高频感应炉红外吸收法测定不锈钢中碳含量的测量不确定度评定

李明惠

【摘  要】依据GB/T 20123-2006《钢铁 总碳硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外吸收法（常规方法）》和GB/T 27418-2017《测量不确定度评定和表示》，采用CS-902G高频红外碳硫分析仪分析检测不锈钢中碳含量、对其分析检测结果进行测量不确定度评定。

【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.

【關键词】红外吸收法;不锈钢;碳;不确定度

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

【中图分类号】TG115.33                                           【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）08-0191-02

1 引言

测量不确定度是与测量结果关联的一个参数，是利用可获得的信息，表征赋予被测量量值分散性的非负参数 [1]。用评定和表示测量不确定度的方法来表征分析检测结果的质量，对分析检测结果的质量给出定量的说明，便于使用者正确评价分析检测结果的可靠程度和可信程度。因此，当报告分析检测结果时，应同时给出被测量的值及与该值相关的测量不确定度。本文采用GB/T 20123-2006《钢铁总碳硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外吸收法（常规方法）》[2]标准方法分析检测S31603不锈钢中碳含量，依据GB/T 27418-2017《测量不确定度评定和表示》[1]对分析检测结果的不确定度进行评定，建立数学模型，分析、识别不确定度来源，评定不确定度分量，找出影响测量结果的主要因素，为判断、评价报告分析检测结果的可靠性和准确性提供科学依据。

2 试验部分

2.1 实验原理

试料置于瓷坩埚中，加入钨粒助熔剂，在高频感应炉中通氧燃烧，碳转化成一氧化碳和/或二氧化碳，利用氧气流中二氧化碳和一氧化碳的红外吸收光谱进行测量[2]，测定试料中的碳的质量分数。

2.2 实验仪器

CS-902G高频红外碳硫分析仪，BS124S电子天平。

2.3 方法概述

用高频燃烧红外吸收法分析检测不锈钢中的碳含量，先用不锈钢标准样品对红外碳硫分析仪进行校准，校准进行两次。然后进行不锈钢被测样品的分析测定和测量重复性试验，被测样品重复分析测定两次，测量重复性试验在同条件下重复分析测定十次。标准样品和被测样品的试料称样量约0.40g。

2.4 建立数学模型

红外吸收法分析检测不锈钢中的碳含量分析方法是通过用标准样品对红外碳硫分析仪进行校准，根据试料的测量信号计算试料中碳元素的质量分数，从而得到分析检测结果。

样品中碳元素质量分数ωC与输入量的函数关系为：

ωC=×100

式中：ωC——样品中碳元素的质量分数，数值以%表示;m1——试料中碳元素质量的数值，单位为克（g）;m0——空白试验中碳元素质量的数值，单位为克（g）;m——试料质量的数值，单位为克（g）。

3 结果与讨论

3.1 不确定度来源识别

根据分析方法和建立的数学模型，对影响分析检测结果的不确定度来源进行分析、识别，不确定度的引入主要有以下几个方面：①被测样品的测量重复性引入的不确定度;②标准样品碳含量认定值引入的不确定度;③标准样品校准仪器时测量变动性引入的不确定度;④电子天平称取试料质量引入的不确定度;⑤红外碳硫分析仪示值误差引入的不确定度;⑥助熔剂、坩埚及氧气空白值引入的不确定度。

3.2 不确定度分量的评定

3.2.1 被测样品的测量重复性不确定度

按实验方法对S31603不锈钢样品进行分析检测及测量重复性试验。在相同条件下重复分析检测十次，分析测量数据分别为：0.01955%、0.01932%、0.01933%、0.01953%、0.01956%、0.01905%、0.01930%、0.01982%、0.01954%和0.01994%，十次分析测量数据的平均值为0.01949%，十次测量值的标准偏差s=0.00026%。样品重复分析测定两次，分析测量数据分别为0.01955%和0.01932%，测量结果的平均值为0.019%，其标准不确定度u（s）=0.00026%/=0.00018%， 相对标准不确定度urel（s）=0.00018/0.019=0.0095。

