Strumenti da Laboratorio di Analisi: Guida Completa con Funzionamento e Utilizzi Essenziali

Per avere un laboratorio che funziona al meglio è necessario disporre di una strumentazione adeguata. Può trattarsi quindi di sofisticati strumenti di analisi come anche di semplici contenitori per la conservazione come la vetreria. Avere una buona conoscenza delle strumentazioni da laboratorio può però consentire comunque di risparmiare scegliendo il fornitore giusto. Ci sono strumenti molto diversi tra di loro, specifici rispetto al tipo di analisi o risultato che si desidera raggiungere.

Vetreria da Laboratorio

Gran parte degli strumenti da laboratorio è realizzata in vetro. Devono necessariamente resistere ad acidi, agenti chimici, alcali e fuoco. Tra gli strumenti più comuni troviamo:

Matraccio: un contenitore di vetro, da non riscaldare, a forma di pallone con fondo piatto e collo molto lungo, nel quale si indica il livello che il liquido deve raggiungere finché il volume sia quello corretto.
VIAL: i flaconi vial, o fiale, sono i più comuni flaconi per conservare le soluzioni, soprattutto soluzioni per biologia medica o molecolare.
Provette con tappo a vite: Le provette con tappo a vite possono appunto essere avvitate per ottenere una perfetta sigillatura. Molto importante è anche il colore dei tappi delle provette.

Micropipette

Le micropipette si utilizzano quando serve lavorare con piccolissime quantità di campione liquido, misurabili in microlitri. Con la micropipetta è possibile selezionare la quantità del campione da prelevare, attraverso un selettore di misura e di volume posto nel suo corpo centrale, laddove c’è anche l’impugnatura dell’apparecchio. Un bottone consente generalmente l’aspirazione e il rilascio del liquido che avviene tramite un puntale, di dimensione variabile. Con le micropipette si utilizzano puntali monouso in plastica sterili.

Strumenti Essenziali per un Laboratorio di Elettronica

La maggior parte dei laboratori di elettronica ha un aspetto simile. Se vi guardate intorno, vedrete tavoli coperti da circuiti stampati circondati da un gran numero di cavi e cavetti. Dietro quelle pile di circuiti stampati ci sono grandi scatole con luci, schermi e connettori. Queste scatole sono gli strumenti di misura e collaudo.

Alimentatori da Banco

Ogni dispositivo elettronico richiede energia. Gli alimentatori da banco sono importanti per l'intero ciclo di test - dalla prima accensione alla verifica finale. Durante la fase di accensione, le loro protezioni di corrente e tensione possono salvare un circuito difettoso. Durante il debug, le loro funzionalità di registrazione dei dati o di carico elettronico possono aiutare a risolvere problemi legati all'alimentazione.

Gli alimentatori DC disponibili sul mercato sono molti e la scelta può risultare difficile. Fortunatamente, esistono solo due tipologie di alimentatori di base: lineare e a commutazione. Questi due tipi si differenziano per il modo in cui regolano la loro uscita.

Gli alimentatori lineari sono la sorgente di energia a basso rumore per eccellenza, ma il loro rendimento di conversione è relativamente modesto. Sono anche un po' pesanti. D'altra parte, gli alimentatori a commutazione hanno un'ondulazione residua (ripple) leggermente superiore, ma sono molto più facili da spostare in laboratorio. Un moderno alimentatore a commutazione è la scelta migliore per la maggior parte delle applicazioni, in quanto offre la combinazione ideale di potenza d'uscita totale, peso (facilità di spostamento) e costo.

Le specifiche di un alimentatore da banco indicano la potenza massima disponibile in uscita. Se l'alimentatore ha più canali, è probabile che il massimo si riferisca alla combinazione di più canali. I moderni alimentatori offrono molte funzionalità avanzate al di là dei semplici controlli di tensione e corrente. Ad esempio, le "linee di rilevamento" sono linee ad alta impedenza che si collegano al carico. Consentono all'alimentatore di compensare le perdite resistive dovute ai cavi di alimentazione. Inoltre, la registrazione dei dati consente di effettuare un campionamento relativamente ad alta velocità dei valori di tensione e corrente erogata, salvandoli direttamente su un'unità USB per la successiva analisi.

Multimetro Digitale (DMM)

Il multimetro digitale è noto anche come tester o DMM (Digital MultiMeter). Come suggerisce il nome "multimetro", lo strumento è in grado di misurare molteplici proprietà elettriche, come la tensione AC/DC, la corrente AC/DC, la resistenza, la tensione di polarizzazione diretta dei diodi e la capacità. I risultati vengono comunemente forniti come valore istantaneo su un display numerico. Tuttavia, alcuni tester possono anche fornire informazioni statistiche su una serie di misure.

