L’alternativa economica a una costosa sonda di conducibilità migliora il design

Dove c'è una volontà
Credito: Università della California – Santa Barbara

L’ingegnere meccanico dell’UC Santa Barbara Paolo Luzzatto-Fegiz era frustrato. Ancora una volta, la punta delicata dello strumento che stava usando per misurare la densità dell’acqua, la sonda di conducibilità, si è rotta, rendendo inutile l’installazione e il suo lavoro in un limbo temporaneo.

Composto da quattro piccoli elettrodi di platino alloggiati in vetro, la punta della sonda era sottile e altamente sensibile, in grado di effettuare misurazioni in piccoli volumi d’acqua. Ma a che serviva uno strumento così preciso se continuava a rompersi?

“Funzionano molto bene”, ha detto Luzzatto-Fegiz, esperto di fluidodinamica. “Ma la cosa difficile è che sono costosi oltre ad essere fragili, quindi finisce per essere piuttosto costoso fare esperimenti complicati in laboratorio”. La fragilità della punta limita anche il tipo di esperimenti che possono essere fatti sul campo, ha aggiunto, per evitare che sbatte contro qualcosa, o che detriti vaganti entrino in contatto con l’estremità in platino e vetro spessa un millimetro.

“Limita anche il tipo di insegnamento che potrebbe essere fatto con esso, ad esempio in oceanografia”, ha detto Luzzatto-Fegiz. “Sarebbe bello inviare un gruppo di studenti universitari nei tuoi laboratori per usare queste cose, ma non puoi ragionevolmente permetterti di farlo.”

Leggermente infastidito e piuttosto riluttante a continuare a spendere le migliaia di dollari che ci vorrebbero per ottenere un’altra configurazione della sonda di conduttività, per non parlare del tempo perso, solo per romperla di nuovo, Luzzatto-Fegiz ha progettato la sua soluzione. L’aumento della cultura dei produttori, in particolare con l’elettronica fai-da-te, ha offerto qualche speranza e ha portato a un dispositivo che avrebbe reso orgoglioso MacGyver.

“Non sono un esperto di elettronica”, ha detto Luzzatto-Fegiz. “Conosco i fluidi, quindi avevo bisogno di connettermi con qualcuno che conoscesse l’elettronica.”

Entra Marco Carminati, un esperto di microelettronica e sensori del Politecnico di Milano, che era anche il migliore amico d’infanzia di Luzzatto-Fegiz. Durante un viaggio nella città natale del professore della University of California, Milano, e utilizzando prodotti disponibili in commercio, i due ingegneri hanno progettato e costruito una sonda di conducibilità che non solo costa una frazione di quella convenzionale, ma raggiunge anche la stessa sensibilità mentre essendo più versatile e abbastanza robusto da resistere a colpi occasionali. Il loro lavoro è evidenziato in un documento intitolato “Sensore di conducibilità dell’acqua multicanale conveniente e ad alta risoluzione”, che appare sulla rivista Sensori e attuatori B: Chimico.

Dove c'è una volontà
Gli elettrodi ravvicinati del Conduino provengono da una presa micro USB ridotta Credito: Sonia Fernandez

La principale sfida di progettazione, l’applicazione dell’elegante punta della sonda con i suoi elettrodi ravvicinati, è stata risolta cannibalizzando l’attrezzatura che molti di noi hanno già nei cassetti delle cianfrusaglie: un connettore micro USB.

“Quello che fai è essenzialmente staccare lo scudo metallico esterno ed esporre questi elettrodi placcati in oro e sono perfetti”, ha detto Luzzatto-Fegiz, accreditando Carminati per l’idea. Denominato “Conduino”, (poiché misura la conduttività ed è basato su Arduino), il dispositivo è modulare e personalizzabile e può anche essere alimentato tramite USB, il che lo rende estremamente portatile. Incorpora inoltre diversi sensori che operano in parallelo, al contrario del singolo sensore del dispositivo disponibile in commercio.

“Puoi fare tutto per un paio di centinaia di dollari nel tuo garage, nel tuo tempo libero”, ha detto Luzzatto-Fegiz. Il design, che include un albero in acciaio inossidabile e una scheda elettronica Arduino controllata da Matlab, è open source, quindi chiunque può realizzarne uno.

“Sebbene il microcontrollore Arduino sia talvolta considerato un giocattolo nella comunità scientifica, è uno strumento fantastico per la prototipazione rapida di un’interfaccia digitale che controlla il circuito analogico ad alta risoluzione su misura sugli elettrodi USB”, ha affermato Carminati. “La sua combinazione con Matlab si adatta perfettamente alla necessità di ritocchi e integrazione con il prezioso codice che controlla esperimenti complessi, comune ai ricercatori nel campo della fluidodinamica e dell’oceanografico”.

Sebbene alcuni esperimenti e operazioni richiedano strumenti convenzionali per le misurazioni più fini e ad alta risoluzione, Conduino raggiunge lo stesso livello di prestazioni dei dispositivi disponibili in commercio per la maggior parte delle applicazioni.

“Per la maggior parte delle aree di applicazione non è necessario ottenere così tanto. Questo è abbastanza piccolo per qualsiasi applicazione che ho incontrato personalmente”, ha detto Luzzatto-Fegiz.

“Il Conduino, se combinato in un pacchetto con piccoli sensori di temperatura e pressione, consentirebbe la misurazione della salinità e della densità dell’acqua nell’oceano da una varietà di piattaforme autonome”, ha affermato l’oceanografo dell’UCSB Libe Washburn. “Ad esempio, i droni aerei potrebbero sorvolare l’oceano e quindi abbassare il pacchetto di sensori per ottenere profili verticali delle proprietà dell’acqua dell’oceano. Il pacchetto potrebbe anche essere montato su veicoli oceanici autonomi per il campionamento in acqua delle proprietà dell’acqua. I colleghi e io stiamo lavorando su questi tipi di droni aerei e veicoli in acqua per la ricerca oceanografica costiera, quindi siamo molto interessati a questo nuovo sensore”.

Inoltre, la Scripps Institution of Oceanography dell’UC San Diego prevede di adottare il Conduino per un corso sulla strumentazione oceanica.


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