Bilancia Analitica : come funziona, come si usa, quali sono le migliori

Pubblicato il: 05/11/2018 19:45:24
Bilance e Sistemi per Pesare

Bilance analitiche: dove e come si utilizzano

Ci sono contesti in cui la precisione è determinante per ottenere risultati e fare un buon lavoro. Nei laboratori chimici o farmaceutici, ad esempio, si utilizzano strumenti che garantiscono alti livelli di accuratezza.  Tra questi ci sono le bilance analitiche, studiate appositamente per garantire un altissimo tasso di precisione. La loro sensibilità varia da 0,1 mg a 0,01 mg. Tenendo conto che le comuni bilance tecniche di precisione arrivano ad una sensibilità di un milligrammi, si può comprendere come le bilance analitiche siano strumenti particolarmente raffinati.

Una bilancia può definirsi "analitica" se garantisce una sensibilità e risoluzione di lettura con 4 o 5 cifre decimali . Detto in unità di misura deve offrire una lettura di 0.1 mg (decimo di milligrammo ) o 0.01 mg ( centesimo di milligrammo ). Per convenzione infatti tutte le bilance fino a 1 mg ( 0.001 gr ) quindi con 3 cifre decimali sono definite "di precisione". Una bilancia analitica per definizione, è utilizzata per pesate di piccole quantità e pertanto la portata massima di questa tipologia di bilance è limitata : si va da 80 grammi fino ad un massimo di 510 grammi. Tutte le tipologie e modelli sono sempre dotate della cosiddetta gabbietta antivento o paravento.

Si tratta di bilance in grado di rilevare la minima oscillazione di peso e quindi il più piccolo disturbo o vibrazione durante l’operazione di pesatura potrebbe comprometterne il risultato. Inoltre le sostanze che vengono pesate con le bilance analitiche sono spesso molto voltatili. Per questo tali strumenti sono dotati sempre di celle con sportelli scorrevoli che isolano il piatto di pesata dall’ambiente esterno e hanno alla base dei piedini di livellamento regolabili.

La funzione del paravento è sopratutto quella di creare una camera climatica adeguata per mantenere costante la temperatura che influenza notevolmente i risultati delle pesate analitiche. Va tenuto chiuso ed aperto il minimo indispensabile. Valutare quindi come sia fatta la gabbietta antivento non è fattore secondario in un laboratorio : ci riferiamo alle dimensioni ed alla possibilità di essere aperta su tre lati.

Le bilance analitiche sono disegnate per la pesatura di oggetti di piccole e piccolissime dimensioni o di esigue quantità di sostanze e offrono una lettura oltre i tre decimali, quindi molto più accurata delle semplici bilance di precisione. Queste caratteristiche le rendono adatte non solo per i laboratori ma anche per tutti i cicli produttivi che richiedono un alto grado di accuratezza nella determinazione del peso.

Bilancia analitica Sartorius 5 cifre decimali

Le funzionalità 

Le bilance analitiche hanno molte e diverse funzioni caratteristiche. Ad esempio possono essere dotate di funzione contapezzi che si rivela molto utile nei laboratori farmaceutici per pesare e contare le pillole. Una bilancia analitica può essere dotata anche di dispositivo per la pesatura dinamica, indispensabile per pesare campioni di materiali poco stabili come i liquidi, i piccoli animali o gli insetti.

La pesatura percentuale, invece, è molto utilizzata nei laboratori chimici e farmaceutici.Infine la funzione di accumulazione che permette di pesare quantità di materiali più ingenti un po’ alla volta, senza dover riversare tutto sul piatto e aggirando così il limite della bassa capacità della bilancia.

Per quanto riguarda gli accessori che possono essere venduti insieme alla bilancia analitica, molto diffusi sono i kit per la densità che sono utilizzati nei laboratori per fare particolari misurazioni delle densità e della forza di gravità. Anche le interfacce USB e RS-232 sono molto utili per inviare i dati ai dispositivi che li devono elaborare e immagazzinare.

