1 引 言

分析仪器在工程应用中匹配采用样品处理系统技术，在我国已有61年的技术史（1956-2017年）。《过程分析器试样处理系统性能表示》（JB/T 6854-2005）行业标准的早期版本JB/T 6854-1993，已经取消了原有预处理的“预”字，颠覆了“样品预处理”的陈旧概念。由此创新出最重要的核心技术概念和名词术语：“样品处理系统”，这是样品处理系统技术系统性研究的发端。样品处理系统技术研究的权威专著当数美国罗伯特 E.谢尔曼的《过程分析仪样品处理系统技术》^[1]，分析仪器行业对样品处理系统技术的深入研究，是受其启发和引导，才得以不断推进和深入，在新著《在线分析技术工程教育》^[2]中有集中论述。在本专业技术领域，专业名词术语的规范十分滞后，不少专业人士任然在使用“预处理系统”的成就概念^[3,4]。

  通过对40余家分析仪器企业的调查，发现样品处理系统的专业性、规范化设计普遍比较薄弱，和国家重点工程的急需还有明显差距。本文试图构建一个整体技术框架，以在线分析系统应用型基础理论去统摄和协调、规范在线分析系统工程应用的在线分析仪和样品处理系统两大基础技术。只有引用系统学理论，并强调工程导向，才能更好抓住样品处理系统技术的精髓，对样品处理系统技术进行多维度的根本性思考和更深入的工程实践，研发出更加可靠的免维护样品处理系统。为了使在线分析系统能够长寿命周期（石化行业要求15年）地协调运行，样品处理系统技术创新突破的主攻方向应该是：①对缺乏均一性和不可能按期望预设样品条件的适应性；②对分析仪器稳定性、准确性、可靠性和长寿命周期的可靠保障；③对工程应用中人工介入的解放，即少维护，甚至免维护。

2  用系统学理论诠释样品处理系统

2.1  钱学森院士的系统学理论

① 人民科学家钱学森院士的《工程控制论》，《工程控制论》的核心本质由他概括为“一个系统的不同部分之间相互作用的定性性质，以及由此决定的整个系统总体的运行状态”^[5]。他还十分强调“用系统学理论处理好（技术系统）局部和整体的关系”。

② 钱学森院士的《创建系统学》^[6]，由许国志院士作序，对系统学有如下精辟概括：“系统学就是系统科学的基础理论，系统学最基本的概念就是系统”。系统学是研究系统结构与功能（系统的演化、协同与控制）一般规律的科学^[7]。其规律一是系统的层级结构，二是系统的属性，主要是开放性和复杂性。

2.2  样品处理系统的“系统学”剖析

2.2.1 样品处理系统的层级结构

在线分析系统应用型基础理论 ^[8]是解读样品处理系统的前提和基础。在线分析系统在空间上向下扩展，必然就是样品处理系统，直至微技术系统（即微系统）。在线分析系统的层级结构如图1所示。样品处理系统向下扩展的层级结构如图2所示。

图1 在线分析系统层级结构图                       图2  样品处理系统层级结构图

Fig.1 On-line analysis system hierarchical structure diagram     Fig.2 Hierarchical structure of sample processing system

样品处理系统这样多的次级和更次级子系统，一般都有自己特殊的功能和技术特性，样品处理系统必须合理匹配、完善组合、有效集成与协调。样品处理部件大多比较简单，而样品处理系统的结构和功能却十分复杂，认真理解和强调样品处理系统这个基本的技术逻辑，就能找准技术创新的突破方向。

2.2.2  样品处理系统的开放性

样品处理系统最重要的功能和技术特性，是复杂性和开放性。其中开放性就是：样品处理系统与其工程应用的外部环境（样品条件、环境条件、安装条件等）长期存在十分复杂、动态的物质交换、能量交换和信息交换。搞清楚了这些交换，并妥善解决和协调好了样品处理系统与外部环境，特别是与样品条件之间的技术冲突，是设计高端品质样品处理系统的必由之路，也是寻找和排除在线分析系统工程应用故障最有效的技术手段。

