高频感应炉燃烧红外吸收法测定优质碳素结构钢碳含量的不确定度评定

胡宇鹏， 周思琪， 刘 凯

（中机生产力促进中心 北京100044）

0 引言

红外吸收法是测量钢铁材料中碳元素的主要方法之一，碳是钢铁材料中的重要组成元素，影响钢的强度和硬度。 准确测量碳元素的含量，并给出一个高包含概率，低分散性的参数，才满足越来越严格的质量要求。本篇参考JJF 1059-2012 测量不确定度评定及表示，根据分析实际确定几个主要不确定度分量， 对相关试验分析有一定的参考意义。

1 试验方法和数学模型

将称量好的屑状样品置于石墨坩埚中， 送入高温炉中，在氧气流中将碳转化成一氧化碳和二氧化碳，利用氧气流中一氧化碳和二氧化碳的红外吸收谱进行测量。

气体分析碳元素的数学模型通式（分析结果计算式）可表示为：

式中：A、m—样品的吸光度或峰高或峰面积 （仪器以测量值表示，下同）和称样量；CB、mB、AB—标准物质的碳含量、称样量和吸光度。

2 试验仪器的参数

试验仪器为钢研纳克CS3000 型红外碳硫分析仪（UC=0.012%），氮气压力为3MPa，氧气压力为2MPa，分析流量保持在3L/min，分析过程中，采样时间取30s，冲洗时间取12s， 加热时间取20s。 称量样品使用赛多利斯BS124S 型分析天平，检定允许差±0.1mg。

3 试验方法

用高频燃烧红外吸收法[2]测定45#钢中碳含量，以机字79-09B 45#钢标准物质校准红外碳硫分析仪 （校准测量进行一次）， 样品测量结果分别为0.468%、0.459%、0.461%、0.457%、0.466%，标准物质和样品称量0.3g。

4 不确定度来源的识别

红外吸收气体分析测量不确定度主要来源于以下分量：①测量结果的重复性；②天平称量的不确定度；③标准物质标准值的不确定度；④仪器分辨力的不确定度分量；⑤标准物质校准仪器的变动性。

5 不确定度分量的评定

5.1 测量重复性不确定度分量的评定（A 类评定）[3]

表1 样品重复测量结果

5.2 天平称量的不确定度

5.3 标准物质标准值的不确定度

5.4 仪器显示分辨力的不确定度

测量时仪器显示最小单位为0.0001 （分辨力δx）[1]，其标准不确定度u（x）=0.0001×0.29=0.000029，仪器读书的相对标准不确定度urel（δx）=0.000029/0.4622=0.00006274。

5.5 标准物质校准仪器的变动性

碳素结构钢C 工作曲线测量数据如表2 所示。

表2 碳素结构钢C 工作曲线测量数据

根据测量数据，C 元素的工作曲线的回归方程式拟合为y=23.101c+0.3028，a=0.3028，b=23.101， 曲线相关系数为R2=0.9995，见图1。 图中：Y—仪器的测量信号（峰面积）；a—工作曲线截距；b—工作曲线斜率；c—测量样品中气体元素的含量。

图1 C 工作曲线

则由工作曲线变动性引起样品气体元素的含量的标准不确定度分量u（c）为：

由以上数据计算得sR=0.038757257，u（c）=0.000919383，urel=（c）0.0019891456

6 合成相对标准不确定度

6.1 各不确定度分量不相关[5]

6.2 合成标准不确定度的评定

7 扩展不确定度评定及测量结果表示

取95%置信水平，包含因子k=2，计算扩展不确定度U=2×uc（ωc）=0.00635%，取一位有效数字，U=0.006%。则样品碳含量的完整结果可表示为ωc=（0.462±0.006）%，k=2。

8 结束语

本篇从五个主要方面评定优质碳素结构钢中碳含量的不确定度， 发现最大影响分量是标准物质标准值的不确定度。标准物质定值的不确定度通过测量传递给样品测量结果。 根据评定结果，样品的不确定度和标准物质定值的不确定度在同一水平，因此可以说明满足日常检测分析的需求。各个分量影响的大小可以指导我们提高分析结果准确性。 通过多次测量减小A 类评定不确定度，选择含量组成与样品大致相同的标样校准仪器稳定性， 用于绘制工作曲线的标样分析结果要尽量平行， 且必须符合标准要求的允许差，才能得到线性化良好的工作曲线。