di Marco Strazzeri aka Marcosail
Introduzione
Ormai da tempo il progresso tecnologico ha investito inesorabilmente, innovando di continuo, le strumentazioni elettroniche utilizzate per effettuare le misurazioni dei parametri fisici e chimici di composti in ogni stato: liquido, gassoso, solido, colloidale.
Tali tecnologie, rese disponibili a prezzi sempre più popolari, hanno finito per lasciare i locali asettici e super attrezzati dei laboratori per entrare di prepotenza nelle nostre case ed aiutarci a gestire in maniera accurata e scrupolosa i nostri acquari trasformandoci a volte in veri e propri “farmacisti” dell’acquariologia.
Gli strumenti forniscono dati ed i dati vanno interpretati e contestualizzati nell’organicità delle soluzioni (l’acqua delle ns. vasche) oggetto di analisi. “Molti dati, uguale nessun dato” qualche illustre Analista ha asserito…volendo significare che una moltitudine di dati misurati in maniera disomogenea non hanno attendibilità e non consento di delineare con precisione il quadro fisico e chimico della sostanza analizzata.
I dati forniti dagli strumenti elettronici di misura
I dati forniti dagli strumenti elettronici di misura sono appunto informazioni finali rilevate dall’analisi di processi elettronici che lo strumento effettua in automatico. Volendo ricorrere ad una semplice metaforaanalogia, il nostro strumento funziona un po’ come il senso olfattivo dell’essere umano: il naso (sonda) effettua la lettura, il cervello (Chip) elabora il dato), la bocca (display) pronuncia o visualizza il risultato finale.
Al semplice gesto di inserire la sonda nell’acqua, accendere lo strumento ed attendere la visualizzazione del risultato effettivamente si contrappone una complessa e macchinosa procedura automatica che consente di rilevare il dato della misura. Tanto più accurato e prossimo al reale sarà tale dato tanto più accurate dovranno essere le operazioni di manutenzione, taratura e misurazione . Ciò ci fa comprendere quanto importate sia utilizzare un “naso” rappresentato dalla sonda in perfetta efficienza e quanto essenziale sia che la lettura da questa effettuata sia elaborata correttamente dalla “mente” rappresentata dal chip che deve essere accuratamente tarato.
Ci occuperemo quindi della manutenzione ed affidabilità delle sonde utilizzate e delle operazioni essenziali da compiere per tarare correttamente i nostri strumenti e volte adonde ottenere dati che siano i più prossimi possibile alla realtà. Ogni strumento infatti ha dei piccoli margini di errore nelle misurazioni che vengono denominati “tolleranza”; certo insignificanti ma di rilevanza assai diversa se aggiunti ad errori derivanti da tarature approssimative e misurazioni fatte in maniera grossolana.
Ciò introduce due nozioni che utilizzeremo per descrivere la qualità delle nostre misurazioni:
PRECISIONE: Si riferisce al grado di concordanza tra i risultati di letture successive. La precisione è generalmente espressa come deviazione standard (SD).
ACCURATEZZA: Si riferisce alla vicinanza del valore misurato al valore reale.
“Sebbene una buona precisione suggerisca una buona accuratezza, le misure precise possono essere inaccurate”.
Inizieremo quindi il nostro percorso occupandoci della misurazione del ph che è tra i valori più importanti e quelle maggiormente effettuaterilevati in acquariologia, con l’utilizzo di strumenti elettronici.
Struttura di un elettrodo (sonda) ph
Gli elettrodi ph comunemente utilizzati si compongono di una parte deputata alla lettura denominata “semicella o elettrodo singolo ph” a potenziale variabile in relazione all’attività degli idrogenioni H+ in soluzione ed una parte preposta alla comparazione denominata “semicella o elettrodo di riferimento” a potenziale stabile e costante.
Le due semicelle sono ormai assemblate a formare un unico elettrodo che si definisce quindi “Elettrodo combinato” proprio perchè formato da entrambe le semicelle. In tale elettrodo combinato, che tutti conosciamo con il nome generico di “sonda”, l’elettrodo singolo ph è posizionato all’interno dell’elettrodo singolo di riferimento. Cosicché l’elettrolita di riferimento mantenga il costante contatto elettrico con la soluzione campione mediante un setto poroso.
