钢材中碳含量测量不确定度评定

李江

摘要：对高频炉燃烧一红外吸收法测定钢中碳含量的测量不确定度来源进行了详细的分析，建立了合理的数学模型，概述了物质称量、标准物质认定值、测量的重复性等等各主要的不确定度分量的评定方法，对高频炉燃烧一红外吸收法测定钢中碳含量的测量不确定度进行了仔细的评定，给出了扩展不确定度，并就其对钢中碳含量测量结果的影响进行了深入的探讨。

关键词：钢材碳含量测量不确定度评定

中图分类号：C35文献标识码： A

一、目的

通过对钢材碳含量测量过程、测量结果的不确度的分析、评定，实施测量不确定度的有效控制，确保测量结果的可信度和可靠性。

根据1995年公布的《测量不确定度表示指南》(GUM)国际标准，中国质量技术监督局已于1999年发布了JJF 1059-199叫测量不确定度评定与表示》计量技术规范。近年来测量不确定度评定在理化检验中越来越受到重视。但是对于高频炉燃烧一红外吸收法的测量不确定度评定方面的内容鲜有报道，因此探索其合理的评定方法具有极其重要的意义，同时还具有一定的借鉴作用和参考价值。

JJF1059-1999给出了测量不确定度的定义是“表征合理的赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数”。不确定度越小，则测量结果的可疑程度越小，可信程度越大，测量结果的质量越高，水平越高，其实用价值越高，反之亦然。

测量不确定度根据评定方法的不同，可区分为A类标准不确定度和B类标准不确定度。前者是用对观测列的统计得出的不确定度，后者是不同于观测列的统计得出的不确定度，即根据许多已知信息来评定不确定度。各因素引起的输入量的不确定度分量(包括A类和B类)评定以后根据不确定度传播定律，对各分量进行合成，从而得到合成标准不确定度，再按所确定的置信概率，将合成标准不确定度乘以包含因了，从而得到扩展不确定度，有时也可称为展仲不确定度或范围不确定度或总不确定度。

本文根据高频炉燃烧一红外吸收法测量碳含量的特点，经分析列出测量不确定度来源，建立数学模型，并进行分量评定，计算合成标准不确定度，评定扩展不确定度，最后完成不确定度评定。并根据评定结果分析了影响测量结果的主要不确定度分量，提出了保证分析数据质量的主要办法。

二、实验部分

1、仪器、标准样品及试样

EMIR-820V型红外碳硫分析仪;XS-64梅特勒电了天平，可读性±0 . 1 mg，标准样品:高、低标准样品的主要技术参数见表1

表1标准样品标准值和标准不确定度

待测试样:碳素钢屑50 g

2、实验环境及条件

温度设置为(22±2)℃，电源220 V，波动小于5%

动力气:氮气，入口压力0.35一0.40 MPa应气体:高纯氧气:99 . 999 %湿度为(40士5)%，;反入口压力:0. 30一0. 35 MPa

3、分析程序

选择合适的标准曲线;用高、低标准物质校准分析仪器，使其处于最佳工作状态;准确称取待测试样品0.5000 g置于增锅中，推入高频炉内，加热氧化，用红外吸收法测定碳的含量。

三、结果与讨论

1、数学模型

由于高频红外碳硫分析仪采用计算机进行数据运算及数据处理，具有超强的数据采集和处理能力，因此测定值即为显示值，其数学模型为:

w (C)0%=B

其中:B一样品的碳含量显示值;w (C)%一测量值。

2、测量不确定度来源的分析

根据国际标准化组织((ISO)制定的《测量不确定度表达指南》(Guideto the Expression of Uncertaintyin Measurement)和我国国家计量技术规范《测量不确定度评定与表示》JJF 1059-1999)进行分析。由于本方法用高含量和低含量两种标准物质对仪器进行校准，然后进行分析样品的测量，而且测量值直接以仪器显示。因此测量不确定度的主要来源有:测量值的重复性，标准物质认定值的不确定度，标准物质校准仪器的测量变动性，天平称量的不确定度等。其不确定度类型见表2

表2影响钢中碳含量测量的不确定度分量及评定结果

3、测量不确定度各分量的分析评定

以高频炉燃烧一红外吸收法测量钢中碳含量为例，对测定结果进行测量不确定度分量的评定。

1）样品的测量重复性引入的不确定度对样品进行11次平行测定，n=11次;其平均值x=0.352。

标准偏差

重复测定的标准不确定度

相对标准不确定度

2）标准物质认定值引入的不确定度各标

准物质的标准不确定度和相对标准不确定度各不相同，它们对待测量的影响大致可用相对标准不确定度的均方根来表示，按照表1数据计算如下:

JSS611-10：

标准偏差

标准不确定度

相对标准不确定度

JSS201一13：

标准偏差

标准不确定度

相对标准不确定度

影响待测量的两标准物质的标准不确定度的均方根为:

影响待测量的两标准物质的相对标准不确定度的均方根为:

3）标准物质校准仪器时的测量变动性引入的不确定度高频炉燃烧一红外吸收法分析，通常工作曲线存储于计算机中，在测量样品前，以标准样品校准工作曲线的漂移。因此校准仪器时产生的变动性必然影响测量结果的不确定度。本方法因采用高、低标两种标准样品进行仪器校准。所以它们校准时产生的变动性可引用实际测量数据标准不确定度的均方根表示。

由于每个标准样品校准仪器时，只进行3次，即n=3次。

当用JSS611-10标准样品进行校准时，

其标准偏差

标准不确定度

相对标准不确定度

当用JSS201-13标准样品进行校准时，

其标准偏差

标准不确定度

相对标准不确定度

校准时两标准物质的标准不确定度的均方根为：

校准时两标准物质的相对标准不确定度的均方根为：

4）天平称量引入的不确定度称量的不确定度主要有2个因素:称量的重复性和称量的误差，称量的重复性已包含在测量的重复性中，不再计算。根据仪器说明书，称量误差为1 mg(表示被测量的实际质量与天平示值之差)，按均匀分布，称量的标准不确定度：

称量一个样品需2次使用天平(一次空盘，一次样品)，所以称量一个样品的标准不确定度如下:

称量的相对标准不确定度为:

4、合成不确定度的评定

对不确定度各个分量进行综合考虑，确定合成不确定度。由于上述测量不确定度的各个分量之间彼此独立，互不相关，因此可用方和根求其相对合成不确定度:

合成标准不确定度为:

5、扩展不确定度评定

扩展不确定度的公式为:

通常在置信概率p =0. 95下，其包含因了取k=2.0

扩展不确定度2 .6分析结果

高频炉燃烧一红外吸收法测定钢中碳的测量结果为:

包含因子k=2。

结论：

评定结果证明，在各不确定度分量中，对测量结果影响最大的是标准物质定值引入的不确定度，其次是天平称量引入的不确定度，因此若要保证分析结果的可靠准确，必须选择使用定值稳定、准确、可靠并且组织均匀的标准样品，其次试验时尽量保证标样和试样称量的一致性和准确性。

参考文献：

JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》

GB-T20066-2006 钢和铁化学成分测定用试样的取样和制样方法

GB/T 223.69-2008 钢铁及合金碳含量的测定管式炉内燃烧后的气体容量法