研發自動稱樣裝置在化探樣品分析測試中的必要性及作用

邵長偉

(山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013)

目前，實驗室分析測試流程一般為樣品制備→樣品稱取→樣品預處理→分析測試→數據處理匯總審核→檢測報告發出。樣品制備自動化程度較低，使用自動稱樣裝置進行稱樣分析測試尚未見報道。近幾年，為實現產業結構升級，提高工業自動化程度，我國大力扶持工業機器人行業，將智能制造作為產業調整變革及未來發展方向。2014年5月，我國發布《中國制造2025》，2016年3月，發布《機器人產業發展規劃(2016—2020)》[1-2]，鼓勵扶持相關智能制造產業。實現樣品稱取的自動化，并逐步實現產業化，是行業長期健康發展的內在要求，更是未來行業的發展趨勢[3-6]。

1 實驗室樣品稱取現狀及存在問題

1.1 實驗室樣品稱取現狀

準確定量稱取樣品是保證分析測試數據準確的首要步驟和前提。目前稱取樣品的基本設備是電子天平，種類繁多、質量可靠、性能穩定，功能較多，能滿足目前實驗室對化探樣品重量稱取的要求。實驗室的分析測試流程自動化程度較高，已做到無人值守，但樣品稱取卻完全人工手動操作，增加了實驗室成本，降低了工作效率。

1.2 人工手動稱取樣品存在的問題

(1)樣品交叉污染。一件樣品要分析測試多個元素或項目，因限于當前的技術水平和工藝，不能通過一次稱樣，使用一種分析測試方法完成任務，只能采用配套的多種分析方法才能全部完成該件樣品的分析測試，致使該件樣品重復稱取多次，造成稱量勺、稱樣皿和樣品間潛在的相互交叉污染。

(2)準確度難以及時驗證。衡量稱取樣品時，樣品稱取的準確度難以在實際工作中逐一驗證，可能存在的誤差難以記錄；非衡量稱取樣品時，數據只能手工逐一記錄，存在轉錄錯誤的可能性，不能自動即時存儲。

(3)出錯率高。因是人工操作，不時出現樣品和盛樣器皿不對應，造成稱重樣品、跳號順延等失誤，致使返工，浪費了分析正樣和時間。

(4)勞動力成本高。一個地質實驗室分析測試批量化探樣品，若多種分析方法同時開展正常運轉，僅在樣品稱取環節，就須每天安排4～16人連續稱樣，致使勞動力成本很高。

(5)勞動強度大，人員易疲勞，勞動組織管理難度大，難以連續生產，生產效率低。

2 研發自動稱樣裝置的必要性

鑒于目前實驗室人工手動稱取樣品的現狀及存在的問題，研發一種自動稱樣裝置替代人工，改變行業內稱取樣品一直依賴人工手動操作的現狀，徹底解決在樣品稱取中存在的樣品交叉污染、數據準確度難以驗證和即時自動保存、易出錯失誤、勞動力成本高、勞動強度大、生產效率低等問題，從而解決分析測試全流程自動化中重要而又薄弱的一環，提升整個行業科技水平，促進勞動技術進步，提高經濟效益，逐漸改變實驗室現存的勞動組織模式，提升整個行業在勞動組織管理方面的層次，就顯得尤為必要。研制特制出樣器自動出樣，不使用稱量勺和稱樣皿，所稱樣品重量能任意設定，自動控制，精度能達到相關規范要求[7-14]；進入自動稱樣裝置儲樣罐的樣品重量可滿足4～16種分析測試方法的一次分析測試取樣重量要求，做到循環稱樣；稱取的樣品重量數據能即時在線保存，便于拷貝傳輸；配置1～2臺機器人，24小時連續工作，無人值守，工作效率不低于熟練技術人員人工稱樣速度；盛樣器皿適用性強，能滿足化探樣品采用多種分析測試方法的需要。

3 自動稱樣裝置的預期效果

3.1 在技術方法和質量管理及工藝方面

(1)解決了樣品相互潛在污染問題。研發的自動稱樣裝置可以通過特制出樣器，使樣品直接被送入盛樣容器(如燒杯、比色管、瓷坩堝、聚四氟乙烯坩堝等)后再稱重，摒棄了傳統手工操作使用的稱量勺和稱樣皿，減少了中間環節，從根本上解決了一樣多稱造成的潛在樣品間相互污染問題，即稱量勺和稱樣皿中潛存的殘留樣品對下一個樣品的污染。