3.2.2 标准样品碳含量认定值的不确定度

根据标准样品证书的信息，YSB C 31902-2012标准样品碳含量的认定值为0.031%、标准偏差为0.001%、定值测量数据组数为8组，认定值的标准不确定度u（cB）=0.001% /=0.00035%，则相对标准不确定度urel（cB）=0.00035/0.031=0.011。

3.2.3 标准样品校准仪器时测量变动性的不确定度

用YSB C 31902-2012标准样品对红外碳硫分析仪校准测量两次，校准测量次数较少，无多次重复测量数據，测量重复性标准偏差引用与校准用标准样品碳含量相似的被测样品在同条件下的测量重复性标准偏差，即sB=s=0.00026%，标准样品校准仪器测量的标准不确定度u（sB）=0.00026%/=

0.00018%，相对标准不确定度urel（sB）=0.00018/0.031=0.0058。

3.2.4 电子天平称取试料质量的不确定度

称量误差和称量重复性是电子天平称取试料质量的不确定度的两个主要因素。因样品的测量重复性不确定度已包括试料称量重复性不确定度，故对电子天平称取试料质量的称量重复性不确定度不再评定。称取试料质量所用的电子天平的感量为0.1mg，称量误差为±0.1mg，按均匀分布，称量的标准不确定度为0.1mg/=0.058mg。称取试料质量需进行两次，试料称样量约0.40g，则称量误差的标准不确定度u（m）==0.082mg，相对标准不确定度urel（m）=0.082/400=0.00021。

3.2.5 红外碳硫分析仪示值误差的不确定度

测量仪器示值与对应输入量的参考量值之差即为示值误差[3] 。根据红外碳硫分析仪校准证书提供的信息，当碳含量大于0.010%～0.100%时，示值误差为0.001%，其红外碳硫分析仪示值误差的标准不确定度u（Δx）=0.001%×0.29=0.00029%，相对标准不确定度urel（Δx）=0.00029/0.019=0.015。

3.2.6 助熔剂、坩埚及氧气空白值的不确定度

称取选定质量的钨粒助熔剂，置于瓷坩埚中，，在高频感应炉中通氧燃烧，重复分析检测三次，测定空白值。空白值的平均测量数据为0.0002%，按均匀分布，助熔剂、坩埚及氧气空白值的标准不确定度为u（k）=0.0002%/■=0.00012%，相对标准不确定度urel（k）=0.00012/0.019=0.0063。

3.3 合成标准不确定度的评定

不确定度来源及其各分量评定结果见表1。由表1可以看出：电子天平称取试料质量的不确定度分量远小于其他5个分量，可以忽略不计。由于各不确定度分量互不相关，相互独立，则相对合成标准不确定度：

ucrel（ωC）=

==0.023

合成标准不确定度为：uc（ωC）=0.019%×0.023=0.00044%

3.4 扩展不确定度的评定

取95%置信水平、包含因子k=2，得扩展不确定度为：

U=0.00044%×2=0.001%。

3.5 报告最终测量结果及不确定度的表达

样品中碳的质量分数表示为：ωC=（0.019±0.001）%，k=2或ωC=0.019（1±0.053）%，k=2。

4 结语

本文讨论了高频感应炉红外吸收法分析检测不锈钢中碳含量的测量不确定度评定方法，考察了影响分析检测结果的不确定度引入的6个主要分量，通过对6个不确定度分量的相对标准不确定度进行计算、评定、比较得出：红外吸收法分析检测不锈钢中碳含量时，采用感量值小、灵敏度高的电子天平称取试料质量，试料质量的不确定度分量与其他分量相比足够小，可忽略不计;对低含量碳元素的分析检测，应评定助熔剂、坩埚及氧气空白值的不确定度分量，不可以忽略;不确定度的评定结果定量表征了测量结果的可靠程度和可信程度、定量说明了分析检测结果的质量，为分析检测工作者在分析检测工作中提高测量结果的质量提供一定的技术指导，为使用者正确判断、评价分析检测报告测量结果的可靠度、准确度和可信度提供科学依据。

【参考文献】

【1】GB/T 27418-2017.测量不确定度评定和表示[S].

【2】GB/T 20123-2006.钢铁总碳硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外吸收法（常规方法）[S].

【3】JJF1001-2011.通用计量术语及定义[S].