Bilance analitiche da laboratorio 

Le bilance analitiche utilizzate nei laboratori farmaceutici o biochimici oltre a rispettare alti standard di accuratezza e affidabilità, devono essere conformi ai requisiti legali e ai parametri regolamentari che sussistono in ciascun Paese.

Solitamente le approvazioni e i sigilli vengono rilasciati dagli appositi istituti di metrologia e spesso si differenziano da Paese a Paese. Ad esempio l’approvazione EC-Type ( CE del tipo in Italia ) è il requisito legale essenziale per le bilance commerciali in Europa.

Tra i criteri fondamentali per la valutazione di una bilancia analitica c’è la classe di precisione, che ne determina l’accuratezza.

Oltre a questi parametri le GLP e la ISO sono certificazioni indispensabili per le bilance analitiche soprattutto nei laboratori. Queste linee guida sono garanzia di qualità e di procedure rigorose che portano a risultati affidabili e tracciabili.

Per scegliere la giusta bilancia per un laboratorio non si può prescindere da questi standard e dalle approvazioni da ottenere per adempiere gli obblighi di legge.

Una bilancia analitica da laboratorio, inoltre, dovrà essere di alta qualità, sia nei materiali che nella cura dei dettagli. Per esempio un piatto di acciaio inossidabile assicura facilità di pulitura per evitare che restino residui che compromettano il risultato della pesatura successiva.

È importante anche verificare che la bilancia abbia la capacità appropriata alla tipologia di materiali che si trattano nel laboratorio. La protezione per i sovraccarichi garantisce che non si vada oltre la capacità della bilancia e, quindi, assicura che i rischi di danneggiamento siano ridotti e che lo strumento abbia una maggiore longevità. 

La bilancia analitica nei laboratori forensi

Le bilance analitiche sono ottimi alleati anche per le indagini che si svolgono nei laboratori forensi. Le scienze forensi comprendono chimica, fisica, biologia e studiano una grande varietà di crimini che possono richiedere diverse tipologie di approfondimenti.

In questi contesti è fondamentale avere a disposizione strumenti estremamente precisi ed avanzati. Nei laboratori forensi le bilance analitiche hanno un proprio spazio dedicato dove possono essere utilizzate in condizioni ottimali senza bisogno di dover essere spostate.

La precisione e la sensibilità sono parametri fondamentali per valutare una buona bilancia che possa essere utilizzata in questa tipologia di indagini: capita, infatti, che i campioni da analizzare siano molto piccoli e determinare il loro peso significa stabilire se possono essere sfruttati o meno per raccogliere informazioni.

Spesso le bilance analitiche nei laboratori forensi vengono utilizzate per misurare le componenti che reagiscono con i fluidi corporei, con i combustibili o che altre sostanze particolarmente difficili da individuare ad occhio nudo.

Anche la misurazione della densità è un’operazione frequente perché permette di verificare la composizione di alcune sostanze o determinare se due campioni provengono dalla stessa fonte.

Come utilizzare al meglio una bilancia analitica

Le bilance analitiche sono molto sensibili a qualsiasi variazione e, quindi, dovrebbero essere utilizzate in stanze dedicate con il minor numero di interferenze possibili.

Si tratta di bilance che devono essere controllate e ricalibrate molto spesso. La calibrazione può avvenire anche con sistemi integrati nella bilancia stessa e, quindi, essere molto più veloce rispetto a quella manuale. 

Per utilizzare al meglio una bilancia analitica il primo passo da fare è leggere il manuale di istruzioni accluso. Ogni marca e modello, infatti, ha sue proprie caratteristiche che è importante conoscere prima di mettere in funzione la bilancia.

Il secondo step, come abbiamo visto, è assicurarsi di ridurre al minimo la possibilità di errore causata da agenti esterni. Dunque porre la bilancia su una superficie solida e stabile, lontana dalla luce solare diretta e al riparo da qualsiasi forma di vibrazione o di corrente d’aria. Per stabilizzare al meglio la bilancia si possono regolare i piedini e servirsi di una superficie anti-vibrazioni. Appositi tavoli di pesatura antivibrazioni sono disponibili per la vendita e garantiscono performance eccellenti. È importante assicurarsi che la bilancia sia stabile verificando la bolla di bilanciamento sulla bilancia stessa che dovrà trovarsi al centro dell’indicatore.

