土壤有機質檢測自動化前處理平臺設計與試驗

黃 偉 宿 寧 王大朋 張俊卿 胡曉波 王儒敬

(1.中國科學院合肥物質科學研究院， 合肥 230031； 2.中國科學技術大學， 合肥 230026)

0 引言

有機質是土壤的重要組成部分，是土壤中各種營養元素特別是氮、磷等元素的重要來源，有機質含量水平是衡量土壤肥力的重要指標之一[1-2]。土壤有機質對改善土壤理化性質、促進作物營養元素吸收具有重要作用，農業農村部已將土壤有機質的測定列入測土配方施肥的必測指標之中[3]。目前，傳統檢測站主要以人工檢測為主，無法實現覆蓋式檢測，存在檢測效率低、精度不高等問題。近幾年，基于光譜的新型土壤自動測量裝置得到快速發展，可于現場原位檢測。然而，采用光譜法檢測需要精準的模型對土壤有機質含量進行推算，由于土壤樣品中成分過于復雜、干擾因素較多，故用光譜法難以得到可靠的數據[4-9]。在國家土壤養分檢測標準中，測土配方施肥仍然采用化學分析方法檢測土壤中有機質含量，以確保得到精確可靠的數據來指導施肥。

化學分析法是目前土壤有機質檢測的標準方法，土壤有機質化學分析分為樣本前處理和檢測兩部分。目前，土壤樣品前處理依賴于手工進行，其自動化程度較低、處理過程復雜、處理周期長、工作效率低下，同時，在前處理過程中用到的強酸、強堿等浸提劑容易對操作人員造成危害?；诨瘜W定量分析，化學分析法需要進行多步驟的化學反應，人工操作在各個環節存在隨機誤差，不同人員的試驗操作差異也會對前處理結果產生影響，故難以保證樣品處理過程的一致性，從而影響樣品的最終檢測結果。LC-GC期刊對1 000多個實驗室的調查結果顯示，在色譜分析過程中，實際儀器分析僅占處理時間的6%，而樣品前處理所用時間占比則高達61%，樣品前處理在整個分析過程中非常重要，不僅涉及工作效率，同時也關系到分析結果的可靠性。樣品前處理是影響分析數據精確度和準確度的主要因素之一。對于一個給定樣品，在整個分析過程中，其主要誤差來源于樣品處理及操作，這兩項約占整個誤差來源的49%[10]。土壤樣品前處理過程的可重復性和標準化對土壤有機質檢測具有重要意義，提高樣品前處理過程的一致性、減少前處理環節帶來的分析誤差已經成為急需解決的技術問題[11-17]。

本文提出土壤有機質檢測自動化前處理平臺的設計方法，該平臺以均一、定量的機器精確操作有效替代傳統的人工土壤檢測，構建一套全流程自動化土壤有機質檢測前處理平臺，包括搬運機械手、溫控消解裝置、無損轉移裝置、電氣控制系統等。

1 土壤有機質自動化前處理平臺設計

1.1 基本原理

土壤有機質前處理方法參照國內通用的外加熱重鉻酸鉀容量法，即在外加熱條件下(油浴溫度(175±5)℃，沸騰(5±0.5)min)，用一定濃度的K2Cr2O7-H2SO4溶液氧化土壤樣品中的有機碳，土樣中的有機碳被氧化劑K2Cr2O7氧化產生CO2。

有機碳氧化后剩余的K2Cr2O7用FeSO4標準溶液進行滴定，根據消耗的重鉻酸鉀量和氧化校正系數計算出有機碳量，再乘以經驗換算系數，可計算有機質含量[2-3]。

外加熱法人工操作時通常用油浴加熱來加速有機質氧化，但油浴加熱存在升溫速度慢、溫度波動性較大、試管外壁的油污不易清潔、有機物揮發導致空氣污染等問題，本文設計采用石墨消解代替油浴加熱。石墨消解效率高，安全環保，適合快速批量檢測，且試管外壁無液體殘留，便于進行自動化前處理平臺的裝置集成[18-21]。自動化前處理平臺采用機械手進行搬運，以自動化方式實現各裝置功能的傳遞，減少人工操作的隨機性誤差，設計溫控消解裝置自動判斷試管中溶液的沸騰時間點，精確控制加熱溫度及時間，提高加熱消解過程的一致性，采用無損轉移裝置，提高沖洗的效率及沖洗過程的一致性，以此來減少前處理過程中的人為誤差，提高前處理過程的可重復性和標準化程度。