Caratteristiche tecniche degli elettrodi ph
Gli elettrodi (sonde) sono costruiti in materiali differenti. I più comuni in commercio sono quelli costruiti in vetro poiché tale materiale consente pulizia rapida ed accurata nonché l’utilizzo a temperature elevate grazie proprio all’elevatissima temperatura di fusione del vetro. Le sonde che generalmente appaiono costruite in materiale plastico possono effettivamente essere realizzate o in un polimero denominato “Kynar” o in materiale epossidico. Il “Kynar” è un materiale atossico ed è destinato alla costruzione di sonde per uso alimentare grazie proprio alle particolari garanzie di atossicità di tale materiale. Le sonde invece costruite in semplice resina epossidica sono molto resistenti e per questo utilizzate per le misurazioni “in campo”, durante le quali non possono essere trattate con particolare riguardo.
Abbiamo parlato poi del “Setto poroso” o giunzione porosa (detto anche diaframma) che è generalmente costruito in materiale ceramico con diverse tipologie di realizzazione in base all’utilizzo cui gli elettrodi sono destinati.
Altro elemento di spicco nella morfologia della sonda è la forma che ha la sua punta. Ve ne sono di diversa forgia e la scelta è sempre relativa all’utilizzo che se ne desidera fare. Alcune sonde hanno punta sferica e sono generalmente indicate per le misurazioni in soluzioni acquose grazie alla maggiore superficie di contatto che offrono tra la sonda stessa e la soluzione. Vi sono poi sonde con punta conica particolarmente utilizzate nel settore alimentare e per l’esecuzione di misurazioni su prodotti semisolidi o allo stato colloidale (formaggi di ogni tipo o carni in genere). Ancora, vi sono sonde a punta completamente piatta utilizzate in dermatologia per le misurazioni su cute o peli o nell’industria cartaria per le misurazioni del ph su campionature di carta.
Non voglio scendere in ulteriori approfondimenti tecnici relativi alle tipologie di “Giunzioni”; mi limiterò ad indicare che le giunzioni degli elettrodi ph possono essere di tipo singolo, doppio o triplo in base all’utilizzo cui la sonda è destinata. Per chi fosse interessato all’argomento posso indicare dove reperire ulteriori notizie a tal riguardo.
Esaminato la, un breve cenno va dedicato ai vari tipi di connettori che collegano la sonda stessa allo strumento. Sono connettori conformi a standard internazionali e tra questi il connettore tipo BNC (tra i più diffusi) con polo centrale e ghiera girevole con blocco a scatto. Altro connettore, meno diffuso e riservato in generagli strumenti da laboratorio è il connettore tipo DIN che è conforme allo standard USA ed utilizzato nei phmetri destinati al mercato di questi paesi.
Pulizia e manutenzione degli elettrodi ph
Sarà capitato spesso nello scartare un nuovo elettrodo ph di rimuovere il cappuccio protettivo e trovare all’interno del cappuccio una soluzione (di conservazione) e dei depositi salini sulla punta dell’elettrodo. Nulla di più normale! Per la conservazione a lungo termine degli elettrodi si suole stoccarli con la punta immersa in una soluzione salina che la preserva dal deterioramento. I depositi salini che si formano si rimuovono sciacquando l’elettrodo sotto l’acqua corrente del rubinetto.
Durante il periodo di giacenza in magazzino dell’elettrodo e sino alla sua commercializzazione ed utilizzo, possono intercorrere anche diversi mesi. Per tale ragione e specie durante le fasi di trasporto, possono formarsi sulla superficie del bulbo di vetro delle microbolle di aria.
E’ buona norma pertanto, prima di utilizzare una nuova sonda ph o una sonda conservata in maniera adeguata e per lungo tempo, agitarla energicamente così come si fa per abbassare la temperatura di un termometro a mercurio. Così, si potranno eliminare le eventuali microbolle di aria formatesi sulla superficie esterna del bulbo.
