玉米水分含量测定中不确定度的分析与评定

　　摘要：采用GB 5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》方法中首法暨仲裁法测定水分含量，对测定玉米水分结果的不确定度进行评定，分析计算测量结果不确定度分量。分析了测定玉米水分含量测量不确定度的来源，并对测量不确定度的影响因素进行分析。结果表明，当满足在本次实验条件中所测定水分含量为13.7%时，扩展不确定度为0.4%(k=2)。

　　关键词：玉米;水分;不确定度;评定

　　推荐阅读：《植物生理学报》(曾用刊名：植物生理学通讯)，1951年创刊，是我国基础性学科的重要学术期刊。

　　玉米干燥不及时、储运不得当、水分检测手段不完善等原因，都会造成总质量的巨大损失。因而检验检测机构对粮食中水分检测结果不确定度的评定要求也在逐渐提高。现根据GB 5009.3 -2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》第一法，对在作者日常工作中随机选取的一份地产玉米样品的水分检测结果进行了不确定度的分析与评定研究。

　　1 材料和方法

　　1.1 实验样品

　　2018年地产玉米样品1份。

　　1.2 实验设备

　　JYFZ -Ⅱ型分样器;JJSD型电动筛选器;JFSD-100型粉碎机;电子天平(万分之一);天平砝码(F2等级);GW - 06A型电热恒温干燥箱等。

　　1.3 实验方法

　　样品先经分样、除杂、筛选等步骤后进行水分测定。

　　1.1.1 定温

　　使烘箱中温度计的水银球距离烘网2.5 cm左右，调节烘箱温度稳定在(103±2)℃。

　　1.1.2 烘干铝盒

　　取洁净的铝盒，置于干燥箱中，瓶盖斜支于瓶边，加热1.0 h，取出盖好，置于干燥器内冷却0.5 h，称量，并重复干燥至前后两次质量差不超过2 mg，即为恒重。

　　1.1.3 称取试样

　　称取约3 g试样(精确至0.0001 g)，放入此称量瓶中(已烘至恒质)，加盖，精密称量后，置于干燥箱中，瓶盖斜支于瓶边，干燥2～4 h后，盖好取出，放入干燥器内冷却0.5 h后称量。然后再放入干燥箱中干燥1 h左右，取出，放入干燥器内冷却0.5 h后再称量。并重复以上操作至前后两次质量差不超过2 mg，即为恒重。

　　1.1.4 结果计算

　　玉米样品含水量按以下公式计算，

　　X=m1-m2m1-m0×100

　　式中：

　　X——试样中水分含量(质量分数)，%;

　　m0——铝盒质量，g;

　　m1——烘前试样和铝盒质量，g;

　　m2——烘后试样和铝盒质量，g;

　　100——单位换算系数。

　　水分含量≥1 g/100 g时，计算结果保留三位有效数字;水分含量<1 g/100 g时，计算结果保留两位有效数字。

　　在重复性条件下获得的两次独立测定结果的绝对差值不得超过算术平均值的10% 。

　　据此平行测量四次，最终结果如表1所示：

　　2 不确定度的主要来源与评定分析

　　2.1 不确定度评定程序

　　按照JJF1059-1999 《测量不确定评定与表示》进行不确定度评定。具体流程图如下：

　　规定被测量→识别不确定度来源，建立数学模型→各分量标准不确定度评定→对各分量分别进行A类、B类评定→合成标准不确定度→扩展不确定度和结果报告[1]。

　　2.2 不确定度来源分析

　　本实验不确定度的来源涉及到测量的人员、环境、方法及器具等。测量过程中的随机效应(主要包括人员操作、样品的均匀程度、称量波动性等)均体现在测量的重复性上;天平和砝码校准的不确定度可由检定证书或者使用说明书中查到[2]。

　　2.3 不确定度公式

　　s=∑ni=1(xi-x)2n-1公式(1) ，用于计算标准偏差;

　　UA=Sn公式(2) ，用于计算A类不确定度;

　　U= ∑ni=1δfδx12×u2(x1)公式(3) ，用于计算B类不确定度;

　　U= U2A+U2B公式(4) ，用于计算合成不确定度。

　　2.4 A类不确定度的评定

　　A類不确定度采用观测数据结果进行统计分析，重复性就是指天平重复测量时所显现的性能，重复性即标准偏差。由公式(1)和公式(2)计算可得表2。

　　因此可计算出多次重复测量玉米水分含量的相对标准不确定度为：

　　UA=UX=0.015113.7044=1.102×10-3

　　2.5 B类不确定度的评定

　　由水分公式具体分析可知，涉及称量有三次，即不确定度来源于m0、m1、m2三个分量。而这三个不确定度的分量由天平的校准(又具体分为线性UB1和分辨力UB2)、称量恒重UB3两者间的相互关系构成。