(2)解決了樣品稱取準確度的問題。在實際工作中因大多采用恒量稱重方式，人工稱樣可能存在的細微誤差不能被逐一記錄和統計，最終使誤差積累，致使檢測數據有可能達不到相關規范對準確度和精密度要求的規定[15-16]；而自動稱樣裝置采集的樣品重量數據能即時在線保存，稱重誤差為零，通過數據處理系統自動處理數據，檢測數據更準確。

(3)因配置了機器人，通過計算機控制，順序自動移取分析正樣和盛樣器皿，徹底避免了人工稱樣經常出現的稱重樣品、跳號順延等失誤，避免了返工，提高了功效，確保了分析正樣不被浪費。

(4)自動稱重及配料系統，在化工、食品、橡膠、水泥等行業早已應用，因所進物料單一、進料方式易實現、進料重量大及稱重精度要求不高等原因，使得自動稱重在工業層面的技術及工藝易實現且已成熟。在實驗室系統，因所稱樣品重量為微量級，稱重精度要求高，樣品粒度細，進料方式難以自動實現等原因，導致自動稱重研究進展較慢。瑞士的梅特勒-托利多公司已研制出一款QUANTOS定量加樣系統，在實驗室內實現了微量固體粉末樣品的自動化定量加樣，最小稱樣量可達1mg。該系統目前只能實現單一樣品的多次循環自動稱重，不能滿足地質實驗室巨量不同的化探樣品多次自動稱重的要求。但是，從QUANTOS定量加樣系統來看，單從技術及工藝層面來說，研發適用于化探樣品分析測試的微量樣品自動稱樣裝置已具有可操作性。

3.2 在勞動力成本管理方面

地質實驗室日分析樣品數量多，每天可處理化探樣品500～2000件；分析元素及配套的分析方法也多。如按1∶5萬地球化學普查規范要求，分析測試常規Au，Ag，Cu，Pb，Zn，As，Sb，Bi共8種元素，也需要配套4種分析方法(表1)[17-18]。

表1 1∶5萬地球化學普查常規8種元素及配套分析方法

如1∶20萬區域地球化學調查樣品分析測試39種元素(或項目)，須配套10種分析方法；1∶25萬多目標地球化學填圖樣品分析測試54種元素(或項目)，須配套14種分析方法(表2)，地球化學填圖樣品分析測試76種元素(或項目)，須配套16種分析方法[19]，意味著每件樣品須分別稱取4次、10次、14次、16次。

表2 1∶25萬多目標地球化學填圖54種元素及配套分析方法

假如某地質實驗室每天完成500件1∶25萬多目標地球化學填圖樣品分析測試，每天就需天平稱量7000次。目前熟練技術人員每小時稱100件樣品，按每人每天實際工作7h計算，完成上述稱樣工作量就需10人連續不停地稱取一個工作日，即需要耗費10個工時。可見，因樣品一樣多稱，僅在樣品稱取環節，在實驗室就形成了巨額的工作量。一臺自動稱樣裝置可以連續24h工作，最少可替代3名技術人員，該實驗室只需配置3臺自動稱樣裝置，就可完成10人的工作量，節省的勞動力成本可粗略估算如下：國土系統的地質實驗室勞動力成本各省各地區不盡相同，山東省每人每年10萬元(僅按職工工資總額、職工福利基金、職工保險金和公積金四項基本內容為計算依據)計算，自動稱樣裝置按40萬元/臺購置，該實驗室一年僅在人工稱樣方面的勞動力開支就為100萬元，購置3臺自動稱樣裝置耗費120萬元，兩筆開支相比較，可以看出，該實驗室僅需一年多的時間就可回收成本。自動稱樣裝置的使用壽命按工業機器人平均使用壽命10年計算，10年之內可以節省人工成本800多萬元，該實驗室平均每年可節省勞動力成本80余萬元。全國潛在購置使用自動稱樣裝置的實驗室按400家計，一年就可節省約3億元勞動力成本開支，研發并配置使用自動稱樣裝置效益明顯，是通過“機器換人”凸顯“機器人紅利”的重要體現[20]。

3.3 在預期產值和預期回報方面

截至2017年1月底，據中國合格評定國家認可委員會官方網站認可信息統計，我國獲得實驗室認可的實驗室數量達7989多家，占世界實驗室認可實驗室的約1/8，認可實驗室數量已居世界首位。從檢驗檢測機構資質認定看，截至2016年8月，僅山東省獲得實驗室有效資質認定證書的實驗室數量就達2260家。全國按31個省(市、區)推算，全國獲得有效資質認定證書的實驗室約為5～7萬家。當前國內每個分析測試實驗室配備的天平一般為幾臺至數十臺，以此估算，須更新置換成自動稱樣裝置的天平基數巨大。該自動稱樣裝置尤其適合樣品為固體干燥粉末狀，日稱樣次數多，一樣多稱的實驗室，在地礦、冶金、核工業、煤田、海洋、農業、環保、建材等行業和系統應用廣泛。以山東省為例，以上行業涉及的中心實驗室或主要有影響力的實驗室就不少于15家(不考慮大學、科研院所、商檢、食品、生物、醫藥、水務、廠礦企業、第三方檢測等行業和系統的實驗室)。全國按31個省(市、區)推算，全國潛在購置使用自動稱樣裝置的實驗室就有400多家，市場定價若按40萬元/臺計算，潛在銷售產值近2億元，研發自動稱樣裝置將會獲得良好的預期產值和預期回報。

