Principios de análisis instrumental

que se realizan en el curso de una síntesis química o la compara– ción de color para determinar el contenido de cloro en el agua de una alberca. Para ambos ejemplos, la seii.al es grande respecto al ruido y los requisitos para la precisión y la exactitud son mínimos. Cuando se requiere mayor precisión y exactitud, la relación seii.al ! ruido se vuelve a menudo el factor limitante en la precisión de una medida. Se dispone de software y hardware para mejorar la relación seii.al/ruido de un método instrumental. La reducción de ruido por el hardware se lleva a cabo incorporando en su diseii.o com– ponentes como filtros, troceadores o cortadores, blindaje, modu– ladores y detectores sincrónicos. Estos dispositivos eliminan o atenúan el ruido sin afectar la seii.al analítica en forma significa– tiva. Los métodos de software se basan en varios algoritmos de computadora que permiten extraer seii.ales a partir de datos con ruido. Como mínimo, los métodos de este tipo requieren pro– gramas suficientes para condicionar la seüal de salida del ins– trumento y convertirla de analógica en digital. Por lo común los datos se reúnen por medio de una computadora con un módulo de adquisición de datos como el que se describe en el capítulo 4. Las señales se pueden extraer entonces del ruido por medio de la computadora de adquisición de datos u otra que esté conectada a ella a través de una red. 5C.1 Algunos dispositivos fisicos para reducir el ruido Aquí se describen de manera breve algunos dispositivos y técnicas que se usan para incrementar la relación señal/ruido. Conexión a tierra y blindaje El ruido que surge de la radiación electromagnética generada ambientalmente se puede reducir de forma sustancial mediante blindaje, conexión a tierra y reducción de las longitudes de los conductores dentro del sistema instrumental. El blindaje consiste en rodear un circuito, o la mayor parte de los conductores críti– cos en un circuito, con un material conductor que se fija a una tierra física. La radiación electromagnética es absorbida entonces por el blindaje y no por los conductores cubiertos. Así, se pueden reducir al mínimo la captación de ruido y su posible amplifica– ción por parte del circuito del instrumento. Podría ser un poco sorprendente que las técnicas de reducción de ruido a través de la conexión a tierra y el blindaje sean con frecuencia más arte que ciencia, en particular en instrumentos que poseen circuitos analó– gicos y digitales. La configuración óptima se encuentra a menudo solo después de muchas pruebas y errores. 4 El blindaje se vuelve particularmente importante cuando se amplifica la salida de un transductor de alta resistencia, como el electrodo de vidrio. En este caso, incluso las minúsculas corrien– tes inducidas de manera aleatoria producen fluctuaciones relati– vamente grandes en la señal medida. 4 Un análisis excelente de conexión a tierra y blindaje se encuentra en H. V. Malm– stadt, C. G. Enke y S. R. Crouch, Microcomputers and Electronic lltstrumentation: Making the Right Connections, pp. 401-409, Washington, OC: American Chemical Society, 1994. Una referencia valiosa es R. Morrison, Grounding and Shielding Cir– cuits and Interference, 6a. ed., Hoboken, N): Wiley, 2016. »> 5C Intensificación de la relación señaljruido 101 Amplificadores de diferencia y de instrumentación Cualquier ruido generado en el circuito del transductor es deter– minante porque suele aparecer amplificado en la lectura del ins– trumento. Para atenuar este tipo de ruido, la mayor parte de los instrumentos emplean un amplificador de diferencia, como el que se muestra en la figura 3.13, para la primera etapa de ampli– ficación. El ruido de modo común en el circuito transductor aparece de ordinario en fase en las entradas inversora y no inversora del amplificador, y es cancelado en gran medida por el circuito para que el ruido en su salida disminuya de manera sustancial. Para casos en los que un amplificador de diferencia es insuficiente para eliminar el ruido, se usa un amplificador de instrumentación como el que se muestra en la figura 5.3. Los amplificadores de instrumentación se componen de tres amplificadores operacionales configurados como se ilustra en la figura 5.3. Los amplificadores operacionales A y B constituyen la etapa de entrada del amplificador de instrumentación, ambos están acoplados recíprocamente por medio de tres resistores R 1 , R¡la y R 1 • La segunda etapa del módulo es el amplificador de dife– rencias del amplificador operacional C. La ganancia total del cir– cuito está dada por 5 (5.6) La ecuación 5.6 destaca dos ventajas del amplificador de instrumentación: l) la ganancia total del amplificador se puede controlar variando un solo resistor R 1 /a, y 2) la segunda etapa de diferencia rechaza las señales de modo común. Además, los amplificadores operacionales A y B son seguidores de voltaje con muy alta resistencia de entrada, de modo que el amplificador de instrumentación presenta una carga insignificante respecto al cir– cuito de su transductor. La combinación de las dos etapas tiene la capacidad de rechazar el ruido del modo común por un factor de l 0 6 o más a la vez que amplifica la señal en un factor de l 000. Se acostumbra usar estos dispositivos con señales de bajo nivel en medios ruidoso s, como los que se observan en los FIGURA 5.3 Un amplificador de instrumentación para reducir los efectos del ruido común en ambas entradas. La ganancia del circuito se controla mediante los resistores R 1 /a y KR 1 • 5 H. V. Malmstadt, C. G. Enke y S. R. Crouch, Microcomputers and Electronic Instru– mentation: Making the Right Connections, pp. 210-211, Washington, OC: American Chemical Society, 1994.