Anche la temperatura nella stanza in cui si utilizza la bilancia dovrà essere tenuta il più possibile stabile. Alcune sostanze, infatti, possono risentire delle variazioni di temperatura e questo può influire negativamente sull’attendibilità del valore del peso misurato. 

Per garantirci risultati di pesata affidabili e ripetibili quando usiamo un'analitica vi sono diversi fattori da considerare :

  1. area di installazione della bilancia : dove fisicamente la bilancia è collocata. Si devono prevedere prese di corrente dedicate alla sola bilancia, verificare che non ci siano correnti d'aria, accertarsi che non vi siano vibrazioni e prevedere un apposito tavolo antivibrazioni.
  2. condizioni ambientali : temperatura, umidità, luce ed areazione dei locali influenzano fortemente le pesate analitiche. Esistono già elenchi di best practice facilmente reperibili online che offrono adeguati consigli in merito. Si tenga poi conto che su ogni manuale d'uso vengono ripetute tutte le raccomandazioni per ottenere sempre prestazioni eccellenti.

Come scegliere una bilancia analitica

Per gli aspetti costruttivi consigliamo di verificare le seguenti caratteristiche :

  1. presenza della funzione auto-calibrazione : la funzione di autocalibrazione, gestibile semplicemente da tastiera, consente di regolare la bilancia anche se non si dispone di appositi pesi campione.
  2. Omologazione o Taratura : su alcuni modelli è possibile richiedere entrambi i servizi per altre solo la Taratura Accreditata. 
  3. gestione dati di pesata secondo Protocollo ISO/GLP : le analitiche di questo tipo forniscono valori di pesata, data e ora certificata, sia che siano collegate ad una stampante sia che i dati vengano archiviati nello spazio di memoria della bilancia.
  4. interfaccia dati : la presenza di uscita dati è ormai diffusa quasi al 100% ma è opportuno accertarsi che sia possibile richiedere il tipo di interfaccia tra quelli disponibili : RS232 , RS485, RETE LAN - ETHERNET, WIFI, USB, BLUETOOTH. In alcune applicazioni è poi richiesto di gestire dalla bilancia l'attivazione / disattivazione di relè, spie, valvole, comandi elettrici in generale.
  5. funzioni speciali : gestione di varie miscele con sommatoria pesate di singoli componenti, conteggio pezzi, determinazione % , pesate con tolleranze predefinite, pesate di animali vivi, commutazione automatica in diverse unità di misura, memoria interna per diverse miscele con funzione guidata di ricalcolo in caso di maggiori o minori quantità. Calibrazione pipette e funzione di statistica.

Pesata Minima : Poiché più è piccolo il peso da rilevare più grande sarà l'incertezza di misura in molti processi è necessario integrare la taratura certificata con il certificato di "pesata minima". Sostanzialmente con appositi test svolti in laboratorio si vanno a certificare le diverse tolleranza della bilancia in base a piccolissimi carichi. Con i risultati ottenuti sarà più semplice per il Cliente stabilire da quale pesata minima partire per rientrare nelle tolleranze e nelle soglie di accettabilità definite. Insieme ai nostri partner siamo in grado di offrire questo tipo di certificazione che di norma è necessaria tra la documentazione di qualità nei sistemi di gestione certificati ISO. 

Calibrare le bilance analitiche e mantenerne la precisione

Mantenere e controllare la precisione delle bilance è una delle maggiori preoccupazioni nella routine di un laboratorio e, naturalmente, sono necessari tempo e denaro per riuscire in questo compito. Tuttavia, esiste un metodo di lavoro che risolve automaticamente questi problemi. Questo è possibile grazie ad una funzionalità esistente su alcuni modelli di bilance analitiche e di precisione : stiamo parlando dei modelli auto-calibranti con peso motorizzato INTERNO .

