次，試料稱樣量約0.40g，則稱量誤差的標準不確定度u（m）==0.082mg，相對標準不確定度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

測量儀器示值與對應輸入量的參考量值之差即為示值誤差[3] 。根據紅外碳硫分析儀校準證書提供的信息，當碳含量大于0.010%～0.100%時，示值誤差為0.001%，其紅外碳硫分析儀示值誤差的標準不確定度u（Δx）=0.001%×0.29=0.00029%，相對標準不確定度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

稱取選定質量的鎢粒助熔劑，置于瓷坩堝中，，在高頻感應爐中通氧燃燒，重復分析檢測三次，測定空白值。空白值的平均測量數據為0.0002%，按均勻分布，助熔劑、坩堝及氧氣空白值的標準不確定度為u（k）=0.0002%/■=0.00012%，相對標準不確定度urel（k）=0.00012/0.019=0.0063。

3.3 合成標準不確定度的評定

不確定度來源及其各分量評定結果見表1。由表1可以看出：電子天平稱取試料質量的不確定度分量遠小于其他5個分量，可以忽略不計。由于各不確定度分量互不相關，相互獨立，則相對合成標準不確定度：

ucrel（ωC）=

==0.023

合成標準不確定度為：uc（ωC）=0.019%×0.023=0.00044%

3.4 擴展不確定度的評定

取95%置信水平、包含因子k=2，得擴展不確定度為：

U=0.00044%×2=0.001%。

3.5 報告最終測量結果及不確定度的表達

樣品中碳的質量分數表示為：ωC=（0.019±0.001）%，k=2或ωC=0.019（1±0.053）%，k=2。

4 結語

本文討論了高頻感應爐紅外吸收法分析檢測不銹鋼中碳含量的測量不確定度評定方法，考察了影響分析檢測結果的不確定度引入的6個主要分量，通過對6個不確定度分量的相對標準不確定度進行計算、評定、比較得出：紅外吸收法分析檢測不銹鋼中碳含量時，采用感量值小、靈敏度高的電子天平稱取試料質量，試料質量的不確定度分量與其他分量相比足夠小，可忽略不計;對低含量碳元素的分析檢測，應評定助熔劑、坩堝及氧氣空白值的不確定度分量，不可以忽略;不確定度的評定結果定量表征了測量結果的可靠程度和可信程度、定量說明了分析檢測結果的質量，為分析檢測工作者在分析檢測工作中提高測量結果的質量提供一定的技術指導，為使用者正確判斷、評價分析檢測報告測量結果的可靠度、準確度和可信度提供科學依據。

【參考文獻】

【1】GB/T 27418-2017.測量不確定度評定和表示[S].

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

【3】JJF1001-2011.通用計量術語及定義[S].