玉米水分含量測(cè)定中不確定度的分析與評(píng)定

　　摘要：采用GB 5009.3-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測(cè)定》方法中首法暨仲裁法測(cè)定水分含量，對(duì)測(cè)定玉米水分結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)定，分析計(jì)算測(cè)量結(jié)果不確定度分量。分析了測(cè)定玉米水分含量測(cè)量不確定度的來(lái)源，并對(duì)測(cè)量不確定度的影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，當(dāng)滿足在本次實(shí)驗(yàn)條件中所測(cè)定水分含量為13.7%時(shí)，擴(kuò)展不確定度為0.4%(k=2)。

　　關(guān)鍵詞：玉米;水分;不確定度;評(píng)定

　　推薦閱讀：《植物生理學(xué)報(bào)》(曾用刊名：植物生理學(xué)通訊)，1951年創(chuàng)刊，是我國(guó)基礎(chǔ)性學(xué)科的重要學(xué)術(shù)期刊。

　　玉米干燥不及時(shí)、儲(chǔ)運(yùn)不得當(dāng)、水分檢測(cè)手段不完善等原因，都會(huì)造成總質(zhì)量的巨大損失。因而檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)糧食中水分檢測(cè)結(jié)果不確定度的評(píng)定要求也在逐漸提高。現(xiàn)根據(jù)GB 5009.3 -2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》第一法，對(duì)在作者日常工作中隨機(jī)選取的一份地產(chǎn)玉米樣品的水分檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了不確定度的分析與評(píng)定研究。

　　1 材料和方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

　　2018年地產(chǎn)玉米樣品1份。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

　　JYFZ -Ⅱ型分樣器;JJSD型電動(dòng)篩選器;JFSD-100型粉碎機(jī);電子天平(萬(wàn)分之一);天平砝碼(F2等級(jí));GW - 06A型電熱恒溫干燥箱等。

　　1.3 實(shí)驗(yàn)方法

　　樣品先經(jīng)分樣、除雜、篩選等步驟后進(jìn)行水分測(cè)定。

　　1.1.1 定溫

　　使烘箱中溫度計(jì)的水銀球距離烘網(wǎng)2.5 cm左右，調(diào)節(jié)烘箱溫度穩(wěn)定在(103±2)℃。

　　1.1.2 烘干鋁盒

　　取潔凈的鋁盒，置于干燥箱中，瓶蓋斜支于瓶邊，加熱1.0 h，取出蓋好，置于干燥器內(nèi)冷卻0.5 h，稱(chēng)量，并重復(fù)干燥至前后兩次質(zhì)量差不超過(guò)2 mg，即為恒重。

　　1.1.3 稱(chēng)取試樣

　　稱(chēng)取約3 g試樣(精確至0.0001 g)，放入此稱(chēng)量瓶中(已烘至恒質(zhì))，加蓋，精密稱(chēng)量后，置于干燥箱中，瓶蓋斜支于瓶邊，干燥2～4 h后，蓋好取出，放入干燥器內(nèi)冷卻0.5 h后稱(chēng)量。然后再放入干燥箱中干燥1 h左右，取出，放入干燥器內(nèi)冷卻0.5 h后再稱(chēng)量。并重復(fù)以上操作至前后兩次質(zhì)量差不超過(guò)2 mg，即為恒重。

　　1.1.4 結(jié)果計(jì)算

　　玉米樣品含水量按以下公式計(jì)算，

　　X=m1-m2m1-m0×100

　　式中：

　　X——試樣中水分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，%;

　　m0——鋁盒質(zhì)量，g;

　　m1——烘前試樣和鋁盒質(zhì)量，g;

　　m2——烘后試樣和鋁盒質(zhì)量，g;

　　100——單位換算系數(shù)。

　　水分含量≥1 g/100 g時(shí)，計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字;水分含量<1 g/100 g時(shí)，計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字。

　　在重復(fù)性條件下獲得的兩次獨(dú)立測(cè)定結(jié)果的絕對(duì)差值不得超過(guò)算術(shù)平均值的10% 。

　　據(jù)此平行測(cè)量四次，最終結(jié)果如表1所示：

　　2 不確定度的主要來(lái)源與評(píng)定分析

　　2.1 不確定度評(píng)定程序

　　按照J(rèn)JF1059-1999 《測(cè)量不確定評(píng)定與表示》進(jìn)行不確定度評(píng)定。具體流程圖如下：

　　規(guī)定被測(cè)量→識(shí)別不確定度來(lái)源，建立數(shù)學(xué)模型→各分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定→對(duì)各分量分別進(jìn)行A類(lèi)、B類(lèi)評(píng)定→合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度→擴(kuò)展不確定度和結(jié)果報(bào)告[1]。

　　2.2 不確定度來(lái)源分析

　　本實(shí)驗(yàn)不確定度的來(lái)源涉及到測(cè)量的人員、環(huán)境、方法及器具等。測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)效應(yīng)(主要包括人員操作、樣品的均勻程度、稱(chēng)量波動(dòng)性等)均體現(xiàn)在測(cè)量的重復(fù)性上;天平和砝碼校準(zhǔn)的不確定度可由檢定證書(shū)或者使用說(shuō)明書(shū)中查到[2]。

　　2.3 不確定度公式

　　s=∑ni=1(xi-x)2n-1公式(1) ，用于計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差;

　　UA=Sn公式(2) ，用于計(jì)算A類(lèi)不確定度;

　　U= ∑ni=1δfδx12×u2(x1)公式(3) ，用于計(jì)算B類(lèi)不確定度;