3  坚持工程导向下的工程经验主义

3.1 朱良漪长期强调工程导向

我国分析仪器产业的奠基人和开拓者之一的朱良漪教授一直强调工程导向，他在“过程分析仪器的发展”^[9]论文中，总结出“制约过程分析仪器发展的三大症结”，即过程分析的取样和预处理、成分信息的获取与共生信息的干扰、长期使用的可靠性。他在“21世纪前沿技术‘分析技术’和‘自动化’的系统集成”^[10]的报告中，特别强调在线分析系统工程应用的四大难点和闪点：取样（探头）系统、可靠性、少维护、软件技术。朱老前辈的教诲，为样品处理系统技术的创新突破指明了很具体的技术目标。

3.2 经验主义地解决工程应用难题

样品处理系统所属的在线分析系统开展的工程应用，属于“工程技术”的性质，要始终致力于深刻理解国家重点工程以及工程用户面临的挑战和真实需要。样品处理系统的设计一定要“工程化”和规范化，要坚决采用和推广成熟技术、先进技术，并经过较长时间周期的工程应用考核。总之，要经验主义地解决工程应用难题。

4  样品处理系统的协调进化法则

4.1“系统”和“技术系统”的定义

前苏联发明大师根里奇﹒阿奇舒勒的发明问题解决理论TRIZ（萃智），给“技术系统”下的定义：“一个产品或物体都可看作是技术系统，技术系统可简称为系统。系统是由多个子系统组成的，并通过子系统间的相互作用来实现一定功能”^[11]。技术系统也可以更简洁地理解为：每个可实现某种功能的事物都是技术系统，每一个产品都是技术系统的复合体。

4.2 技术系统的协调进化法则

在TRIZ（萃智）理论中，技术系统进化理论是它的九大经典理论之一，有八大技术系统进化法则，其中最被看重的是系统协调进化法则：技术系统的进化是沿着各子系统相互之间更加协调的方向发展，即系统各个部件（次级子系统）在保持协调的前提下，充分发挥各自的功能^[11]。

4.3 引用在线分析系统的协调进化五原则

在在线分析系统应用型基础理论初创的研究中，总结出“在线分析系统的协调进化五原则”^[8]：很好保留了原系统的优点；2比较彻底地消除了原系统的局限和不足；3新系统没有变得更复杂和成本更高；4新系统没有引入新的缺陷和技术风险；5新系统更能长寿命周期地协调运行。

任何系统都需要协调。样品处理系统的协调运行能够促进在线分析系统的协调运行。样品处理系统是由很多样品处理部件和装置构建成的完整技术系统，在整体协调的前提下，各部件的功能得以充分发挥，又不对相关联的部件造成功能或寿命降低的限制。这种在线分析系统和样品处理系统针对性、规范化设计中的技术性能评价方法和所实现的高端品质，就是协调运行。

4.4 多目标整体优化设计

协调进化五原则对所有层级的技术系统都有一定的实用性，就是要不断优化系统的结构，不断完善系统的功能和技术特性，促进大技术系统的协调进化和协调运行（系统的进化、协调与控制）。这个过程可归结为一个多目标整体优化的命题，即“以协调进化五原则为核心的多目标整体优化设计”。

5 更好抓住样品处理系统的精髓

5.1 开展工程教育，提高研发能力

在线分析技术（on-line analytical technology, OAT）是跨学科、跨专业，整体有机联系的综合性工程技术，有必要把在线分析技术工程教育作为工程师研发培训的主要目标之一，在长期工程实践中培养一批既懂应用型基础理论，又掌握工程技术，还会应用操作的专业技术人才，这是样品处理系统技术研发水平得以突破性提高，和实现质量发展的关键。