La conservazione di una sonda ph effettuata in maniera corretta prevede che la sua punta sia costantemente immersa nella soluzione salina di cui parlavamo prima. Spesso però accade che per trascuratezza, la sonda venga abbandonata così come estratta dalla vasca o al più dopo essere stata sciacquata brevemente sotto acqua corrente e poi depositata in un cassetto. Il bulbo e la giunzione non devono MAI RESTARE ASCIUTTI a pena di danneggiare gravemente l’elettrodo sino a renderlo inutilizzabile. Tuttavia, sonde conservate senza precauzione e lasciate asciutte possono essere riattivate immergendole almeno per tutta la notte (qualcuno dice anche un’ora) nella soluzione salina di stoccaggio per poi ripetere le procedure descritte in precedenza. Mi sembra il caso tuttavia di evidenziare che è assolutamente SCONSIGLIATO conservare l’elettrodo in acqua distillata. Per la conservazione dell’elettrodo, una volta pulito, sarà sufficiente inserire alcune gocce di soluzione di stoccaggio all’interno del suo cappuccio che, si badi, va sempre conservato con cura!
Vi sono in commercio ad un costo senza dubbio più elevato, destinati ad usi professionali di laboratorio, elettrodi ricaricabili. In tali elettrodi vi è infatti la possibilità di reintegrare o sostituire, se necessario, la soluzione elettrolita. Quando questa infatti, consumadosi, scende a circa 1 cm al disotto del foro del foro per il suo riempimento, andrà necessariamente rabboccata. Tale operazione andrà effettuata con l’ausilio di una siringa o di una pipetta da laboratorio riempita con la soluzione indicata dal costruttore e specifica per elettrodi con “doppia giunzione”. Qualora ci si accorgesse che la soluzione interna è inquinata e/o sono visibili particelle in sospensione, la soluzione andrà sostituita nel modo che segue. Si provvederà a svuotare l’elettrodo della vecchia soluzione con una siringa, si sciacquerà l’interno dell’elettrodo con un po’ di soluzione nuova e poi lo si riempirà nuovamente sino al livello del foro di riempimento avendo cura che non si formino bolle d’aria al suo interno. L’elettrodo così trattato, prima di essere nuovamente utilizzato per effettuare misurazioni, andrà immerso in soluzione di conservazione per almeno 24 ore e poi nuovamente tarato utilizzando soluzioni buffer fresche e di ottima qualità; meglio se certificate e con data di scadenza lontana.
Per effettuare misure accurate del ph utilizzando elettrodi con strumenti elettronici, dopo esserci assicurati della taratura perfetta e dell’ottimo funzionamento dell’apparecchio, sarà opportuno sciacquare bene il bulbo sensibile con acqua distillata (meglio se bidistillata), immergerlo per almeno 4 cm in un beaker con la soluzione da misurare, agitarlo delicatamente per almeno 30 secondi avendo cura di non far urtare la punta dell’elettrodo contro le pareti del contenitore per non danneggiarlo, ammaccarlo o graffiarlo. Per misure particolarmente accurate sarà necessario, dopo aver sciacquato la sonda in acqua bidistillata, “avviare” la sonda sciacquando dapprima il bulbo con un po’ di soluzione da esaminare e poi procedendo come sopra per eseguire la misura.
Per garantire lunga vita alle nostre sonde è consigliabile pulire l’elettrodo quando non lo si usa da diverso tempo o le sue misurazioni sembrano essere non affidabili o la risposta è lenta. Ciò è consigliabile fare specie se l’elettrodo è costantemente immerso nella vasca dove, depositi proteici o algheari, possono comprometterne il corretto ed affidabile funzionamento. Vi sono in commercio diverse soluzioni per la pulizia degli elettrodi ph da scegliere in base alle esigenze ed in relazione alle sostanze che vengono sottoposte a misura. E’ quindi necessario scegliere una corretta soluzione di pulizia entro la quale l’elettrodo andrà immerso almeno per 2 ore prima di procedere con le operazioni di taratura e riutilizzo.
Qualora dopo aver effettuato tutte le operazioni di pulizia descritte ovvero la riattivazione e l’eventuale rabbocco/sostituzione della soluzione di riempimento permangano ancora difficoltà nella taratura o l’inaffidabilità delle misurazioni, sarà necessario controllare visivamente il bulbo della sonda che se lesionato o graffiato renderà necessaria la sostituzione dell’intera sonda.
