Principios de análisis instrumental

La ecuación 2.20 muestra que el error de carga relativo en una medición de corriente está dado por -RM Error rel = ---- RL + RM donde la resistencia del medidor RM es la resistencia de entrada del seguidor de corriente R¡ y RL es la resistencia interna del fototubo. Por tanto, -10.0D Error rel (5.0 X 10 4 D) + 10.0 D -2.0 X 10 - \ o 0.020% El instrumento que se muestra en la figura 3.10 se llama fotó– metro. Este aparato se puede usar para medir la atenuación de un haz luminoso por la absorción ocasionada por un analito presente en una disolución. La absorbancia está relacionada con la concen– tración de las especies causantes de la absorción. Los fotómetros se describen con detalle en la sección 13D.3. Además de los fototubos, otros transductores, como los elec– trodos de oxígeno, los detectores de ionización por flama, los fotodiodos y los tubos fotomultiplicadores, producen corrientes de salida relacionadas con la concentración o con un fenómeno físico de interés. El seguidor de corriente es un circuito indispen– sable para medir las pequeñas intensidades de corriente que se producen. 3C.2 Mediciones de voltaje Varios transductores producen voltajes de salida relacionados con la concentración o con una cantidad física de interés. Por ejem– plo, los electrodos selectivos de iones generan salidas de voltaje en relación con el pH o la concentración de un ion en disolución. Los termopares producen salidas de voltaje relacionadas con la temperatura. De manera similar, los transductores de efecto Hall causan voltajes de salida proporcionales a la fuerza del campo magnético. Los circuitos del amplificador operacional, en par– ticular los que se basan en el seguidor de voltaje (véase la sección 3B.2), se utilizan ampliamente en dichas mediciones. La ecuación 2.19 muestra que las medidas exactas de voltaje requieren que la resistencia del dispositivo medidor sea grande en comparación con la resistencia interna de la fuente de voltaje que se desea medir. La necesidad de un medidor altamente resis– tivo es muy importante en la determinación del pH mediante un electrodo de vidrio, cuya resistencia interna casi siempre está en el intervalo de decenas a centenares de megaohms. El circuito segui– dor de voltaje que se ilustra en la figura 3.5 presenta una resisten– cia de entrada muy alta con el fin de evitar la carga del electrodo de vidrio. Si es necesaria la amplificación, el seguidor de voltaje se puede combinar con el amplificador inversor elemental de la figura 3.7 para dar lugar a un medidor de voltaje de alta impedan– cia con amplificación como se muestra en la figura 3.11. En este caso, la primera etapa consta de un seguidor de voltaje que, por lo regular, proporciona una impedancia de entrada en exceso de 10 12 D. Luego, un circuito amplificador inversor incrementa la salida del seguidor en Rr/ R¡, que es 20 en este caso. A un amplifi– cador como éste, con una resistencia de 100 MD o más, se le llama ))) 3( Amplificación y medición de las señales de los transductores 59 20 kQ FIGURA 3.11 Circuito de alta impedancia para amplificar el voltaje y medirlo. casi siempre electrómetro. Comercialmente se pueden encontrar electrómetros muy bien diseñados basados en amplificadores operacionales. A veces, lo más deseable es que un transductor de voltaje de salida pueda amplificar sin invertir la señal. En este caso, se puede utilizar un circuito conocido como seguidor de voltaje con ganan– cia. En este circuito, únicamente una fracción del voltaje de salida del seguidor de la figura 3.5 se alimenta de vuelta en la entrada inversora. 5 3C.3 Mediciones de resistencia o conductancia Las celdas electrolíticas y los instrumentos sensibles a la tempera– tura, como los termistores y los holómetros son ejemplos comu– nes de transductores cuya resistencia o conductancia eléctrica varía en respuesta a una señal analítica. Estos dispositivos se usan en titulaciones conductimétricas y termométricas, en mediciones de absorción y emisión infrarroja y en el control de la temperatura en una variedad de aplicaciones analíticas. El circuito que se muestra en la figura 3.7 es un medio acep– table para medir la resistencia o conductancia de un transductor. En este caso, una fuente de voltaje constante se usa para V¡ y el transductor se sustituye por R¡ o Rr en el circuito. El voltaje de salida amplificado v 0 se mide después con un medidor adecuado, un potenciómetro o con un sistema computarizado para obtener datos. Por consiguiente, si el transductor se sustituye por Rr en la figura 3.7, la salida, como se puede ver al reordenar términos en la ecuación 3.8, es (3.10) donde Rx es la resistencia que se desea medir y k es una constante que se calcula si se conocen R¡ y V¡. Otra posibilidad es que k se puede determinar a partir de una calibración en la que Rx se reemplaza con un resistor estándar. 5 H. V. Malmstadt, C. G. Enke y S. R. Crouch, Microcomputers and Electronic lnstru– mentation: Making the Right Connections, Washington, DC: American Chemical Society, 1994, pp. 131, 132.