5.2 气路流程图是系统设计的核心表达

气路流程图的定义：样品在在线分析系统中流经各个样品处理部件和装置的流程原理图，各部件用规范符号表示。

1样品处理系统最重要的技术表达方式，就是在线分析系统的气路流程图，即技术流程原理图。所谓整体优化设计，也最先和主要表现在气路流程图上。气路流程图还是判断产品技术是否技术成熟和技术先进的主要依据。

2先进的气路流程图只是生产高端品质在线分析系统的必要条件，专业化的技术配置方案，即每个部件具体采用的型号、规格、技术指标、关键技术特性以及指定生产商，才是生产高端品质在线分析系统的充分条件。

5.3 把样品处理系统对样品条件的适应性放在首位

在线分析的样品条件千差万别，严重缺乏均一性，不可能按期望预设。如下三个样品条件决定了样品处理系统的三个技术制高点：①水泥干法旋窑窑尾的样品条件：高温1400℃、高粉尘2000g/m³；②焦炉煤气样品条件：焦油和奈等污染物的重度污染，传统过滤除尘、除污技术完全失效；③目前环保行业超低排放的固定污染源烟气排放连续检测系统(Continuous Emission Monitoring System, CEMS)脱硫、脱硝的样品条件：对样品中超低含量SO₂、NO_X以及NH₃的保真要求非常高，技术难度非常大。

对千差万别样品条件的针对性设计，样品处理系统必然大多是专用型的，有时还需要为工程用户特别定制整体解决方案。

5.4 为分析仪的高准确度检测提供有效保障

1为分析仪长期提供连续、稳定的合格样品：取样样品必须要有代表性；样气在传输及处理过程中不能产生相变、化学吸附及化学反应，样品被测组份不能产生影响检测准确度的流失；样品必须洁净干燥，不至于污染、腐蚀分析仪的测量气室和检测器。

2样品处理系统的长寿命周期，是其性能和质量最直接的宏观表现，是在线分析系统实现长寿命周期最基本的前提条件。

3严格防止共生信息的广义干扰。样品非测量组分（即背景组分）中干扰组分产生的干扰误差，是传统意义的干扰，可称为“狭义干扰”。使在线分析系统检测信号偏离最佳检测状态下正确检测值的一切原因，定义为在线分析系统的“广义干扰”，也就是“共生信息干扰”。其来源主要是样品传输和处理过程中发生的相变、吸附或释放、渗透或泄漏、溶解流失等，可以用样品处理系统与其外部环境之间长期存在的物质交换、能量交换和信息交换来进行技术分析。

5.5 从少维护提升到免维护

样品处理系统的少维护是在线分析系统少维护的重要前提和技术基础。如能从少维护再提升到免维护的技术水平，才可能实现工程应用中对人工介入的真正解放，危险场所工程应用的无人值守才有可能。样品处理系统最核心的部件是取样探头系统，取样探头系统的免维护又是样品处理系统免维护的关键^[12]。

6 焦炉煤气原位整体式干法样品处理系统的研制

在线分析系统应用型基础理论和样品处理系统的多目标整体优化设计方法，已经融入到样品处理系统创新设计的工程实践中，并取得了很多具有工程意义的成果。“焦炉煤气原位整体式干法样品处理系统”的原始创新设计具有标志性意义。