1.2 整體框架設計

依據土壤養分檢測相關標準規定，結合自動化前處理的技術應用需求，對土壤有機質前處理過程進行分析，設計土壤前處理過程如圖1所示，將0.3 g土壤樣品加入外徑25 mm、長度200 mm的試管中，作為待處理試樣，土壤有機質前處理平臺需依次批量自動完成以下檢測步驟：

(1)向待處理試樣中加入濃度為0.4 mol/L的K2Cr2O7-H2SO4溶液10 mL。

(2)為各待處理試樣的試管加裝彎頸漏斗。

(3)將試管置于溫控消解裝置上進行加熱消解(溫度(175±5)℃，沸騰(5±0.5) min)。

(4)將消解完成的溶液無損轉移到滴定杯中，并將滴定杯搬運到滴定杯架上，作為處理后的待測溶液[22-26]。處理后的待測溶液可以直接送入儀器中進行有機質定量檢測。

基于上述設計框架，構建的有機質前處理平臺主要包括6個功能分區，如圖2所示。①試管架區，用于存放待處理土樣樣品、加浸提液及存放清洗后的試管。②漏斗架區，用于取放彎頸漏斗。③加熱消解區，用于土壤樣品的加熱消解處理。④無損轉移區，將消解完成的溶液無損轉移到滴定杯中。⑤滴定杯架區，用于盛放處理完成后的待測溶液。⑥搬運機械手，用于取放試管、漏斗、滴定杯等器皿到各個工位及向試管中加入試劑溶液。

土壤有機質前處理平臺機械結構圖如圖3所示。X、Y、Z三軸直線模組和電動夾爪共同組成搬運機械手。

1.3 搬運機械手設計

土壤自動化前處理是一個流式作業過程，搬運機械手負責各裝置處理后樣品的傳遞。本文采用的機械手由2個X軸、1個Y軸和1個Z軸直線模組構成龍門式結構，2個X軸模組之間通過同步軸連接，以保證2個X軸模組同步運行，直線模組采用同步帶傳動方式，運動速度快、噪聲小、輕巧耐用。驅動系統采用一體化總線驅動的設計方案，兼容標準Modbus-RTU及CANopen總線通信協議進行控制。機械手采用二指平動型電動夾爪，內部集成伺服系統，夾持力、行程可調節，支持柔性夾持，可夾持試管、漏斗等易碎物品。搬運機械手結構示意圖如圖4所示。

夾持機構采用左右對稱的2個夾塊，選用聚四氟乙烯(PTFE)材質實現耐高溫和耐酸堿腐蝕的需求，另外，夾塊采用多層次組合式設計，上層用于夾持試管、漏斗等小口徑器皿，中層用于夾持錐形瓶等中口徑器皿，下層用于夾持滴定杯等大口徑器皿。夾塊上設計有上、中、下3個腔體，采用內凹式結構，以避讓漏斗、錐形瓶的卷口，同時有效防止容器滑落，上腔體和中腔體高度為20 mm，下腔體高度為15 mm，相鄰兩腔體分隔處高度為5 mm，分隔處設有位于夾持面的弧形缺口，以配合不同容器的夾持，夾持不同容器示意圖如圖5所示。

為減少試管的搬運次數，提高機械手的搬運效率，滿足批量化處理的需求，在機械手Z軸模組上配備原位加液裝置，加液和搬運的動作可以同時完成。原位加液裝置選用高精度加液泵，加液精度可達到1 μL，能夠滿足前處理的加液需求。前處理中用到的K2Cr2O7-H2SO4溶液具有強腐蝕性，采用PTFE材質構建儲液罐、導管及加液針，從而實現耐強酸強堿腐蝕。加液裝置示意圖如圖6所示。

