高频红外碳硫分析仪测定15#钢中C、S 含量的不确定度评定

田 谱，王馨郁，谢高峰，何祖海

（湖南中机申亿检测技术有限公司，湖南 长沙 410007）

1 概述

高频红外碳硫分析仪是测量金属中C、S 元素含量的仪器，其工作原理是：金属样品由高频感应炉加热并在富氧条件下燃烧，其中的碳元素被氧化成二氧化碳，硫元素被氧化成二氧化硫；燃烧后的气体经载气运输通过红外吸收池时，CO2、SO2对相应的红外辐射进行吸收，使探测器接收到的红外信号变弱；探测器将这一变化转化为电信号，经计算机处理后最终输出测量结果[1]。

测量不确定度指利用可获得的信息，表征赋于被测量量值分散性的非负参数。任何测量结果都有不确定度，而不确定度也是评价测量结果有效性和测量能力的重要参数[2]。本文用高频红外碳硫分析仪测定常规样品中碳、硫的含量，分析测量过程中影响测量结果的各个因素，评定测量结果的不确定度，为测量检测工作提供一定的参考。

2 测量过程

本次测量使用的仪器为上海德凯仪器有限公司生产的HCS-140 型高频红外碳硫分析仪。称量过程中使用的电子天平为梅特勒-托利多LE84E 型，其检定分度值为1mg。设备校准使用的标准物质为上海材料研究所研制的15#钢，编号为YSBC41118a-05（材字300a）。

测量过程中使用到的辅助用品包括助熔剂（钨粒）、坩埚和高纯氧气，其中钨粒纯度≥99.95%，坩埚在1200℃高温下烘烤4小时后放凉存储于干燥皿中，高纯氧气纯度≥99.999%。

检测样品前先用标准物质对设备进行校准，试验过程中每次称取0.3g 样品，并加入一勺（约1.5g）钨粒，由高频红外碳硫分析仪分析50 秒钟，得出测量结果。本次试验高频感应炉分析功率设定为60%，共重复测量10 次。

3 数学模型与不确定度来源识别

该试验的数学模型为y=x.

式中，y 一被测元素的测量结果，%。

x 一仪器的读数值，%。

从测量过程的各个环节进行分析考虑，总结出5 个方面的因素可能会影响测量结果的准确度。不确定度分量的识别如下：

①由测量重复性形成的标准不确定度 )(1xu ；②由钨粒、坩埚和氧气等辅助用品形成的空白值的不确定度 )(2xu ；③由称量形成的样品质量的不确定度 )(3xu ；④由仪器校准形成的不确定度 )(4xu ；⑤由仪器分辨率形成的不确定度 )(5xu 。

4 不确定度的评定

4.1 由测量重复性引入的不确定度 )( 5xu （A 类评定）

用高频红外碳硫分析仪分析15#钢，得到10 次测量结果，如表1 所示。

表1 碳硫测量结果

可分别求出C、S 的标准不确定度： )(1Cu =0.00022%； )(1Su=0.00012%；

4.2 由空白值引入的不确定度 )( 2xu （A 类评定）

在坩埚中不加入样品只加入钨粒进行测试，得到C、S 元素的空白测定值，连续测量10 次，结果如表2 所示。

表2 碳、硫元素的空白测定值

由贝塞尔公式可计算出由空白值引入的标准不确定度：

4.3 由称量值引入的不确定度 )( 3xu （B 类评定）

4.4 由仪器校准引入的不确定度 )( 4xu （B 类评定）

由于高频红外碳硫分析仪使用标准物质进行校准，且标准物质的碳、硫含量与检测样品中碳、硫含量接近，所以由仪器校准引入的不确定度实际上接近标准物质的不确定度。从标准物质证书上可以查到碳、硫元素的扩展不确定度分别为0.003%和0.001%，置信水平为95%（k=2），

由此可计算出由仪器校准引入的不确定度为：

4.5 由仪器分辨率引入的不确定度 )( 5xu （B 类评定）

仪器的最小分辨率为0.000001%，服从均匀分布，该因素造成的不确定度对测量结果影响很小，可以忽略不计。

4.6 合成标准不确定度及扩展不确定度

由于以上分量互不相关，所以合成相对标准不确定度为urel(x)：

合成标准不确定度为：

取置信水平95%，包含因子k=2，因此，C、S 元素的扩展不确定度为：

4.7 测量结果的不确定度表达

15#钢C、S 元素质量分数测量结果为：

碳含量为w(C)=0.1588%±0.0030% (k=2)

硫含量为w(S)=0.0120%±0.0010% (k=2)

5 结语

本次试验评定了使用高频红外碳硫分析仪得到测量结果的不确定度，共考查了5 个维度的影响，以上分量充分考虑了测量过程中系统效应和随机效应所导致的测量结果不确定度[4]。通过计算各个分量对测量结果的影响，得出以下结论：

（1）由仪器校准引入的不确定度对测量结果形成主要影响，而仪器校准形成的不确定度来源于标准物质的不确定度，因此，使用高频红外碳硫分析仪进行测试活动时，应该选用带有证书的国家标准物质，且标准物质与被测样品成分越接近越好。

（2）测量重复性对不确定度的影响较小，但是当样品中碳、硫元素含量越低时，测量重复性引入的不确定度越大，可以通过多次测量来减小这种因素带来的影响。

（3）空白值、称量值和仪器分辨率对测量结果的影响较小，对于非超低碳硫含量的样品，其影响基本可以忽略[5]。