6.1 在线分析样品处理的重点和难点

样品处理的重点和最大难点，具有普遍意义的是高效除尘和高效除湿，先除尘，后除湿，而且要确保样品不失真，工程应用中至少还要做到少维护。

6.2 焦炉煤气样品处理的技术史回顾

焦炉煤气的回收利用是典型的重大节能工程之一，我国焦炉煤气的防爆氧含量监测已有25年以上的技术史，近十家国内企业不断尝试采用水洗涤、煤油洗涤、柴油洗涤和酰油洗涤等处理方法，都没有真正取得过工程意义的成功。其根本原因是焦炉煤气中的焦油、萘等污染物黏性很大，传统的过滤除尘、除污和洗涤方法，都缺乏工程意义的处理效果和工程应用效果。只有英国仕富梅（servomex）公司发明的高温蒸气喷射取样探头和动态水冷却洗涤器组合的技术方案，行业的认可度才比较高。只可惜它同样是湿法技术路线，因为洗涤水中的溶解氧在样品处理过程中的部分释放，会造成正值的广义干扰误差，可能达到大于+0.1%O₂，对于﹤0.5% O₂的常规测量值来说，显然严重影响了检测准确度。焦炉煤气原位整体式干法样品处理系统，是彻底的干法路线，样品不与任何液体接触，从而首先保证了更高的检测准确度。干法技术路线在新世纪已经是我国样品处理系统技术发展的绝对主流。

6.3 疏水型高效探头过滤器（核心基础零件）

超微孔Sic疏水型高效探头过滤器，就是高度符合工信部强基工程的核心基础零件，可认为是一个特殊的微技术系统（微系统）。它最突出的优势是高过滤精度和低样品流阻力之间的妥善协调。其特点如下：

1先进的表面过滤原理（surface filter）。

2粉尘过滤精度：0.3 99%。

3样品流阻力：80Pa（1L/min），长期使用中气流阻力增大很缓慢。

4纳米疏水疏油特性，抗污染能力强，易维护。

5耐高温、耐腐蚀、高强度、长寿命（中度粉尘条件下，可以达到四年）。

工程界采用的其他多种探头过滤器，全部都是深层过滤原理（deep filler），最突出的问题是过滤精度和样品流阻力之间存在强烈的技术冲突：过滤精度低，一般大于等于3，甚至大于等于10；样品流阻力一般较大，使用中气流阻力增大很快，中度粉尘条件下，短的2~3个月就要更换一次。

表面过滤原理过滤器和深度过滤原理过滤器的原理对比如图3所示。

图3过滤器原理对比图

Fig.3 Comparison of surface filter and deep filter

6.4 组合式高效除雾过滤分离器（核心基础部件）

组合式样品处理部件是样品处理系统技术发展的技术潮流之一，组合式高效除雾过滤分离器组合了传统过滤器、除雾器、快速旁路和气水分离器等四种独立部件的样品处理功能，各个部件之间的协调变成了新部件内部稳定的自我协调和自我更新，能够为实现样品处理系统的免维护创造十分有利的条件。

组合式高效除雾过滤分离器如图4所示。它采用了小型化的疏水型高效探头过滤器（Φ27×Φ16×50mm），高效除尘、凝结除雾有一个0.3的阀值，是真正意义的除雾器。市场上的凝结除雾器和液雾捕集器都没有“阀值”概念，只能除去不太高百分比的较大粒度液雾（>10比较有效）。

图4  组合式高效除雾过滤分离器外形图

Fig.4 Combined high efficiency demister filtration separator

6.5 原位整体式焦炉煤气干法样品处理装置

原位处理法的定义为：样品在取样点抽取并就地进行必要的样品处理，由在线分析仪的检测器就地实现非电量转换和检测，并不向远处传输后再进行复杂的样品处理。原位处理法是介于原位安装和直接抽取法之间的新类型样品处理方法。