Calibrazione o Taratura ?

Chiariamo innanzitutto la differenza tra calibrazione e taratura , che non vanno confusi. Riprendiamo il concetto da WIKIPEDIA  : 

  • la taratura è un'operazione che permette di definire le caratteristiche metrologiche di uno strumento, allo scopo di definirne la precisione;
  • la calibrazione ha come obiettivo quello di rendere lo strumento più accurato e spesso, conseguentemente, migliorarne la precisione (in particolare nella strumentazione a lettura diretta).

In altre parole, la prima fa una “fotografia” dello strumento, la seconda cerca di migliorarne le caratteristiche. Facciamo un esempio:

  • la taratura di una bilancia permette, in seguito all'analisi del relativo rapporto, di capire con quale incertezza le sue misure sono attendibili;
  • la calibrazione di una bilancia permette di ridurre gli errori d'accuratezza, e conseguentemente migliorare la sua incertezza strumentale.

Anche se le due operazioni perseguono scopi differenti, di fatto sono strettamente correlate. Questo sia perché nell'esecuzione pratica si assomigliano, sia perché nella corretta gestione della strumentazione, si integrano.

I risultati di una pesata analitica e la gravità - Il fattore "g"

I risultati della pesata sono influenzati dalle variabili ambientali, come i cambiamenti di temperatura, l'usura naturale e le differenze nella forza di gravità (Fattore g). Il fattore g è principalmente influenzato dall'altitudine e dalla latitudine in cui è stata installata la strumentazione.

Il peso di un prodotto è lo stesso ovunque ? Non proprio. Questo è spiegato dal cosiddetto fattore g.

La Terra esercita una forza sui corpi presenti sulla sua superficie ed è come attratta dal suo centro. È la vecchia e nota gravità . Tuttavia, è legato alla distanza tra i corpi e il centro della Terra. Più è alto un corpo, più lontano dal centro della terra e quindi meno attratto sarà. La forza esercitata su un corpo che si trova nella città di Fiumicino ( 1 mt sul livello del mare )  è diversa da quella esistente a Potenza che si trova a 819 metri di altitudine.

Le bilance elettroniche funzionano secondo il principio gravimetrico; cioè, il numero che mostrano è dovuto alla massa depositata su di esso, che è soggetta all'influenza dell'accelerazione di gravità, simboleggiata da "g". Questo fattore varia in base alla latitudine e all'altitudine di una località.

Maggiore è la precisione della bilancia, maggiore è l'influenza percepita sul risultato. In altre parole, più lo strumento è sensibile, più visibile è l'influenza del fattore g sulla lettura di una pesatura.

Nel seguente link è possibile calcolare l'accelerazione locale di gravità.

Calibrazione Automatica : che cos'è 

Spesso si acquista una bilancia analitica calibrata in Fabbrica , dal produttore e spedita all'utilizzatore finale. Si raccomanda di verificare che la differenza del fattore g tra il sito di calibrazione e la regione di utilizzo non interferisca con il processo di pesatura. Ad esempio, per una massa di 1000 g, la differenza in peso in alcuni casi sarebbe di -0,04 g. Se questo valore influenza il processo in cui verrà utilizzata la bilancia, è necessario eseguire una rettifica / regolazione.

Nel caso di una nuova bilancia,  la forza di gravità sarà molto probabilmente diversa da quella in cui l'apparecchiatura è stata fabbricata e regolata. Pertanto, affinché una bilancia pesare correttamente, deve essere regolata sul sito di installazione, ma questo problema può essere facilmente risolto. È qui che entra in gioco la calibrazione interna automatica.

Conosciuta come calibrazione interna, regolazione interna, regolazione automatica interna o anche calibrazione automatica, questa funzione regola automaticamente la bilancia senza bisogno di pesi esterni.

Con questa funzione, il sistema di pesatura garantisce la riduzione della frequenza dei test con pesi esterni, cioè le calibrazioni e le tarature che possono essere eseguite in periodi più lunghi.

Come funziona?

