电子天平在食品制药企业的应用

Electronic Balances Application in Food & Pharmaceutical Factory

电子天平在食品制药企业中的应用

练达  龚水水  常明立  黄  诚

上海天美天平仪器有限公司/普利赛斯称重设备有限公司

摘要：电子天平型式多样，品牌众多，精度等级及价格差异也非常大。食品制药企业需根据应用需求、OIML R76国际建议及中国药典/美国药典等要求，选用合规、性价比高的电子天平。同时，需要按照GMP/GLP/ISO17025等规范要求，为天平选择一个合适的安装场所，对天平安装、操作及使用进行3Q认证，全方位验证、确认后方可投入使用。同时，需根据使用频次及风险评估等，制定天平操作规范，对天平进行经常性的核查、校准、调校及维护工作，确保您选好天平、用好天平。

关键词：电磁平衡式传感器，OIML R76国际建议，GMP/GLP/ISO17025，3Q认证，USP美国药典，最佳操作范围，最大允许误差，重复性误差，内校天平，天平选型，天平安装，天平使用

一、 概况

天平作为精密称量仪器，广泛应用于国防、科研、高校、医疗、环保及检验检疫等实验室及商业、工业领域，包括架盘天平、扭力天平、机械天平及电子天平等。按天平精度等级分为超微量天平、微量天平、半微量天平、分析天平及精密天平等。超微量天平最大秤量一般为2g～5g,显示精度0.1μg (千万分之一)；微量天平最大秤量一般为3g～50g,读数精度1μg（百万分之一)；半微量天平最大秤量一般为61g～225g,读数精度0.01mg（十万分之一)；分析天平最大秤量一般为120g～520g，读数精度0.1mg（万分之一）/125g；精密天平最大秤量320g～12.2kg, 读数精度1mg～100mg。

1.   电子天平分类

按《OIML R76非自动衡器国际建议》的精度等级，电子天平可分为：

1) Ⅰ级天平（特种准确度级）：超微量天平、微量天平、半微量天平、分析天平等

2) Ⅱ级天平（高准确度级）：精密天平

3) Ⅲ级天平（中等准确度级）：商用天平等

4) Ⅳ级天平（普通准确度级）：工业天平等

按核心器件---称重传感器结构形式及工作原理，电子天平可分为：

1) 传统型电磁平衡式传感器（MFR）：微量/半微量天平、分析天平等

2) 一体式（/超级单体）电磁力平衡式传感器（MFR）：分析天平、精密天平等

3) 应变式称重传感器（MG）：商用天平、工业天平及部分精密天平等

按校准方式，电子天平可分为：

1) 内校天平：天平内部自带校准砝码，根据时间或温度变化自动启动或人工启动

2) 外校天平：天平内部不带校准砝码，需通过外部砝码进行校准，人工启动

2.   主要制造商及品牌

中国天平市场聚集了国内外近50家制造商，进口品牌约10家、国产品牌约40家。

1) A类品牌：Mettler-Toledo梅特勒-托利多（瑞士）、Sartorius赛多利斯（德国），拥有超微量、微量天平、分析天平、精密天平等。

2) B类品牌：Precisa普利赛斯（瑞士）、Ohaus奥豪斯（美国）、Shimadzu岛津（日本）、A&D爱安德（日本）、Radwag（波兰）、Adam艾德姆（英国）等进口品牌，拥有半微量及分析、精密电子天平等。

3) C类品牌：天美天平（原上海精科/上海天平仪器厂）、沈阳龙腾、上海舜宇恒平、上海越平、上海菁海、余姚金诺、常州幸运、长沙湘平、福州华志及天津德安特等，大多拥有电磁力平衡式分析天平、精密天平等。

3.   适用标准

制造、销售及使用电子天平，适用的标准及规程：

1) 《GB/T 26497-2011电子天平标准》。国内生产及销售电子天平，需事先取得该型号产品的计量器具型评证书（自2018年，计量器具制造许可证已取消）。

2) 《JJG 1036-2008 电子天平检定规程》。用于贸易结算及重要生产的电子天平，需通过当地计量部门或授权第三方组织的首次计量检定及每年一次后续计量检定。

3) 《OIML R76非自动衡器国际建议》。进口及出口电子天平，都应事先取得该型号产品的OIML证书，进口电子天平需取得由中国计量院发布的该型号产品OIML证书核查报告（OIML证书互认）。