　　U= U2A+U2B公式(4) ，用于計(jì)算合成不確定度。

　　2.4 A類(lèi)不確定度的評(píng)定

　　A類(lèi)不確定度采用觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，重復(fù)性就是指天平重復(fù)測(cè)量時(shí)所顯現(xiàn)的性能，重復(fù)性即標(biāo)準(zhǔn)偏差。由公式(1)和公式(2)計(jì)算可得表2。

　　因此可計(jì)算出多次重復(fù)測(cè)量玉米水分含量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

　　UA=UX=0.015113.7044=1.102×10-3

　　2.5 B類(lèi)不確定度的評(píng)定

　　由水分公式具體分析可知，涉及稱(chēng)量有三次，即不確定度來(lái)源于m0、m1、m2三個(gè)分量。而這三個(gè)不確定度的分量由天平的校準(zhǔn)(又具體分為線性UB1和分辨力UB2)、稱(chēng)量恒重UB3兩者間的相互關(guān)系構(gòu)成。

　　2.5.1 來(lái)源于m0的不確定度

　　來(lái)源于空鋁盒m0的不確定度包括兩個(gè)方面，即來(lái)自天平校準(zhǔn)的不確定度和來(lái)自稱(chēng)量恒重的不確定度。

　　2.5.1.1 天平校準(zhǔn)方面

　　2.5.1.1.1 砝碼標(biāo)準(zhǔn)不確定度UB1的評(píng)定

　　E2等級(jí)100 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼的標(biāo)準(zhǔn)不確定度UB1的評(píng)定：因?yàn)楦鶕?jù)JJG98-2006《砝碼》計(jì)量檢定規(guī)程中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)砝碼的擴(kuò)展不確定度應(yīng)不大于相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)的最大允許誤差絕對(duì)值的3(符合矩形分布)，包含因子k =2。查找證書(shū)本試驗(yàn)所用100g E2標(biāo)準(zhǔn)砝碼在置信概率95%的擴(kuò)展不確定度為g。所以，E2等級(jí)100 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

　　UB1(m0)=1.6×10-43=0.924×10-4g(k=2)

　　2.5.1.1.2 電子天平標(biāo)準(zhǔn)不確定度UB2的評(píng)定

　　天平分辨力的不確定度。天平分辨力是指稱(chēng)量過(guò)程中的最小可檢出的單位。由于是萬(wàn)分之一電子天平，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)

　　天平線性的不確定度。天平的線性是指所稱(chēng)量的樣品實(shí)際質(zhì)量與天平讀數(shù)的最大差值。由校準(zhǔn)證書(shū)可知天平稱(chēng)量最大允許誤差為3×10-4 g，按矩形分布得：

　　UB2-2(m0)=3×10-4g3=1.732×10-4g(k=2)

　　綜合可得：

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

　　2.5.1.2 稱(chēng)量恒重方面

　　實(shí)驗(yàn)中鋁盒在103℃±2℃干燥2～4 h 后，放入干燥器內(nèi)冷卻0.5 h后稱(chēng)量。然后再放入干燥箱中干燥1 h左右取出，放入干燥器內(nèi)冷卻0.5 h后再稱(chēng)量。并重復(fù)以上操作至前后兩次質(zhì)量差不超過(guò)2 mg ，即為恒重。稱(chēng)量質(zhì)量的最大允許差值為±2×10-3 g，按矩形分布計(jì)算，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

　　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 來(lái)源于m1的不確定度

　　來(lái)源于烘前試樣和鋁盒m1的不確定度僅包括來(lái)自電子天平的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，因此可得：UB1(m1)=0.577×10-4g，UB2(m1)=1.732×10-4g，再由公式(3)計(jì)算可得 UB(m1)=1.826×10-4g(k=2)。

　　2.5.3 來(lái)源于m2的不確定度

　　來(lái)源于烘后試樣和鋁盒m2的不確定度包括兩個(gè)方面，即來(lái)自電子天平的標(biāo)準(zhǔn)不確定度和來(lái)自稱(chēng)量恒重的不確定度。

　　計(jì)算方法與來(lái)源于m0的不確定度計(jì)算相同，可得UB(m2)=1.173×10-3g(k=2)。

　　2.5.4 合成B類(lèi)不確定度

　　根據(jù)上述的數(shù)據(jù)結(jié)果，由公式(3)可合成B類(lèi)不確定度，可得

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

　　2.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

　　根據(jù)A類(lèi)不確定度和B類(lèi)不確定度的計(jì)算結(jié)果，由公式(4)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，可得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度U=1.999×10-3=0.2%。

　　3 水分測(cè)量的擴(kuò)展不確定度

　　由于所測(cè)結(jié)果服從于正態(tài)分布，kP可采用t分布臨界值。一般采用置信區(qū)間p=95% ，故選擇置信因子k95=2。通過(guò)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以此包含因子，即得到擴(kuò)展不確定度UP=kP×U=2×0.2%=0.4%，采用平均值作為結(jié)果值。則該玉米樣品最終測(cè)量結(jié)果在出具報(bào)告時(shí)可表示為：(13.7±0.4)%(k=2)。

　　4 結(jié)論

　　由試驗(yàn)的分析數(shù)據(jù)可知，此次試驗(yàn)測(cè)定玉米水分含量的擴(kuò)展不確定度為0.4%。重復(fù)測(cè)量玉米水分含量產(chǎn)生的不確定度和天平稱(chēng)量產(chǎn)生的不確定度，都是影響玉米水分含量測(cè)量不確定度的重要影響因素，另外天平的校準(zhǔn)暨由線性和分辨力所產(chǎn)生的不確定度與前兩者的數(shù)值相差一個(gè)當(dāng)量，對(duì)最終測(cè)量結(jié)果影響不大。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 邱英，彭延齡.測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[J].機(jī)械工程師，2007(4)：60-62.

　　[2] 全國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院.JJF1059-1999測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京：中國(guó)計(jì)量出，2004.