1.4 溫控消解裝置設計

實驗室中人工操作常用的石墨消解儀等消解儀器，升溫速度慢，加熱效率低，控溫不準確，沒有通信接口，不便進行自動化控制。本文設計一種新型溫控消解裝置，采用高純度石墨塊作為加熱傳導介質，提高熱傳導效率，在石墨塊上設置前后兩排加熱孔，孔徑為26 mm，略大于試管外徑，加熱孔底部呈半球形，使之與試管貼合，進一步提高加熱效率。溫控系統采用PID控制算法調節加熱功率，控溫穩定，溫控精度達到±0.2℃，溫度在(RT+5)～400℃范圍內連續可調，其中RT為實時溫度，各加熱孔內溫差較小，樣品消解效果一致性好，精確實現有機質消解的溫度控制要求。溫控消解裝置具備RS485通信接口，可以通過PLC遠程對溫控參數進行設置，并能夠實時讀取當前溫度，便于自動化控制。

由于試管深入到加熱孔中，因此采用非接觸式傳感器測量試管底部溫度，計算溫度變化率，來判斷沸騰時間點。在各加熱孔側壁上，距底部20 mm位置開有直徑10 mm的圓形探測窗口，在石墨塊外圍裝有非接觸式紅外測溫傳感器，傳感器透過圓形窗口探測試管外壁的溫度，控制系統可實時讀取試管溫度，并計算溫度變化率，試管內溶液沸騰時，升溫速度變慢，以此作為沸騰的判定條件，啟動定時器進行計時。溫控消解裝置上配有電動升降架，升降架上的孔位、孔徑與石墨塊上的加熱孔一致，使用時在距試管管口40 mm處加裝卡箍，再放置到升降架上，升降架升起可以使試管與加熱孔完全分離，實現試管加熱的同時啟停，以精確控制加熱時間。設計的溫控消解裝置如圖7所示。

1.5 無損轉移裝置設計

為了達到精確的檢測結果，需要將處理好的溶液進行無損轉移，本文設計的無損轉移裝置由滴定杯、滴定杯托盤、噴頭、伸縮氣缸、蠕動泵、夾管閥、儲液罐、試管、試管旋轉支架、旋轉電機、旋轉氣缸等部分構成，其結構如圖8所示。試管旋轉支架由旋轉氣缸驅動，可以保持在豎直和傾倒兩個工位，豎直時便于機械手將試管插入到試管旋轉架中，傾倒時試管中的消解液及殘渣可直接流入下方的滴定杯中。旋轉電機位于旋轉支架的底部，啟動時可帶動試管繞中心線進行連續旋轉，保證試管底部及側壁能夠被充分沖洗，沖洗后的溶液沿傾斜的試管壁直接流入滴定杯中，做到無損轉移。噴頭安裝在伸縮氣缸上，工作時伸入到試管口內，完成后移出試管口，方便試管回到豎直工位以及機械手搬運滴定杯。蠕動泵通過導管與噴頭及儲液罐連接，控制蠕動泵的轉速和泵軸的旋轉角度可調節噴射水流的壓力及出液量，可同時完成沖洗及溶液的總體積控制。夾管閥位于蠕動泵與噴頭之間，可有效防止蠕動泵停止后導管內液體溢出。

人工處理固液混合物的無損轉移時采用多次加液不停搖動試管再快速傾倒的方式，試管壁容易有殘留，并且加液量難以控制，該裝置采用試管傾斜沖洗并旋轉試管的處理方式，能夠在30 s內自動完成無損轉移過程，處理效率相對人工顯著提高。自動無損轉移時，噴頭伸入到試管口內，噴頭的延長線與試管底部上半邊弧體相接觸，使噴頭的液流噴射至試管底部的圓弧上端，利用液流的動能和重力勢能沖洗試管底部，從而使固體沉淀的部分形成固液混合物沿試管壁流出，配合沖洗時試管自身的旋轉，可以無死角地沖洗試管底部的沉淀及掛壁殘留，達到無損轉移的目的。噴頭的延長線與試管縱向中心線之間的夾角為2°～4°，經試驗驗證在此角度范圍內沖洗效果最好，試管壁上的殘留最少。沖洗過程中噴頭位置示意圖如圖9所示，噴頭與水平方向的夾角β為13°，試管中心線與水平方向的夾角α為10°。