食品制药企业选择及使用电子天平，适用的标准及规范：

1) 《中国药典》（2010版）第四十一章“电子天平”，主要规定天平取样量的准确度和试验的精密度。

2) 《USP40-NF35美国药典》（2017版）第41章“天平”，主要规定天平的量程或最佳操作范围，即天平最小样品重量至最大秤量。对于在美国制造和销售的药物和相关产品而言，USP-NF 是唯一由美国食品药品监督管理局 (FDA) 强制执行的法定标准。此外，对于食品制药和质量控制所必需的规范，例如测试、程序和合格标准，USP-NF 还可以作为明确的逐步操作指导。

3) 《GMP药品生产质量管理规范》（2010版）第五节 。强制性标准，要求食品、制药等生产企业应具备良好的生产设备，合理的生产过程，完善的质量管理和严格的检测系统，确保最终产品质量（包括食品安全卫生）符合法规要求。

4) 《GLP良好实验室操作规范》。主要是针对医药、农药、食品添加剂、化妆品、兽药等进行的安全性评价实验而制定的规范，符合GLP实验室要求的天平应按照DQ（设计确认）、IQ（安装确认）、OQ（操作确认）及PQ（性能确认）四个步骤进行全方位验证、确认，严格控制可能影响实验结果准确性的各种主客观因素，降低试验误差，确保实验结果的真实性。

5) 《ISO17025实验室管理体系》（2005版）。检测和校准实验室能力的通用要求，通过认可的实验室出具的报告可在全球58个组织被认可。

4.   新技术应用

电子天平，作为高精度称量仪器，在全球范围内完全取代了机械天平，其技术趋势聚焦在称重精度、响应速度、性能稳定及操作方便等四个方面。

1)   更高的称重精度。包括半微量、微量、超微量电子天平的研发，全自动线性校准技术应用，温度/湿度/气压等环境监测及补偿技术应用，样品位置监测及补偿技术应用等。

2)   更稳定的性能。包括天平生产中温度补偿工艺的应用，自动去除样品静电技术的应用，天平水平指示及调节技术的应用等。

3)   更快的响应速度。包括高度一体化电磁力平衡传感器的研发（仅保留磁钢、线圈及弹性体等，大幅减少传感器零部件数量），电子天平算法优化等。

4)   更方便的操作。包括彩色触摸屏技术应用、人机界面设计、自动内校等。

二、 技术指标及说明

电子天平，作为精密称量仪器，主要技术指标涉及称量范围（/最大秤量Max)、最佳操作范围、读数精度(/显示分度值d)、检定分度值(e)、最小秤量(Min)、最小样品重量(MSW)、准确度等级、最大允许误差MPE、重复性误差及典型称量时间等。

1.   称量范围(/量程/最大秤量Max/最佳操作范围)：

电子天平可以称量的最大样品量。常见微量天平、半微量天平、分析天平及精密天平的最大称量范围如下：

-     微量天平：2.1/5.1/6.1/11/22/52g

-     半微量天平:61/81/105/125/205/225g

-     分析天平：120/220/320/420/520g

-     精密天平：320/620/920/1200/2200/3200/4200/6200/8200/10200/12200g

依据2017版《USP40-NF35美国药典》第41章“天平”规定，重要称重的相对不确定度不得超过0.10%。因此，天平有一个最佳操作范围，它是从天平“起始点”(或最小样品重量MSW)至“最大秤量Max”。

2.   读数精度(/显示分度值/实际分度值/d )：

电子天平可以显示的最小读数，或两个显示读数之间的最小增量。根据《OIML R76 非自动衡器 国际建议》，读数精度作为称量值的最后一位数，要求与前面的数字有明显的差异（不同或较浅的颜色）。称量范围与读数精度组合在一起，作为电子天平型号的一部分。如：

1)   xx7级：0.1μg

2)   xx6级：1μg

3)   xx5(/SM)级：0.01mg

4)   xxx4(/A)级：0.1mg

5)   xxx3（/M）级：1mg

6)   xxx2(/C)级：0.01g

7)   xxx1(/D)级：0.1g

8)   xxx0(/G)级：1g

3.   检定分度值（/e）：

根据《OIML R76非自动衡器 国际建议》合法贸易结算的法规，可接受的仪器可读性，是经检定认证后的任意两个显示读数之间的最小增量。同时规定，有刻度、有辅助装置的天平， 其检定分度值应满足：d<e≤10d。