原位处理法已在煤矿瓦斯在线监测系统设计中成功应用^[13]，原位整体式焦炉煤气干法样品处理装置是一套事实上的干法原位处理的样品处理系统，外形结构见图5。

图5 焦炉煤气干法样品处理装置外形图

Fig.5 Dry Sample Processing Unit on Coke Oven Gas

焦炉煤气原位整体式干法样品处理装置直接垂直安装在焦炉煤气管道上，其样品出口直接连接激光防爆氧分析仪的测量气室，在取样点和分析仪之间，没有其他任何样品处理部件和样品传输管道。装置由带粉尘分离罩的探头管组件、特殊结构的高效水冷却器和组合式高效除雾过滤分离器三部分组成一个整体结构，探头管组合件直接伸入煤气管道中，除它之外的主体结构总高度31公分。装置上部的组合式高效除雾过滤分离器采用了疏水型高效探头过滤器（Φ42mm×Φ19mm×90mm），除尘、除雾、除污精度为0.3。经原位处理的粉尘、焦油和萘等污染物，液雾凝结的液态水随同气水分离器分离出的冷凝水靠自重落下，从直通管道直接回流到煤气管道中，实现了初期的免维护。长期工程应用中，过滤器仍然有被焦油、萘等污染，甚至堵塞的风险。由于高效探头过滤器的纳米疏水、疏油的独特性能，又是表面过滤原理，本装置才可能创新采用高温蒸气（＞140℃）去外反吹扫过滤器（其他所有的深度过滤器都只能用内反吹扫），焦油和萘经高温汽化后，随同粉尘被蒸气逆向吹回到煤气管道中去，4～8小时脉冲式程控反吹扫一次，信号保持约半分钟，从而实现了长寿命周期协调运行的免维护。

本装置在工程应用中，尚需要在分析仪之后配置蒸气喷射采样泵作为抽取样品的驱动力，还要采用高温蒸气防爆电磁阀来切断蒸气流，才能构成完整的在线分析系统。

本装置的最大创新点：焦炉煤气样品在进入激光氧分析仪测量气室之前，不和任何液体接触，所以是干法技术路线的样品处理，能够确保样品不失真，彻底避免发生广义干扰，焦炉煤气氧气含量的检测准确度就有了可信赖的保证。由于采用不含氧成分的高温蒸气作为反吹扫介质，去高温汽化高黏性的焦油和萘等污染物，程序控制外反吹扫过滤器，解决了焦油、萘等污染物高黏性难以处理的跨世纪难题。本装置整体优化设计的颠覆性创新，之所以能够实现，都源于有次级子系统和微技术系统两个技术层级坚实牢固的技术基础，从技术原点就提供了最基础的保障条件，这才可能充分发挥和强化系统的整体综合优势，达到国际视野的行业先进水平。

6.6 多目标整体优化设计方法的诠释

多目标整体优化设计方法如下：

1 样品处理系统的次级子系统和微系统都采用了成熟度很高的先进技术。

2 样品处理系统以及在线分析系统整体性能的最优化。

3 样品处理系统的主要技术特性和功能的全面提升，包括高可靠性、高准确性、少维护和长寿命周期等。

4 技术成熟度更高。

5 结构进一步简化和有效集成。

6 降低制造成本和运维成本，提高性价比。

以上优化设计都在一次研发设计中完成，充分体现了“质量源于设计（Q b D）”的先进技术理念。

7 样品处理系统的发展趋势

7.1 环保行业的“超低排放”促使样品处理系统技术必须升级

新世纪以来，流程工业领域的在线分析样品处理系统技术，已处于较为成熟和相对稳定的状态。例如，作为样品处理系统技术制高点之一的水泥旋窑窑尾循环液冷干法高温取样探头系统，早在1998年就已经国产化成功。但是，环保行业却大为不同，以从上世纪末开始兴起的脱硫CEMS系统为例，SO₂和NO_X的排放检测标准不断提高，《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)国家标准与1998版旧标准相比，SO₂的排放标准由1200～2100 mg/m³降低到50～200 mg/m³。国家发改委、环境保护部和能源局制定了《煤电节能减排升级与改造行动计划》(2014-2020年)，将SO₂排放标准进一步降低至35mg/m³。使得原来基本适用的样品处理系统技术，现在根本满足不了工程应用的现实需要。样品处理技术的发展，除了国家产业政策的强劲驱动之外，还有来自工程应用的强劲驱动。例如，某龙头企业的实验研究证实，传统样品处理系统低含量SO₂的流失率竟然高达60%^[14]，样气失真得如此离谱，根本保证不了CEMS起码的检测准确度。

