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(shù)據(jù)處理匯總審核→檢測報告發(fā)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(xiàn)產業(yè)結構升級，提高工業(yè)自動化程度，我國大力扶持工業(yè)機器人行業(yè)，將智能制造作為產業(yè)調整變革及未來發(fā)展方向。2014年5月，我國發(fā)布《中國制造2025》，2016年3月，發(fā)布《機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020)》[1-2]，鼓勵扶持相關智能制造產業(yè)。實現(xiàn)樣品稱取的自動化，并逐步實現(xiàn)產業(yè)化，是行業(yè)長期健康發(fā)展的內在要求，更是未來行業(yè)的發(fā)展趨勢[3-6]。

1 實驗室樣品稱取現(xiàn)狀及存在問題

1.1 實驗室樣品稱取現(xiàn)狀

準確定量稱取樣品是保證分析測試數(shù)據(jù)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(wěn)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(huán)節(jié)，就須每天安排4～16人連續(xù)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(xù)生產，生產效率低。

2 研發(fā)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(xiàn)狀及存在的問題，研發(fā)一種自動稱樣裝置替代人工，改變行業(yè)內稱取樣品一直依賴人工手動操作的現(xiàn)狀，徹底解決在樣品稱取中存在的樣品交叉污染、數(shù)據(jù)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(huán)，提升整個行業(yè)科技水平，促進勞動技術進步，提高經(jīng)濟效益，逐漸改變實驗室現(xiàn)存的勞動組織模式，提升整個行業(yè)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(guī)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(huán)稱樣；稱取的樣品重量數(shù)據(jù)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(xù)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(fā)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(tǒng)手工操作使用的稱量勺和稱樣皿，減少了中間環(huán)節(jié)，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(tǒng)計，最終使誤差積累，致使檢測數(shù)據(jù)有可能達不到相關規(guī)范對準確度和精密度要求的規(guī)定[15-16]；而自動稱樣裝置采集的樣品重量數(shù)據(jù)能即時在線保存，稱重誤差為零，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動處理數(shù)據(jù)，檢測數(shù)據(jù)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(jīng)常出現(xiàn)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(tǒng)，在化工、食品、橡膠、水泥等行業(yè)早已應用，因所進物料單一、進料方式易實現(xiàn)、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(yè)層面的技術及工藝易實現(xiàn)且已成熟。在實驗室系統(tǒng)，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(xiàn)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(tǒng)，在實驗室內實現(xiàn)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(tǒng)目前只能實現(xiàn)單一樣品的多次循環(huán)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(tǒng)來看，單從技術及工藝層面來說，研發(fā)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(shù)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(guī)范要求，分析測試常規(guī)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(guī)8種元素及配套分析方法

如1∶20萬區(qū)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(xù)不停地稱取一個工作日，即需要耗費10個工時?？梢?，因樣品一樣多稱，僅在樣品稱取環(huán)節(jié)，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(xù)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(jié)省的勞動力成本可粗略估算如下：國土系統(tǒng)的地質實驗室勞動力成本各省各地區(qū)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(jù))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(yè)機器人平均使用壽命10年計算，10年之內可以節(jié)省人工成本800多萬元，該實驗室平均每年可節(jié)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(jié)省約3億元勞動力成本開支，研發(fā)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(xiàn)[20]。

3.3 在預期產值和預期回報方面

截至2017年1月底，據(jù)中國合格評定國家認可委員會官方網(wǎng)站認可信息統(tǒng)計，我國獲得實驗室認可的實驗室數(shù)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(shù)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(shù)量就達2260家。全國按31個省(市、區(qū))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(shù)十臺，以此估算，須更新置換成自動稱樣裝置的天平基數(shù)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(shù)多，一樣多稱的實驗室，在地礦、冶金、核工業(yè)、煤田、海洋、農業(yè)、環(huán)保、建材等行業(yè)和系統(tǒng)應用廣泛。以山東省為例，以上行業(yè)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(yī)藥、水務、廠礦企業(yè)、第三方檢測等行業(yè)和系統(tǒng)的實驗室)。全國按31個省(市、區(qū))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(fā)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(tǒng)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(jīng)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(zhàn)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(huán)保”發(fā)展的理念。

(4)提升整個行業(yè)科技發(fā)展水平，為徹底實現(xiàn)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(huán)。

4 結語

研發(fā)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(jīng)濟效益和社會效益，對改進勞動組織模式，促進行業(yè)科技進步具有重要作用。實現(xiàn)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(xiàn)分析測試全流程自動化，是業(yè)內共同的努力目標和今后的發(fā)展方向。

[1] 國務院．國務院關于印發(fā)《中國制造2025》的通知國發(fā)〔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(yè)和信息化部，國家發(fā)展和改革委員會，財政部．機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020)[EB/OL]．[2016-03-21]．http://www.ndrc.gov.cn/fzgggz/fzgh/ghwb/gjjgh/201706/t20170621_851921.html.

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