4.   最小秤量（Min）：

电子天平可以称量并符合精度要求的最小样品量。小于该称量值时，称量结果可能产生过大的相对误差。 一般Ⅰ级、Ⅱ级的电子天平：Min= 20/50/100d。

依据2017版《USP40-NF35美国药典》第41章“天平”规定，在接近零点的时候，天平非常不准确。重要的称重必须大于天平操作范围“起始点”，称重准确度才能保证。而天平操作范围“起始点”显然不是零点，也不是最小秤量Min。它不是天平出厂时所固有的，需通过天平重复性测定方法来确定。测定方法如下：

1)   砝码重量在天平称量范围的5%到100%之间。

2)   砝码准确度等级无需过高，只需要测定不确定度小于0.10%的1/3，一般 F1或F2可以满足要求。

3)   重复检测10次，计算出标准偏差Std（普利赛斯390Hx系列电子天平，具有重复性检测功能，可自动计算出标准偏差Std）。

假定，

1)   所测的标准偏差Std＞0.41d, 起始点ORmin = 2×Std×1000 = 2000Std

2)   所测的标准偏差Std≤0.41d, 起始点ORmin = 2×0.41d×1000= 820d （起始点最小值）

普利赛斯390HA 225SM, 半微量，最大秤量225g，读数精度0.01mg，全自动线性内校；依据《USP美国药典》，在良好状态下该天平的最佳操作范围为8.2mg～225g。

5.   双量程（-DR，-DU，-P）：

电子天平有2（/3）个量程/读数精度，量程/读数精度自动调整。当称重物重量（含皮重）≤第1量程值，天平读数精度为较小值；当称重物重量（含皮重） 大于第1量程值、但不小于第2量程时，天平读数精度自动转换为较大值。如：普利赛斯360EP 225SM-DR,半微量双量程电子天平（称量范围102g/225g，读数精度0.01mg/0.1mg）。工作原理如下：

0                               102g                               225g

6.   浮动(/可变)量程(-FR，-DR）：

电子天平有2个量程/读数精度，量程/读数精度浮动或可变。当称重物重量（不含皮重）≤第1量程值，天平读数精度为较小值；当称重物的重量大于第1量程值、含皮重重量（总重）不小于第2量程值，天平读数精度转换为较大值。例如：普利赛斯390HA 225SM-FR，半微量浮动量程电子天平（称量范围61g～225g，读数精度0.01mg/0.1mg）。工作原理如下：

0                                     皮重+61g                    225g

7.   准确度等级：

电子天平按检定分度值及检定分度数分为四种准确度等级，即Ⅰ级（特种准确度级）、Ⅱ级（高准确度级）、Ⅲ级（中等准确度级）及Ⅳ级（普通准确度级）。常见电子天平为Ⅰ级或Ⅱ级，其检定分度值e、检定分度数n及准确度等级的对应关系见表1：

表1（电子天平准确度等级及检定分度值e、检定分度数n的对应表）

8.   最大允许误差（MPE）：

当天平空载并调到零位的条件下，无论是加载或卸载，在最大秤量及最小秤量之间任何一次单称量结果的示值的最大允许误差，应符合表2的规定。

1)   最大允许误差为单次称量，包括加载或卸载（因此，MPE有正、有负）。

2)   最大允许误差已包含线性因素（线性误差），称量值小，最大允许误差要求小（≤±0.5e）；称量值大，最大允许误差要求可大一点（≤±1.5e）。

3)   最大允许误差已包含偏载因素，包括四角误差/偏载误差等。

表2（最大允许误差）

9.   重复性误差：

同一载荷多次称量结果间的差值，不应大于天平在该载荷下示值的最大允许误差MPE绝对值。试验载荷通常为天平最大秤量80~100%的单个砝码,试验次数不应少于6次。

在天平计量性能的实际测试中，天平的准确性与重复性通常呈现图1分布图中的一种。能取得象限Ⅳ的结果最好，表明天平的准确性及重复性都好；象限Ⅰ的结果也可以接受，表明天平的重复性好但准确性差，可以通过校准及调节天平的办法，最终取得象限的Ⅳ结果。假如呈现象限Ⅱ、Ⅲ的结果，必须由专业人员对天平进行调节、校准。

                                                           Ⅳ准确性好，重复性好   Ⅰ准确性差，重复性好

Ⅲ准确性好，重复性差    Ⅱ准确性差，重复性差

图1 天平准确性及重复性分布示意

10. 典型称量时间：

天平典型称量（/稳定）时间，又称天平的稳定时间或响应时间，即天平空秤状态加载至天平示值稳定、可以读取的整个用时。卸载过程也类似，它体现天平的称重效率，对食药企业来说是一个比较重要的技术指标。一般来说，进口品牌的微量/半微量天平及国产品牌的分析天平，响应时间6~8s；进口品牌的分析天平、国产品牌的精密天平等，响应时间2~4s；采用一体式电磁力平衡传感器，天平响应速度会有所提高。