安裝噴頭的伸縮氣缸選用標準桿型雙作用氣缸，氣缸的理論推力F0(N)和拉力F1(N)分別為

(1)

(2)

式中D——缸徑，mm

p——氣缸的工作壓力，MPa

d——活塞桿直徑，mm

伸縮氣缸活塞桿下安裝有固定滑槽，以防止活塞桿受重力變形，伸縮氣缸支架與滑槽的動摩擦因數μ為0.5，噴頭組件總質量m為260 g，氣缸行程為150 mm，動作時間為1 s，氣缸負載率η即實際負載力F與理論推力F0之比，負載率的選取與氣缸的負載性能及氣缸的運動速度相關，氣缸的設計速度為150 mm/s，氣缸在100～500 mm/s速度動載荷情況下，負載率不大于0.5，取0.5進行計算。根據對噴頭組件的受力分析可得

F=μmgcosβ

(3)

(4)

由式(1)、(3)、(4)可得雙作用氣缸缸徑為

計算可得雙作用氣缸缸徑D為5.66 mm，參考行程150 mm，選取CD85N10-150-B型氣缸，額定壓力范圍為0.1～0.7 MPa，缸徑10 mm，活塞桿直徑4 mm，計算F1大于F，可滿足使用要求。

旋轉氣缸選用SMC的MSQ系列旋轉氣缸，便于試管傾倒機構的安裝，計算試管及傾倒機構旋轉所需的必要力矩T(N·m)及最大允許動能Emax(J)為

(5)

式中K——裕度系數，取5

I——轉動慣量，kg·m2

θ——旋轉角，rad

t——旋轉時間，s

ωmax——最大角速度，rad/s

根據試管傾倒機構的設計尺寸及材質計算其轉動慣量為0.013 kg·m2，旋轉角為100°，旋轉時間設置為1 s，由式(5)計算得所需力矩為0.23 N·m，允許的最大動能為0.079 2 J，均小于MSQA20R型旋轉氣缸在0.5 MPa的有效力矩0.89 N·m及最大允許動能 0.116 J，因此選用MSQA20R型旋轉氣缸。

1.6 電氣控制系統設計

針對前述多個裝置分工和協同控制需要，本文采用上-下位機兩層式結構的自動控制方案，下位機主要由PLC主機、一體化步進電機、石墨消解裝置、蠕動泵、電動夾爪、電磁閥、傳感器等組成。

根據系統輸入輸出點數及高速脈沖數，選用西門子S7-200 SMART系列CPU ST30，輸入電壓范圍為20.4～28.8 V DC，該CPU具有18個數字量輸入點和12個數字量輸出點，1個以太網接口及1個RS485通信接口，3個100 kHz脈沖輸出接口；選擇與之配套的數字量輸入輸出模塊EM DT32，EM DT32具有數字量輸入輸出點各16個；一體化步進電機選用深圳杰美康機電公司生產的總線一體化步進伺服驅動電機(ISSH57-36-20-RC型)，其保持力矩為2 N·m，定位力矩為0.6 N·m，轉動慣量為260 g·cm2，輸入電壓24～48 V DC，連續輸出電流4 A；蠕動泵選用Kamoer公司的KDS-FB-2-N16R型蠕動泵，轉速為1～500 r/min，流量5～440 mL/min；電動夾爪選用慧靈科技公司的EFG-20型電動夾爪，最大夾持力80 N，最大行程20 mm，通過脈沖信號控制開合行程；電磁閥選用SMC的SY5120-5G-01型電磁閥組，額定壓力0.15～0.7 MPa，伸縮氣缸及旋轉氣缸的位置傳感器選用SMC的D-M9B型磁性位置開關；直線模組的上下限位及原點位置檢測選用GX-H8A型接近開關；溫度傳感器選用ADI的T10S-B-HW型高精度紅外測溫傳感器，測量范圍為-70～380℃，分辨率為0.1℃；壓力傳感器選用SMC的PS1000-R06L型電子壓力開關。