3.4 在社會效益方面

(1)勞動強度大的問題得以徹底解決。傳統的人工手動稱樣，因人員長時間保持固定姿勢操作，勞動強度大，易疲勞。自動稱樣裝置無人值守，可 24h工作，大大提高效率，經初步估算，可提高工效3～5倍。

(2)逐漸改變地質實驗室勞動組織模式，終結地質實驗室在應對大批量化探樣品分析測試時依靠“人海戰術”稱樣的歷史。

(3)徹底解決樣品粉塵，特別是某些特殊樣品如毒害、異味對人體的傷害，符合當今世界“綠色、健康、環保”發展的理念。

(4)提升整個行業科技發展水平，為徹底實現分析測試全流程自動化、集約化和智慧化而解決完成了其中重要的一環。

4 結語

研發自動稱樣裝置替代人工應用于化探樣品分析測試，可避免樣品間相互污染，確保稱樣準確度，降低用工成本，具有明顯的經濟效益和社會效益，對改進勞動組織模式，促進行業科技進步具有重要作用。實現自動稱樣裝置與樣品制備、樣品預處理和儀器在線分析測試的智能自動化銜接，實現分析測試全流程自動化，是業內共同的努力目標和今后的發展方向。

[1] 國務院．國務院關于印發《中國制造2025》的通知國發〔2015〕28號[EB/OL]．2015-05-19．http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.html

[2] 中華人民共和國工業和信息化部，國家發展和改革委員會，財政部．機器人產業發展規劃(2016—2020)[EB/OL]．[2016-03-21]．http://www.ndrc.gov.cn/fzgggz/fzgh/ghwb/gjjgh/201706/t20170621_851921.html.

[3] 馬光，申桂英．工業機器人的現狀與發展趨勢[J]．組合機床與自動化加工技術，2002(3)：48-51.

[4] 李瑞峰．中國工業機器人產業化發展戰略[J]．航空制造技術，2010(9)：32-37．

[5] 孫志杰，王善軍，張雪鑫．工業機器人發展現狀與趨勢[J]．吉林工程技術師范學院學報，2011(7)：61-62．

[6] 王田苗．走向產業化的先進機器人技術[J]．中國制造業信息化，2005(10)：24-25．

[7] 宋孝炳．粉粒體計量系統的自動稱量裝置研究[D]．合肥：合肥工業大學，2013.

[8] 胡瑞云，周良德，林碧．粉末顆粒物料高速高精度自動稱料系統的研究[J]．包裝與食品機械，2012(40)：29-32．

[9] 汪杰，王建國，張乃洪，等．動態定量自動稱重機[J]．自動化儀表，1992(2)：19-24．

[10] 賈麗娜，張輝，陳文慶．顆粒狀物料自動稱量機研究[J]．機電工程，2012(1)：46-48．

[11] 安世奇．面粉自動稱量控制[J].控制工程，2007(4)：350-352,394．

[12] 肖絢，邵世煌，胡鴻豪．一種新的定量動態稱重方法[J].自動化儀表，2004(11)：28-30,42．

[13] 馬益民．一種自動定量稱重控制儀的研制[D]．廈門：廈門大學，2006.

[14] 周航宇,熊勇.便攜式水域測量系統的研制和應用[J].山東國土資源,2013,29(8):21-24.

[15] 鞏寶珍.1∶25萬多目標區域地球化學調查樣品的分析測試質量監控方法[J].山東國土資源,2006,22(6):109-112.

[16] DZ/T0130-2006.地質礦產實驗室測試質量管理規范[S]．

[17] DZ/T 0011-2015.地球化學普查規范(1∶50000)[S]．

[18] 洪飛,劉耀華,張英明，等.氯化鈉-硝酸溶礦——化學光譜法測定化探樣品中的痕量金[J].山東地質,2002,18(1):41-44.

[19] 葉家瑜，江寶林．區域地球化學勘查樣品分析方法[M]．北京：地質出版社，2001．

[20] 黃曉云．從人口紅利向“機器人紅利”轉變[N]．中國勞動保障報，2015-11-02．