La sonda dovrà essere sostituita anche se le operazioni di riattivazione con la soluzione salina di stoccaggio precedentemente descritte non avessero sortito alcun effetto.
Tuttavia prima di buttare nella pattumiera la sonda è sempre opportuno accertare la perfetta pulizia dei connettori sonda/strumento. Se incrostati, pulirli con cura utilizzando prodotti per la pulizia dei contatti elettronici in vendita nei negozi specializzati. In caso contrario, sarà necessario rassegnarsi alla sostituzione.
Ultimo consiglio è quello di accertarsi sempre della perfetta carica delle batterie dello strumento prima di compiere qualsiasi tipo di operazione!!!
Durata e calibrazione delle sonde, affidabilità delle misure ph
Si ritiene spesso, erroneamente, che le gli oggetti costosi come gli elettrodi ph abbiano vita eterna o possano essere inseriti nel nostro testamento…così non è!!!
Mediamente la vita di un elettrodo ph di buona qualità varia da un minimo di 2 anni ad un massimo di 4 anni sempre che venga mantenuto in perfetta efficienza, conservato adeguatamente, pulito e calibrato con frequenza. Contrariamente, occorrerà acquistare un nuovo elettrodo anche ogni 6 mesi.
La calibrazione di un elettrodo ph è correlata all’uso che se ne fa, al grado di precisione desiderato, al tipo di sostanze oggetto di misurazione. La necessità di ricalibrare sarà quindi relativa al tipo di impiego dello strumento. Nei laboratori “seri”, si usa pulire e calibrare gli elettrodi anche ogni giorno e specie se si effettuano misure a catena e/o in sostanze con valori ph molto diversi tra loro. Tuttavia credo che nel settore acquariologico, sia sufficiente calibrare gli elettrodi anche ogni 15 giorni; sicuramente quando i valori non sono stabili o appaiono inattendibili.
Per calibrare gli strumenti ph si utilizzando soluzioni buffer a valore standard. Per tarare correttamente gli elettrodi è necessario scegliere soluzioni buffer con ph abbastanza prossimo a quello che riteniamo trovare durante le nostre misurazioni. Ciò perché il setting dello strumento consente di avere misure tanto più accurate quanto più prossime al valore della soluzione buffer utilizzata per la taratura. In buona sostanza, se nelle nostre vasche sappiamo esserci un ph tendenzialmente compreso tre 6 e 7, sarà opportuno tarare il phmetro con soluzione buffer da 7,01 o se possibile effettuare la taratura su due punti, utilizzando a tal fine le soluzioni buffer con valore ph 7,01 e ph 4,01. Ciò consentirà di approssimare il più possibile la taratura dello strumento al valore che troverà nella soluzione da misurare ovvero nell’acqua della nostra vasca. Parimenti, se ci troveremo ad effettuare misurazioni del valore ph in soluzioni che sappiamo possano avere una valore molto alcalino e quindi lontano dal ph 7, tareremo lo strumento su un solo punto utilizzando la soluzione buffer a ph 10,01. Ridurremo così l’errore proprio dello strumento poiché il valore trovato sarà molto prossimo al valore di taratura. In altre parole, più ci si allontana dal valore “punto” di taratura è maggiore sarà l’approssimazione della misura.
Sonde per misurazione del potenziale redox
Non danno grandi problemi di utilizzo e taratura le sonde per la misurazione del potenziale di ossidoriduzione. Anche queste vanno mantenute e conservate in modo adeguato così come illustrato per le sonde ph. Le sonde redox sono soggette soltanto minimamente al decadimento delle prestazioni e delle loro caratteristiche. Sarà comunque opportuno verificarne periodicamente il corretto funzionamento effettuando una misurazione (ed eventuale taratura) in soluzione a valore redox prefissato. Tanto specie per quelle sonde utilizzate in abbinamento a dispositivi redoxcontroller interfacciati ai denitratori.