工控機與PLC通過以太網進行通信，溫度傳感器、壓力傳感器、一體化步進電機、石墨消解裝置和蠕動泵皆連接至RS485通信接口，通過Modbus通信協議進行通信，電動夾爪通過PLC的脈沖輸出接口進行控制，位置傳感器及氣動電磁閥通過I/O口與PLC進行通信，自動控制系統硬件組成如圖10所示。

根據系統工作運行要求，系統采用模塊化設計思想，將裝置中的電動夾爪、步進電機、蠕動泵、石墨消解儀等元件作為獨立的子程序模塊，供主程序進行統一調用，以提高系統的反應速度，且有利于后期程序升級與維護。軟件流程圖如圖11所示。

上位機進行總體協同控制，并提供前處理平臺監測控制的人機交互界面，采用組態的搭建方法，使用專用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，使計算機或軟件按預先設置自動執行特殊任務，組態軟件能夠實現對自動化過程和裝備的監視和控制。系統采用組態方法設計了有機質前處理平臺控制系統的人機交互界面，如圖12所示，能夠實時監控電動夾爪、氣缸等組件的工作狀態，讀取溫控消解裝置的實時溫度，并能夠對有機質前處理過程進行手動或自動控制。

由搬運機械手、溫控消解裝置、無損轉移裝置以及電氣控制系統共同構成了土壤有機質檢測自動化前處理平臺。根據以上設計原理，搭建自動化前處理平臺試驗樣機，如圖13所示，用于土壤有機質檢測自動化前處理平臺設計原理的驗證和分析。

2 試驗與分析

2.1 試驗材料

土壤樣品：土壤有效態成分國家標準土壤樣品GBW07412a(遼寧棕壤)、GBW07416a(湖北水稻土)、GBW07458(黑龍江黑土)、GBW07460(新疆灰鈣土)、GBW07461(安徽潮土)、GBW07417a(廣東水稻土)。

試劑：0.4 mol/L K2Cr2O7-H2SO4溶液，0.1 mol/L硫酸亞鐵標準溶液，0.1 mol/L重鉻酸鉀標準溶液，鄰菲啰啉指示劑，所有試劑純度均為分析純，所有試驗用水均為超純水(電阻率大于18 MΩ·cm)。

2.2 試驗過程和條件

(1)制備0.3 g通過0.25 mm篩風干土壤樣品(精度為0.000 1 g)，放入到干燥的硬質試管中(外徑25 mm，長度200 mm)，記錄土壤樣品的實際質量。

(2)將試管放置于平臺的試管架上，由機械手上的加液泵依次向各試管中精確加入10 mL 0.4 mol/L的K2Cr2O7-H2SO4溶液，并通過機械手依次夾取漏斗架上的玻璃彎頸漏斗自動放置到各個試管口上。

(3)溫控消解裝置提前預熱30 min，使溫度控制在(175±5)℃，機械手依次抓取試管及彎頸漏斗放至溫控消解裝置的升降架中，升降架下降開始加熱，待試管中溶液沸騰開始計時，5 min后升降架升起，使試管與加熱孔分離停止加熱，冷卻1 min。

(4)機械手依次將試管放置到無損轉移裝置的傾倒工位上，并取下彎頸漏斗，放回漏斗架，機械手將滴定杯由滴定杯架取出并放置到接液工位上，通過無損轉移裝置將浸提液倒入滴定杯中，并對試管進行旋轉沖洗，沖洗液直接流入到滴定杯中，并將滴定杯內溶液總體積控制在50～60 mL，機械手將滴定杯取出并放回到滴定杯架上。