在“超低排放”行业背景下样品处理系统的升级换代或突破性创新研发，是一种很紧迫的刚需要求。

7.2 样品处理系统技术必须在开放中发展

我国分析仪器产业发展的历史经验，就是开放、创新和在工程导向下的深入实践，以满足工程应用的真实需要。所以，样品处理系统的研发，在选择相关产品和技术，决定研发技术路线时，必须要有国际视野的洞察力和决断。例如，重庆凌卡分析仪器有限公司利用自身的核心技术，先后不同程度地参与了四家外企样品处理系统技术的质量攻关，取得了经得起工程应用考核验证的成果。

7.3 样品处理系统的质量发展值得期待

最能体现样品处理系统技术进步的，无疑是攻占样品处理系统技术制高点的现实表现。列举如下：

1 水泥旋窑窑尾循环液冷干法采样探头系统，针对最难的高温高粉尘样品条件（1400℃，2000g/m³），重庆川仪九厂的干法高温采样探头系统于1998年国产化成功之后，长期占国内市场70%左右的份额，工程用户评价的可预期工程应用寿命长达10年。

2 焦炉煤气原位整体式干法样品处理装置（详见本论文第5节）。

3 超低排放样品处理系统仍然处于全行业公关的过程中，但已经取得了不少高质量的成果。例如，[美]博纯公司（PermaPure）上海办事处采用NafionR膜样品干燥除湿技术，研制成功的超低露点GASS样品处理系统，样品露点突破了传统样品处理技术（如压缩机式）+4℃的极限，能够稳定达到-10℃以下，绝对不会产生被测组分的样品流失。

4 分析小屋集成即在线分析系统集成，必然也有样品处理系统的集成，可看成是大型成套设备，为确保大型流程工业的生产安全，这样的高端品质和真正的专业化、规范化是必须的。成都倍诚分析技术有限公司的分析小屋集成，是我国分析仪器行业的最高水平，在大型石油化工、化肥、煤化工领域的总包供货中，都能一次开车成功，在国内市场具有垄断优势。

5 原位处理法样品处理装置是事实上的样品处理系统，它也是多目标整体优化设计的优秀成果。例如，原位整体式瓦斯样品处理装置，在煤矿安全装备领域，首次实现连续工程应用的免维护，成为实现行业性升级换代的技术基础。

样品处理系统技术的以上进步，如果用一句话作归纳和综合，就是已经在很多方面超过了朱良漪老前辈十年前的预期，和国外先进技术的差距已经大大缩小。

8 讨论及初步结论

1 样品处理系统是复杂的、开放性、多层级的技术系统，这是基于在线分析系统应用型基础理论得出的基本结论，也完全符合样品处理系统的技术现实。

2 样品处理系统不管如何不断进化和更新，归根结底，样品处理系统的核心问题仍然是少维护，在许多重要领域和高风险领域，还要全力争取做到免维护。

3 样品处理系统的微观技术（即微技术系统或微系统）的创新与突破，有可能用来解决在线分析系统宏观技术的大难题。例如，疏水型表面过滤原理的高效探头过滤器，曾用于破解某知名外企稀释法采样探头系统因堵塞中断采样和污染后级的十年顽疾。

4 在线分析检测结果的准确性问题，并非总是来自在线分析仪，而是更多来自样品处理系统的设计、制造、安装、投运、维护及检修。了解这些变数和变量及其交互影响十分重要，必须采取相应有效的广义抗干扰措施。

5 样品处理系统的长寿命周期，也是一种应该很好践行的设计理念。我国大化肥行业就创造出20年以上稳定运行的先进记录，最高难度的水泥旋窑窑尾干法高温采样探头系统的长寿命周期也能达到10年以上。样品处理系统的长寿命周期是在线分析系统长寿命周期的前提条件。长寿命周期地协调运行，正是在线分析系统的核心问题。

6 本文的根本目的是试图帮助本专业的工程师提高样品处理系统产品技术的研发能力和研发水平，以协调进化五原则为核心的多目标整体优化设计，是构建和设计高可靠免维护样品处理系统切实可行的系统性方法。

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