Il sistema ha dei sensori di temperatura e pesi interni. Quando la bilancia identifica un cambiamento significativo della temperatura ambiente fino al punto in cui influisce sulla precisione di pesata, indica sul display dell'apparecchiatura la necessità di una regolazione interna. A questo punto, l'operatore accetta la condizione di regolazione tramite la pressione di un tasto ( AUTO-CAL ). La bilancia quindi attiva i pesi interni in modo da compensare la differenza percepita. C'è anche la possibilità per l'operatore di attivare questo sistema quando lo desidera. L'intero processo è fatto in pochi secondi. Nel caso della bilancia analitica KERN ALJ ad esempio la regolazione automatica si attiva in presenza di sbalzi termici di più-meno 1,2 °C oppure ogni 3 ore. Per la SARTORIUS ENTRIS224i-1S invece  si trova un interruttore con un peso di regolazione interno. Il peso di regolazione viene posizionato e scaricato con un servomotore. Si attiva con la semplice pressione di 2 tasti in sequenza.

Quali sono i vantaggi della regolazione interna automatica

Tempo, precisione e riduzione dei costi.

Nel lavoro quotidiano del laboratorio, questa ottimizzazione apporta guadagni significativi, a cominciare dal fatto di non aver bisogno della presenza di un tecnico per effettuare la regolazione a causa del fattore g. Basta montare, livellare, attendere il tempo di riscaldamento, attivare la regolazione interna motorizzata e la bilancia autocalibrante sarà pronta per l'uso. Ciò si traduce in un risparmio di tempo e denaro. Lo stesso accade quando la bilancia viene spostata in un'altra posizione.

Anche considerando che la calibrazione con pesi esterni deve essere comunque eseguita periodicamente, la praticità di questa funzionalità è innegabile. 

Si consideri che la procedura di calibrazione "manuale" di una bilancia digitale richiede tra 4 e 6 minuti contro 1 minuto o meno della versione "automatica".

Inoltre, la probabilità di manutenzione diminuirà e il costo e il tempo della manutenzione esterna saranno ridotti. È anche importante rafforzare la sicurezza di un sistema che identifica il cambiamento della temperatura ambiente, che è una delle cause principali degli errori di pesatura, che garantisce le migliori prestazioni e affidabilità delle misurazioni effettuate.

Le migliori bilance analitiche

Tra le soluzioni migliori per il laboratorio c’è sicuramente la Bilancia analitica Kern ABS / ABJ: è dotata di sistema di pesata avanzato a cella di carico denominato Single-Cell, il tempo di stabilizzazione è ridotto, con soli 3 secondi in condizioni di laboratorio si riescono ad ottenere valori di pesata stabili. 

Tra i modelli "premium va senz'altro segnalata la bilancia analitica KERN LS / ALJ che è una semi-micro con sensibilità a 5 decimali 0.01 mg. Due nuovi accessori che possono fare la differenza in laboratorio : ionizzatore integrato che consiste nel sostituire la parete posteriore della gabbietta antivento. Non è più necessario quindi acquistare uno ionizzatore a parte e la funzionalità è attivabile con un click sulla tastiera. Infine il nuovo modulo elettronico utile per eliminare l’influsso negativo del calore sui risultati di misurazione. Grazie a questo accessorio il sistema elettronico di pesata  e quello di alimentazione elettrica sono separati dalla bilancia e installati in un modulo elettronico a parte.

Vediamo infine come è fatta una bilancia analitica economica, prendendo ad esempio il modello KERN ADB

kern ADB legenda

1- Gabbietta antivento in vetro
2- Interfaccia RS232
3- Piatto bilancia
4- Bolla di Livello
5- Display
6- Tastiera e menu funzioni
7- Piedino con vite regolabile
8- Presa sportello laterale della gabbietta antivento
9- Presa per alimentatore di rete

Sono tante quindi le valutazioni da fare prima dell'acquisto o per meglio comprendere la dinamica dei prezzi di questa tipologia di strumenti che può variare notevolmente . Si va infatti dai 620 euro fino ai 6.500.

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