Misurazione del valore di conducibilità
La conducibilità di una soluzione viene misurata utilizzando uno strumento denominato conduttivimetro. Tutti conosciamo l’importanza e la definizione di tale valore, pertanto sorvolerò su tali nozioni. Effettivamente, la misurazione di tale valore è fortemente influenzata dalla temperatura della soluzione esaminata. Proprio per tale ragione la maggior parte dei conduttivimetri per uso acquaristico e la totalità di quelli da laboratorio, sono dotati di sistemi di compensazione automatica della temperatura. Tuttavia è necessario soffermarsi sulle modalità di esecuzione di tale misura, sulla taratura della sonda, sulla sua manutenzione.
La misurazione del valore di conduttività non andrebbe fatto direttamente in vasca, bensì prelevando un campione d’acqua da misurare utilizzando preferibilmente un beaker in vetro, in pirex, in duran o in plasticaccia, ovvero in materiale inerte.
Immergere quindi la sonda nel beaker ed attendere almeno 5 minuti se la temperatura ambiente (… quindi della sonda) e la temperatura della soluzione si crede possano differire di più di 5 °C. Questo per consentire allo strumento di attivare efficacemente il dispositivo di cui è dotato e compensare automaticamente la temperatura. Attendere sempre che il valore si stabilizzi avendo cura che attorno alla soda non si formino piccole bolle d’aria durante la sua immersione nella soluzione campionata. Per eliminarle sarà sufficiente battere con delicatezza la sonda sulle pareti del beaker e verificare l’uscita dell’aria; operazione questa da compiere sempre e comunque in via cautelare per essere certi di ottenere dati precisi.
La sonda non necessita di particolare manutenzione avendo tuttavia cura di non graffiarla o danneggiarla durante le operazioni di pulizia o di rimozione dei detriti più tenaci in caso di immersione continua in soluzioni aggressive.
Anche per la taratura della sonda del conduttivimetro valgono le considerazione fatte per le operazioni analoghe per le sonde ph. Si dovrà scegliere una soluzione di taratura che sia il più prossima possibile ai valori che ci aspettiamo di dover misurare.
Spesso i conduttivimetri usati in acquariologia vengono tarati con soluzione a 1413 microsiemens a 25°. Il mio conduttivimetro da laboratorio riportato in foto, lo taro con una soluzione a 84 microsiemens a 25 °C. 
Ciò perché è la più prossima ai valori che generalmente troviamo in vasca o nell’acqua che trattiamo. E’ da dire che tali sonde non sono soggette a decadimento delle prestazioni tranne se non danneggiate meccanicamente, graffiate o eccessivamente sporche. La calibrazione del conduttivimetro andrà effettuata in caso di sostituzione della sonda, di misure in serie effettuate in soluzioni con valori di cond. molto diversi tra loro ed avendo cura di sciacquarla bene prima in acqua bidistillata per rimuovere sedimenti e depositi della misurazione precedente, asciugarla con un panno morbido e non abrasivo e procedere poi con le operazioni di taratura.
Il mio conduttivimetro
HANNA INSTRUMENTS HI 9033
La misurazione della temperatura in vasca: Strumenti a confronto
La temperatura della vasca rappresenta uno dei parametri fondamentali da curare per l’allevamento dei pesci ed in particolare per il discus. Anche in questo caso è importante ottenere misurazioni accurate ed affidabili.
Come è noto è pressoché impossibile avere una temperatura perfettamente omogenea dell’acqua a causa di quel fenomeno ben conosciuto come stratificazione che fa spostare verso l’alto gli strati più cadi di acqua e verso il basso quelli più freddi. La misura della temperatura sarà quindi influenzata anche dalla “quota” che viene campionata sebbene i valori di differente riscaldamento dell’acqua possano essere considerati irrilevanti nella gestione della nostra vasca.
Tuttavia, tali considerazioni, assumono rilevanza nel giustificare il perché sia sconsigliato l’utilizzo di termometri ad infrarossi per la misurazione (accurata) della temperatura in un acquario. Tali strumenti, per le peculiarità di funzionamento che vedremo più innanzi, tendono a misurare la temperatura dello strato limite dell’acqua, che viene a contatto col fascio di infrarossi, ed è soggetto al continuo riscaldamento per irraggiamento ed in parte convezione esercitato dall’illuminazione.