(5)試驗設置兩個空白試樣，用0.2 g灼燒浮石粉代替土樣，其他步驟與土壤測定相同，每10個樣品設置一個平行試樣，所有檢測過程與土壤測定步驟相同。

2.3 檢測過程

土壤樣品有機質含量的檢測選用海能儀器公司的T960全自動電位滴定儀進行測定。配備16位自動進樣器，可以全自動進行滴定檢測，并能夠自動對滴定頭、管路等進行清洗。電極選用Hamilton高溫鉑復合電極，選用配套的10 mL滴定管單元，全自動化進液，無需手動添加試劑。前處理平臺處理后的待測溶液直接放到滴定儀的自動進樣器上，設置好滴定參數，使用氧化-還原動態滴定法，選擇等量滴定模式，通過0.1 mol/L硫酸亞鐵標準溶液進行滴定，滴定儀自動判斷滴定終點并自動記錄所消耗的硫酸亞鐵溶液的體積V。滴定儀具體參數設置如表1所示。

表1 電位滴定儀參數設置Tab.1 Setting parameters of potentiometric titrator

2.4 土壤有機質含量計算

外加熱重鉻酸鉀容量法用一定濃度K2Cr2O7-H2SO4溶液氧化土壤樣品中的有機碳，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵溶液進行滴定，根據消耗的重鉻酸鉀量計算有機碳的含量，有機質的含碳量平均為58%，土壤中有機質的含量大致是有機碳含量的1.724倍，用有機碳含量乘以經驗換算系數1.724得到有機質含量，該方法與干燒法相比，只能氧化90%的有機碳，因此還需乘上氧化校正系數1.10，計算公式為

(6)

式中ωO.M——土壤有機質含量，g/kg

c——硫酸亞鐵溶液濃度，mol/L

V0——空白試驗所消耗硫酸亞鐵溶液體積，mL

m0——風干試樣質量，g

平行測定結果用算術平均值表示，保留3位有效數字。

2.5 數據處理

試驗選取了GBW07458、GBW07461兩個標準土壤樣品對自動化前處理平臺的穩定性進行測試，每個樣品進行5次測試，每次結果取兩次重復測量的算術平均值，測試結果如表2所示，將兩個標準土壤樣品的測試結果與標準值進行對比，測試結果均在標準值允許的誤差范圍內，兩次測試結果標準差分別為0.56 g/kg和0.39 g/kg，均不大于0.56 g/kg；相對標準偏差分別為1.63%和2.30%，均不大于2.30%，可以得出同一土壤樣品重復測試結果的一致性較好，表明前處理平臺穩定性好。

表2 前處理平臺穩定性測試結果Tab.2 Stability test result of pretreatment platform

選取多個土壤標準樣品對自動化前處理平臺的系統適用性進行測試，按照土壤標準樣品有機質含量將其分為小于10 g/kg、10～30 g/kg、大于30 g/kg 3個檔次，試驗選取了GBW07412a、GBW07416a、GBW07460、GBW07461、GBW07458、GBW07417a共6種土壤標準樣品進行測試，按有機質含量每個檔次選取兩個標準樣品，地理位置涵蓋遼寧、湖北、新疆、安徽、黑龍江、廣東6個省份，每次結果取兩次重復測量的算術平均值，測試結果如表3所示，6種標準土壤樣品的測定值均在標準值要求的誤差范圍內，相對誤差均不大于2.21%，表明該自動化前處理平臺具有良好的系統適用性。

3 結束語

針對土壤有機質檢測提出了自動化前處理平臺整體設計框架，通過全自動流水線式的標準化處理，顯著提高了檢測效率，減少了隨機誤差。選用標準土壤樣品對平臺穩定性和系統適用性進行了試驗，結果表明，該平臺穩定性好，重復測試標準差不大于0.56 g/kg，相對標準偏差不大于2.30%，相對誤差不大于2.21%，具有良好的系統適用性。

表3 前處理平臺系統適用性測試結果Tab.3 System suitability test result of pretreatment platform