Le specifiche del multimetro digitale includono precisione e accuratezza. La precisione indica quali intervalli di valori possono essere visualizzati per le misure. Alcuni alimentatori in corrente continua integrano anche dei misuratori di tensione e corrente molto accurati, che combinano le funzionalità di un alimentatore e di un multimetro digitale. Ad esempio, il modello R&S®NGL200 è un alimentatore a due canali con un misuratore digitale da 6 1/2 cifre per tensione, potenza e corrente.

Oscilloscopio

Un oscilloscopio misura la tensione nel tempo e ne visualizza la traccia come forma d'onda. Gli oscilloscopi rilevano solo la tensione, ma con le opportune sonde possono misurare anche altre grandezze. Gli oscilloscopi possono essere analogici o digitali, a seconda di come viene acquisita la forma d'onda. Una volta acquisita una forma d'onda, gli oscilloscopi hanno ampie capacità di misura e analisi.

Ad esempio, le misure di tensione possono includere valori da picco a picco, valore massimo e valore base, oltre al valore efficace (RMS). Gli oscilloscopi hanno generalmente almeno 2 - e più comunemente 4 - canali di ingresso. Questi canali consentono di acquisire simultaneamente i segnali e di visualizzarli correlati nel tempo (o nella fase). Nel corso del tempo, gli oscilloscopi hanno introdotto caratteristiche che consentono loro di sostituire altri strumenti di misura elettronici.

Ad esempio, tutti gli oscilloscopi Rohde & Schwarz dispongono di 8 o 16 canali logici digitali, che spesso possono sostituire un analizzatore logico tradizionale. Alcuni oscilloscopi, come alcuni modelli della famiglia R&S®RTH1000, integrano persino un multimetro digitale completo. I tecnici elettronici utilizzano comunemente insieme agli oscilloscopi anche dei generatori di forme d'onda arbitrarie (AWG) o generatori di funzioni. Molti oscilloscopi moderni offrono un generatore di forme d'onda integrato, che può sostituire molti generatori di funzioni indipendenti. La funzione FFT converte una forma d'onda acquisita in una visualizzazione nel dominio della frequenza.

Analizzatore di Spettro

Gli analizzatori di spettro misurano il contenuto in frequenza di un segnale. L'ampiezza è riportata sull'asse x e la frequenza sull'asse y. I picchi identificano le componenti di frequenza. Il tipico analizzatore di spettro funziona secondo il principio della scansione (sweeping)basato sul ricevitore supereterodina. Il sistema trasla la frequenza centrale lungo un determinato intervallo di scansione, effettuando una conversione di frequenza verso il basso di piccole porzioni del segnale di ingresso, un'unità di frequenza alla volta. I vantaggi degli analizzatori di spettro a scansione sono l'elevata gamma di frequenze, l'elevata sensibilità e il rumore di fondo estremamente basso.

Gli analizzatori di spettro sono anche in grado di eseguire misure automatizzate oltre che di visualizzare il contenuto in frequenza di un segnale. Alcuni strumenti, come il modello R&S®FPC1500, includono un generatore di segnali che può creare un segnale a onda continua (CW) su tutta la gamma di frequenze dell'analizzatore. Ad esempio, l'analizzatore R&S®FPC può emettere segnali fino a 3 GHz. In alternativa, il generatore può seguire la frequenza di scansione dell'analizzatore.

Altri Strumenti Specifici

Infine, potreste desiderare alcuni strumenti essenziali più specifici per la vostra applicazione. Ad esempio, per caratterizzare i componenti passivi, si può utilizzare un misuratore LCR, talvolta chiamato "ponte LCR" o semplicemente "ponte". Gli analizzatori di reti vettoriali (VNA) sono un altro strumento di caratterizzazione in grado di ricavare i parametri S di componenti quali cavi, tracce di circuiti stampati e amplificatori. Una rete di stabilizzazione dell'impedenza di linea (LISN) collega il dispositivo in prova (DUT) con una sorgente di alimentazione in corrente alternata per effettuare i test EMC. Gli analizzatori di potenza misurano il consumo di potenza dei carichi AC/DC.

Tutti gli strumenti qui elencati sono disponibili in più formati e sono disponibili in diverse classi. I formati sono quelli tipici degli strumenti da banco, portatili o montati su rack. Gli strumenti tendono a essere raggruppati in diverse classi in base alle specifiche delle prestazionio alle loro caratteristiche funzionali. Sebbene tutti gli strumenti di una classe eseguano le stesse misure essenziali, le capacità richieste possono variare a seconda dell'applicazione. Ad esempio, gli oscilloscopi tendono a essere raggruppati in base alle loro gamme di larghezza di banda, e per la vostra applicazione potrebbe essere necessaria una particolare larghezza di banda.