Tanto maggiore sarà la potenza (watt) dell’illuminazione, tanto più apprezzabile sarà tale fenomeno e parimenti imprecisa sarà la misura effettuata con i termometri digitali ad infrarossi.
Per l’utilizzo in vasca sono da preferire i termometri tradizionale ad alcool oppure quelli in opale. Per chi invece appressasse anche in questo campo l’utilizzo di apparecchiature elettroniche non ha che l’imbarazzo della scelta.
E’ da dire che i termometri a termistore offrono maggiori garanzie di accuratezza e precisione nella misurazione. Ormai, nella pratica di laboratorio i termometri classici sono pressoché spariti o utilizzati per usi assai particolari.
Tra i vari termometri a termistore in commercio, ho acquistato un termometro dotato di sonda separata in metallo e di lunghezza pari a 20 cm circa proprio per evitare che le misure effettuate, siano viziate da
quel fenomeno di stratificazione dell’acqua di cui si accennava prima. In tal modo la sonda riesce a campionare una buona porzione d’acqua rendendo il risultato più accurato.
In foto ho riportato il termometro di precisione che posseggo al fine di meglio indicare la sonda metallica idonea all’utilizzo in acquariologia.
Misure eseguite con termometri a raggi infrarossi
Tra gli ultimi ritrovati della tecnologia metristica annoveriamo i termometri a raggi infrarossi. Tali apparecchi, dalla grande flessibilità e praticità, consentono misure molto rapide con la particolarità di essere effettuate a distanza o senza contatto con il campione sottoposto a misurazione.
Ciò consente di utilizzarli in tutti quegli impieghi che non consentono o sconsigliano il contatto tra campione e sonda come ad esempio negli usi industriali per controllare la temperatura di ingranaggi meccanici in movimento, per misurare la temperatura di quadri elettrici ad alta tensione, per monitorare gli alimenti durante i controlli effettuati nella “catena del freddo” o in fase di produzione.
Tale misure vengono sostanzialmente effettuate con l’emissione di un fascio circolare di raggi infrarossi sul campione da testare. La distanza corretta di misurazione è determinata da un coefficiente ottico che è dato dal rapporto tra la distanza del sensore e il diametro della superficie di cui il termometro misura la temperatura media. In genere, negli strumenti comunemente utilizzati tale rapporto è di 3:1 ovvero che una misurazione effettuata a 15 cm dal campione indica la temperatura media della circonferenza centrata nel punto mirato ed avente raggio pari ad 1/3 della distanza cioè 5 cm. Per ottenere maggiore precisione sarà necessario avvicinarsi con il termometro al campione, sino a raggiungere la distanza minima consentita ed indicata dal costruttore: in genere 3 cm.
La precisione delle misurazioni dipende dal “coefficiente di emissività” dallo strumento che deve essere adeguato al materiale di cui è costituito il campione esaminando. Le superfici particolarmente riflettenti o trasparenti, non possono essere testate con questo tipo di apparecchi se non previa adozione di particolare accorgimenti consistenti nel ricoprire la superficie campionata con adesivo scuro…soluzione improponibile in acquariologia!!!
Qualora si potesse tuttavia ovviare a tale difficoltà, permangono le valutazioni di opportunità di utilizzare questo tipo di strumenti in relazione ai fenomeni di stratificazione della temperatura dell’acqua. Si immagini a quanto importante sia questo fenomeno in quelle vasche (ad es. reef) che contano su una potenza di illuminazione anche di 1000 watt su una superficie di poco superiore ad 1,5 mq e prodotta da incandescenti lampade ad alogenuri metallici Hqi…assolutamente improponibile!!!
Spero di aver contribuito, con questo mio lavoro, a chiarire alcuni dubbi frequenti sull’uso, la manutenzione e le operazioni di misura dei valori in acquario.
Marco Strazzeri
L’articolo è stato pubblicato sul numero 3/2007 della rivista Reefitalia Magazine:
Effettivamente è da dire che le ingenerose dimensioni del display e la possibilità di visualizzazione dei dati su solo 2 righe, non agevolano certo le operazioni di programmazione anche in considerazione della scarsa maneggevolezza del dispositivo al quale sono innestate le interfacce delle sonde che lo rendono ancor meno maneggevole.
