田 譜，王馨郁，謝高峰，何祖海

（湖南中機(jī)申億檢測技術(shù)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(yīng)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(jīng)載氣運(yùn)輸通過紅外吸收池時(shí)，CO2、SO2對(duì)相應(yīng)的紅外輻射進(jìn)行吸收，使探測器接收到的紅外信號(hào)變?nèi)?；探測器將這一變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后最終輸出測量結(jié)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(fù)參數(shù)。任何測量結(jié)果都有不確定度，而不確定度也是評(píng)價(jià)測量結(jié)果有效性和測量能力的重要參數(shù)[2]。本文用高頻紅外碳硫分析儀測定常規(guī)樣品中碳、硫的含量，分析測量過程中影響測量結(jié)果的各個(gè)因素，評(píng)定測量結(jié)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(chǎn)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(shè)備校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為上海材料研究所研制的15#鋼，編號(hào)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(shí)后放涼存儲(chǔ)于干燥皿中，高純氧氣純度≥99.999%。

檢測樣品前先用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，試驗(yàn)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(jié)果。本次試驗(yàn)高頻感應(yīng)爐分析功率設(shè)定為60%，共重復(fù)測量10 次。

3 數(shù)學(xué)模型與不確定度來源識(shí)別

該試驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型為y=x.

式中，y 一被測元素的測量結(jié)果，%。

x 一儀器的讀數(shù)值，%。

從測量過程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析考慮，總結(jié)出5 個(gè)方面的因素可能會(huì)影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。不確定度分量的識(shí)別如下：

①由測量重復(fù)性形成的標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量的不確定度 )(3xu ；④由儀器校準(zhǔn)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(píng)定

4.1 由測量重復(fù)性引入的不確定度 )( 5xu （A 類評(píng)定）

用高頻紅外碳硫分析儀分析15#鋼，得到10 次測量結(jié)果，如表1 所示。

表1 碳硫測量結(jié)果

可分別求出C、S 的標(biāo)準(zhǔn)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(píng)定）

在坩堝中不加入樣品只加入鎢粒進(jìn)行測試，得到C、S 元素的空白測定值，連續(xù)測量10 次，結(jié)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(jì)算出由空白值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4.3 由稱量值引入的不確定度 )( 3xu （B 類評(píng)定）

4.4 由儀器校準(zhǔn)引入的不確定度 )( 4xu （B 類評(píng)定）

由于高頻紅外碳硫分析儀使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)，且標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的碳、硫含量與檢測樣品中碳、硫含量接近，所以由儀器校準(zhǔn)引入的不確定度實(shí)際上接近標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度。從標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書上可以查到碳、硫元素的擴(kuò)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(jì)算出由儀器校準(zhǔn)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(píng)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(duì)測量結(jié)果影響很小，可以忽略不計(jì)。

4.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度

由于以上分量互不相關(guān)，所以合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為urel(x)：

合成標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展不確定度為：

4.7 測量結(jié)果的不確定度表達(dá)

15#鋼C、S 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測量結(jié)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(jié)語

本次試驗(yàn)評(píng)定了使用高頻紅外碳硫分析儀得到測量結(jié)果的不確定度，共考查了5 個(gè)維度的影響，以上分量充分考慮了測量過程中系統(tǒng)效應(yīng)和隨機(jī)效應(yīng)所導(dǎo)致的測量結(jié)果不確定度[4]。通過計(jì)算各個(gè)分量對(duì)測量結(jié)果的影響，得出以下結(jié)論：

（1）由儀器校準(zhǔn)引入的不確定度對(duì)測量結(jié)果形成主要影響，而儀器校準(zhǔn)形成的不確定度來源于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度，因此，使用高頻紅外碳硫分析儀進(jìn)行測試活動(dòng)時(shí)，應(yīng)該選用帶有證書的國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，且標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與被測樣品成分越接近越好。

（2）測量重復(fù)性對(duì)不確定度的影響較小，但是當(dāng)樣品中碳、硫元素含量越低時(shí)，測量重復(fù)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(duì)測量結(jié)果的影響較小，對(duì)于非超低碳硫含量的樣品，其影響基本可以忽略[5]。