Automazione del Laboratorio

L’efficienza del laboratorio è tra gli scopi in cima alla lista di ogni progetto di automazione, poiché porta alla riduzione dei costi di processo a tutto beneficio del budget. Basti pensare a un centro di analisi clinica posto in un centro abitato isolato che sceglie di affidarsi a piccoli sistemi di automazione del laboratorio per condurre diversi tipi di analisi su un numero ridotto di campioni biologici giornalieri. La soluzione diminuisce i costi di esternalizzazione e al contempo permette al laboratorio di analisi di ottenere i risultati in un numero di ore inferiore per dare risposte celeri ai pazienti e compatibili con le urgenze.

Inoltre l’automazione in laboratorio riduce i costi perché riduce gli errori umani. Le prove avvengono in tempi precisi (non un secondo in più o meno) e in ambienti più asettici rispetto a quelli dove vi è presenza di operatori umani.

Diagnostica da Remoto

Grazie all’IIoT la diagnostica da remoto ha ampliato enormemente i suoi confini. Si pensi alla possibilità di controllare da una unica sala operativa più impianti di generazione dell’energia. La diagnostica da remoto è applicata anche nelle industrie dove la catena di montaggio è stata del tutto o in parte automatizzata con robot, nastri trasportatori guidati da sensori e mezzi di trasporto a guida autonoma (carrelli autonomi).

Nei laboratori smart la diagnostica da remoto diventa necessaria per monitorare il corretto funzionamento degli strumenti che svolgono compiti in autonomia, ma anche per realizzare laboratori di analisi biologica dall’elevata sicurezza che riducono al minimo la possibilità di fuga di patogeni o la contaminazione.

Sicurezza dei Dati Sanitari e di Ricerca

In un ambiente industriale interconnesso quale può essere una fabbrica connessa in rete (Smart Factory) diventa cruciale evitare l’accesso abusivo e non autorizzato ai sistemi informatici e ai dati di ricerca. Le difese software (firewall, antivirus, ecc.) da sole non bastano, servono difese hardware come processori e memorie protette dai ransomware e da altri tipi di programmi malevoli. Una maggiore sicurezza la si ottiene aggiungendo un firewall hardware all’infrastruttura di rete, allo scopo di monitorare il flusso di dati proveniente dall’esterno per bloccare qualsiasi tentativo di accesso abusivo.

L’IA nella Ricerca di Laboratorio

Cosa può fare l’intelligenza artificiale nella ricerca di laboratorio? Una delle attività più diffuse è quello di mescolare sostanze diverse. Possono essere liquidi tra loro, liquidi con polveri e tutti gli altri tipi di sostanza. L’agitatore è lo strumento tipico per mescolare liquidi più o meno viscosi. Può funzionare in modo meccanico come un frullatore con una vasta scelta di utensili a seconda della densità da mescolare. Oppure esistono strumenti di agitazione che si basano su campi elettromagnetici, più adatti ai liquidi.

Altri Strumenti e Attrezzature di Laboratorio

Oltre agli strumenti specifici, ci sono altre attrezzature essenziali in un laboratorio:

Strumenti per sminuzzare la materia fino a polverizzarla.
Reattori per fare avvenire reazioni determinate dalla natura delle diverse sostanze che interagiscono tra loro. I reattori possono lavorare a diverse temperature oltre che sotto vuoto.
Contenitori per la raccolta e il trattamento delle sostanze.
Pinze e morsetti per manipolare gli strumenti in condizioni ambientali difficili.
Sostegni per gli strumenti.
Microscopi, strumenti con funzioni di forte ingrandimento.
Prodotti destinati alla sicurezza sia degli strumenti che dell’operatore.

Tabella Riassuntiva Strumenti di Laboratorio

Strumento	Funzione Principale
Alimentatore da Banco	Fornitura di energia controllata per test e debug.
Multimetro Digitale	Misurazione di tensione, corrente, resistenza, ecc.
Oscilloscopio	Visualizzazione e analisi di forme d'onda di tensione nel tempo.
Analizzatore di Spettro	Misurazione del contenuto di frequenza di un segnale.
Micropipette	Prelievo e dosaggio di piccoli volumi di liquidi.
Vetreria	Contenimento e conservazione di sostanze.

Sebbene i laboratori di elettronica possano essere molto diversi tra loro, condividono una serie di strumenti di misura di base. I quattro strumenti onnipresenti sono l'alimentatore, il multimetro digitale, l'oscilloscopio e l'analizzatore di spettro. La maggior parte i laboratori disporrà anche di strumenti specifici per le applicazioni, a seconda dell'obiettivo delle loro attività. Tutti questi strumenti sono disponibili in diversi formati (ad esempio da banco, portatili o montati su rack) e sono disponibili in diverse classi prestazionali.