　　2.5.1 来源于m0的不确定度

　　来源于空铝盒m0的不确定度包括两个方面，即来自天平校准的不确定度和来自称量恒重的不确定度。

　　2.5.1.1 天平校准方面

　　2.5.1.1.1 砝码标准不确定度UB1的评定

　　E2等级100 g标准砝码的标准不确定度UB1的评定：因为根据JJG98-2006《砝码》计量检定规程中规定标准砝码的扩展不确定度应不大于相应准确度等级的最大允许误差绝对值的3(符合矩形分布)，包含因子k =2。查找证书本试验所用100g E2标准砝码在置信概率95%的扩展不确定度为g。所以，E2等级100 g标准砝码的标准不确定度为：

　　UB1(m0)=1.6×10-43=0.924×10-4g(k=2)

　　2.5.1.1.2 电子天平标准不确定度UB2的评定

　　天平分辨力的不确定度。天平分辨力是指称量过程中的最小可检出的单位。由于是万分之一电子天平，分辨力是1×10-4 g，按矩形分布得：

　　UB2-1(m0)=1×10-4g3=0.577×10-4g(k=2)

　　天平线性的不确定度。天平的线性是指所称量的样品实际质量与天平读数的最大差值。由校准证书可知天平称量最大允许误差为3×10-4 g，按矩形分布得：

　　UB2-2(m0)=3×10-4g3=1.732×10-4g(k=2)

　　综合可得：

　　UB2(m0)=UB2-1(m0)2+UB2-2(m0)2=1.826×10-4g(k=2)

　　2.5.1.2 称量恒重方面

　　实验中铝盒在103℃±2℃干燥2～4 h 后，放入干燥器内冷却0.5 h后称量。然后再放入干燥箱中干燥1 h左右取出，放入干燥器内冷却0.5 h后再称量。并重复以上操作至前后两次质量差不超过2 mg ，即为恒重。称量质量的最大允许差值为±2×10-3 g，按矩形分布计算，其标准不确定度为：

　　UB3(m0)=2×10-3g3=1.155×10-3g(k=2)

　　由公式(3)可得：

　　UB(m0)=U2B1(m0)+U2B2(m0)+U2B3(m0)=1.173×10-3g(k=2)

　　2.5.2 来源于m1的不确定度

　　来源于烘前试样和铝盒m1的不确定度仅包括来自电子天平的标准不确定度，因此可得：UB1(m1)=0.577×10-4g，UB2(m1)=1.732×10-4g，再由公式(3)计算可得 UB(m1)=1.826×10-4g(k=2)。

　　2.5.3 来源于m2的不确定度

　　来源于烘后试样和铝盒m2的不确定度包括两个方面，即来自电子天平的标准不确定度和来自称量恒重的不确定度。

　　计算方法与来源于m0的不确定度计算相同，可得UB(m2)=1.173×10-3g(k=2)。

　　2.5.4 合成B类不确定度

　　根据上述的数据结果，由公式(3)可合成B类不确定度，可得

　　UB=U2B(m0)+U2B(m1)+U2B(m2)=1.669×10-3g(k=2)

　　2.6 合成标准不确定度

　　根据A类不确定度和B类不确定度的计算结果，由公式(4)合成标准不确定度，可得合成标准不确定度U=1.999×10-3=0.2%。

　　3 水分测量的扩展不确定度

　　由于所测结果服从于正态分布，kP可采用t分布临界值。一般采用置信区间p=95% ，故选择置信因子k95=2。通過合成标准不确定度乘以此包含因子，即得到扩展不确定度UP=kP×U=2×0.2%=0.4%，采用平均值作为结果值。则该玉米样品最终测量结果在出具报告时可表示为：(13.7±0.4)%(k=2)。

　　4 结论

　　由试验的分析数据可知，此次试验测定玉米水分含量的扩展不确定度为0.4%。重复测量玉米水分含量产生的不确定度和天平称量产生的不确定度，都是影响玉米水分含量测量不确定度的重要影响因素，另外天平的校准暨由线性和分辨力所产生的不确定度与前两者的数值相差一个当量，对最终测量结果影响不大。

　　参考文献：

　　[1] 邱英，彭延龄.测量不确定度评定与表示[J].机械工程师，2007(4)：60-62.

　　[2] 全国计量科学研究院.JJF1059-1999测量不确定度评定与表示[S].北京：中国计量出，2004.