高頻紅外碳硫分析儀測定15#鋼中C、S 含量的不確定度評定

田 譜，王馨郁，謝高峰，何祖海

（湖南中機申億檢測技術有限公司，湖南 長沙 410007）

1 概述

高頻紅外碳硫分析儀是測量金屬中C、S 元素含量的儀器，其工作原理是：金屬樣品由高頻感應爐加熱并在富氧條件下燃燒，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；燃燒后的氣體經載氣運輸通過紅外吸收池時，CO2、SO2對相應的紅外輻射進行吸收，使探測器接收到的紅外信號變弱；探測器將這一變化轉化為電信號，經計算機處理后最終輸出測量結果[1]。

測量不確定度指利用可獲得的信息，表征賦于被測量量值分散性的非負參數。任何測量結果都有不確定度，而不確定度也是評價測量結果有效性和測量能力的重要參數[2]。本文用高頻紅外碳硫分析儀測定常規樣品中碳、硫的含量，分析測量過程中影響測量結果的各個因素，評定測量結果的不確定度，為測量檢測工作提供一定的參考。

2 測量過程

本次測量使用的儀器為上海德凱儀器有限公司生產的HCS-140 型高頻紅外碳硫分析儀。稱量過程中使用的電子天平為梅特勒-托利多LE84E 型，其檢定分度值為1mg。設備校準使用的標準物質為上海材料研究所研制的15#鋼，編號為YSBC41118a-05（材字300a）。

測量過程中使用到的輔助用品包括助熔劑（鎢粒）、坩堝和高純氧氣，其中鎢粒純度≥99.95%，坩堝在1200℃高溫下烘烤4小時后放涼存儲于干燥皿中，高純氧氣純度≥99.999%。

檢測樣品前先用標準物質對設備進行校準，試驗過程中每次稱取0.3g 樣品，并加入一勺（約1.5g）鎢粒，由高頻紅外碳硫分析儀分析50 秒鐘，得出測量結果。本次試驗高頻感應爐分析功率設定為60%，共重復測量10 次。

3 數學模型與不確定度來源識別

該試驗的數學模型為y=x.

式中，y 一被測元素的測量結果，%。

x 一儀器的讀數值，%。

從測量過程的各個環節進行分析考慮，總結出5 個方面的因素可能會影響測量結果的準確度。不確定度分量的識別如下：

①由測量重復性形成的標準不確定度 )(1xu ；②由鎢粒、坩堝和氧氣等輔助用品形成的空白值的不確定度 )(2xu ；③由稱量形成的樣品質量的不確定度 )(3xu ；④由儀器校準形成的不確定度 )(4xu ；⑤由儀器分辨率形成的不確定度 )(5xu 。

4 不確定度的評定

4.1 由測量重復性引入的不確定度 )( 5xu （A 類評定）

用高頻紅外碳硫分析儀分析15#鋼，得到10 次測量結果，如表1 所示。

表1 碳硫測量結果

可分別求出C、S 的標準不確定度： )(1Cu =0.00022%； )(1Su=0.00012%；

4.2 由空白值引入的不確定度 )( 2xu （A 類評定）

在坩堝中不加入樣品只加入鎢粒進行測試，得到C、S 元素的空白測定值，連續測量10 次，結果如表2 所示。

表2 碳、硫元素的空白測定值

由貝塞爾公式可計算出由空白值引入的標準不確定度：

4.3 由稱量值引入的不確定度 )( 3xu （B 類評定）

4.4 由儀器校準引入的不確定度 )( 4xu （B 類評定）

由于高頻紅外碳硫分析儀使用標準物質進行校準，且標準物質的碳、硫含量與檢測樣品中碳、硫含量接近，所以由儀器校準引入的不確定度實際上接近標準物質的不確定度。從標準物質證書上可以查到碳、硫元素的擴展不確定度分別為0.003%和0.001%，置信水平為95%（k=2），

由此可計算出由儀器校準引入的不確定度為：

4.5 由儀器分辨率引入的不確定度 )( 5xu （B 類評定）

儀器的最小分辨率為0.000001%，服從均勻分布，該因素造成的不確定度對測量結果影響很小，可以忽略不計。

4.6 合成標準不確定度及擴展不確定度

由于以上分量互不相關，所以合成相對標準不確定度為urel(x)：

合成標準不確定度為：

取置信水平95%，包含因子k=2，因此，C、S 元素的擴展不確定度為：

4.7 測量結果的不確定度表達

15#鋼C、S 元素質量分數測量結果為：

碳含量為w(C)=0.1588%±0.0030% (k=2)

硫含量為w(S)=0.0120%±0.0010% (k=2)

5 結語

本次試驗評定了使用高頻紅外碳硫分析儀得到測量結果的不確定度，共考查了5 個維度的影響，以上分量充分考慮了測量過程中系統效應和隨機效應所導致的測量結果不確定度[4]。通過計算各個分量對測量結果的影響，得出以下結論：

（1）由儀器校準引入的不確定度對測量結果形成主要影響，而儀器校準形成的不確定度來源于標準物質的不確定度，因此，使用高頻紅外碳硫分析儀進行測試活動時，應該選用帶有證書的國家標準物質，且標準物質與被測樣品成分越接近越好。

（2）測量重復性對不確定度的影響較小，但是當樣品中碳、硫元素含量越低時，測量重復性引入的不確定度越大，可以通過多次測量來減小這種因素帶來的影響。

（3）空白值、稱量值和儀器分辨率對測量結果的影響較小，對于非超低碳硫含量的樣品，其影響基本可以忽略[5]。