三、 天平选型

电子天平的型式、规格、精度等级、应用功能及品牌等特别多，价格差异大，实际使用中风险无处不在，包括应用环境、所测样品、适用法规、天平自身及操作、校准、维护等。在所有风险中，天平的重复性及线性误差是系统性的，往往由天平内在品质所决定，不会通过校准改善。因此，电子天平选型非常重要。

1. 根据《OIML R76非自动衡器国际建议》定义，选择天平的精度等级及量程。

天平作为实验室及工业领域称重的常规仪器，其称量精度及稳定性，对食品制药企业的新品研发及药品质量把关，起着举足轻重的作用。食品制药企业务必根据天平精度及量程要求，选择一款合适的天平。首先，应关注性价比。天平的价格通常取决于精度、量程及品牌等。分析天平价格普遍高于精密天平价格，大量程天平价格高于小量程天平，精度高的微量/半微量天平，大都依赖进口，价格昂贵。通常，药企研发部及品控部实验室有较好的实验环境，需要配置微量天平、半微量天平及分析天平等高精度天平。但更多的生产线、仓管等精度要求并不高。从性价比出发，普通精度等级的精密天平、工业天平等都能满足使用要求。其次，应留有余地。天平所标示的精度等级及最大允许误差等，都是在天平状态良好、环境适宜、操作规范等条件下取得的，实际使用中最大允许误差会扩大一倍。为了不影响未来使用，天平选型时，精度及量程可适当提高。

2. 根据《OIML R76非自动衡器国际建议》的特别要求，选择天平内自校功能。

用于贸易结算或食品企业、制药企业、医疗机构等的天平，使用中实施强检制度，包括首次检定、后续检定等，通常每年一次。但电子天平在使用中风险无处不在。比如，来自规范本身的影响，包括线性误差、重复性误差、偏载误差、砝码误差等；其二来自环境的影响，包括温度变化、湿度变化、太阳光照、空气流动、振动、倾斜、污染等；其三来自样品本身的影响，包括样品吸湿、样品磁性、样品浮力、静电等。天平需要经常进行校准，特别是Ⅰ级天平。为更好地满足这一要求，选用全自动内自校天平(SCS/SLS/FACT/isoCAL等)十分必要。最新版《OIMLR76国际建议》也要求，分析天平及以上精度的电子天平，不允许使用纯外校天平。天平自带内自校装置，可设置为根据时间或温度的变化，自动启动校准，也可人工“一键”启动，方便、高效，及时消除天平误差，并降低操作的难度。另外，天平内部砝码，磨损相对少，重量恒定，且经过外部E2级/F1级的标准砝码传力（/校准），全自动操作减少人为干扰因素，安全、可靠。相反，采用外部砝码校准，受砝码精度等级、磨损、操作等因素影响，可能存在会导致天平不准确的风险。

3. 根据中国药典/USP美国药典等，选择天平的最佳操作范围（/最小样品重量MSW）。

依据最新版USP美国药典，对于重要的称重，天平有一个最佳的称重“起始点”及最佳的操作范围。过小的样品重量，会导致称重非常的不准确。中国药典、英国药典、日本药典等也有相应的要求。因此，食药企业选择天平时，应关注其最佳的操作范围（/最小样品重量MSW）是否满足要求。同时，审计追踪、用户管理、实时始终等功能，也是中国药典/USP美国药典等所要求的，选择天平是应重点关注其合规性。

4. 根据用户应用需求及环境因素，选择合适的天平及功能。

电子天平因型式、精度、品牌及价格等因素，应用功能不尽相同。一个功能齐全的电子天平除正常的称重功能外，通常还包括彩色触摸屏显示、中英文选择、百分比、计数、检重、密度测量、动物称重、动态差异称重、下挂称重、配方称重、实时时钟、无接触自动风门、全自动线性内校、MSW最小样品重量、ART自动重复性测试、BEST浮力误差纠正、自动去除静电、自动环境监测补偿（湿度/气压）、自动水平监测、校准记录的审计追踪、用户管理、任务管理、USB接口、数据实时上传/打印等。食药用户应用需求及环境因素，选择合适的天平及功能。

四、 天平安装

为确保天平准确、稳定称量，将天平安装在合适的工作室及工作台同样重要。具体要求：工作室窗户越少越好、只有一个出入口，推荐工作温度15～25℃，推荐湿度45～75%；工作台坚固结实、置于房间角落，防振动，避免光照，减少气流影响。天平安装后需要调节水平，并进行相应的校准测试。

天平在所有实验室仪器中，标准化程度高，安装及调试工作相对简单，通常对于超级微量天平、微量天平及半微量天平等，厂家会派专业的服务工程师上门安装调试；而对于普通精度的分析天平、精密天平等，一般由用户自行安装、调试。

无论由谁来安装、调试天平，都应符合JJG 1036-2008 电子天平检定规程要求。用于重要生产的电子天平，需通过当地计量部门或授权第三方组织的首次计量检定及每年一次的后续计量检定，食药企业天平显然符合强制检定的要求。同时，依据GMP/GLP/ISO17025等规范要求，食药企业天平在使用前还需由天平生产商或第三方检测机构按照3Q认证要求，对天平进行全方位验证、确认，合格后天平方可投入使用。

五、 天平使用

食药企业天平实施强制检定，包括首次检定、后续检定等，每年一次，检定合格方可投入使用。但电子天平在使用中风险无处不在。比如，来自规范本身的影响，包括线性误差、重复性误差、偏载误差、砝码误差等；来自环境的影响，包括温度变化、湿度变化、太阳光照、空气流动、振动、倾斜、污染等；来自样品本身的影响，包括样品吸湿、样品磁性、样品浮力、静电等。天平除了通过硬件及安装对称量过程的风险加以控制，用户还需要根据自身特点建立天平的操作规范。这些规范包括，最佳操作范围“起始点”（/最小样品重量MSW）设定、期间核查、日常检测、日常使用及维护方法等。

所谓检测，就是通过合格的砝码对天平的重复性误差、线性误差、四角误差及不确定度指标等进行检测。通常检测选取两点校准，检测频率视称量的重要性而定。重要的称量每天做一次，稍次要的称量每周或每月做一次。天平每三个月或六个月进行至少一次的全性能的检测评估。天平每年或每两年进行一次外部检测、维护，更新最小样品量和不确定度。这通常由天平厂家或第三方检测机构来客户现场检测、评估为佳。一旦发现有风险存在，立马对天平进行调整、维修或维护，或者对天平的安装、操作方法等进行纠正。每次仪器调整之后均需进行后续检定，如果后续检定的各项指标均在初次检定时的范围内,则该检定结果一致。在任何需要的时候重新评估天平的允许误差。当核查的结果是可靠的，核查周期可以放大一倍；当核查的结果超出了警戒限制，核查的周期就要缩短。当核查结果超出最大允许误差，就要通知仪器厂家的维修人员处理。

所谓合格的砝码，就是校准分析天平/半微量天平/微量天平等Ⅰ级天平，须采用E2级砝码；校准普通精度等级的Ⅱ级天平，须采用F1级砝码；而且所用砝码必须年检、合格。另外，带内自校功能的天平内置砝码，虽然没有精度等级，但经过外部合格砝码的传力（标定），可以用于天平的校准。但是，部分厂家天平出厂时随机附带的砝码为一般性工作砝码，精度等级较低，只能用于一般性检验，不能用于天平校准。

六、 结语

电子天平型式多样，品牌众多，称量精度及价格差异非常大。食品制药企业需根据自身的生产需要、应用环境、OIML R76国际建议及中国药典/美国药典等相关要求，选用合规的、性价比高的电子天平。同时，需按照GMP/GLP/ISO17025等规范要求，为天平选择一个合适的安装场所，对天平安装、操作及性能进行3Q认证，全方位验证、确认后方可投入使用。同时，需根据使用频次及风险评估等，制定天平操作规范，对天平进行经常性的核查、校准、调校及维护工作，确保您选好天平、用好天平。

2018-8-18

作者简介：

练达，高级工程师，任职上海天美天平仪器有限公司，聘为中国计量协会及上海市测试学会力学专家，参与编著《实用起重机电气技术手册“起重机用电子秤”》及《天平.砝码.秤使用与维修大全》，发表《计量抓斗及其应用》、《动态公路车辆称重设备应用研究》等论文5篇，获“计量抓斗”、“公路车辆一体式轴重秤及其安装方法”等国家发明专利3项，以及“新型电子钩头秤”等实用新型专利3项。电话：18217636898，邮箱:lianda@techcomp.cn