Espectrometra Lectura N 4

FACULTAD DE CIENCIAS QUMICAS

Espectrometra

Objeto de Estudio N 2

LECTURA N 4

FUENTES DE RUIDO EN LOSANLISIS INSTRUMENTALES

Bibliografa: SKOOG, D.A. James; Holler F. James; PRINCIPIOS DE ANLISIS INSTRUMENTAL, 5 ed.;Ed. McGraw-Hill (1998), pgs. 104-106.

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Facultad de Ciencias Qumicas

FUENTES DE RUIDO EN LOS ANLISIS INSTRUMENTALES

Dos tipos de ruido afectan a los anlisis qumicos: el ruido qumico y el ruido instrumental.

Ruido qumico

El ruido qumico proviene de variables incontroladas que afectan a la qumica del sistemaque sea analiza. Entre los distintos ejemplos pueden citarse variaciones no detectadasde temperatura o presin que afectan al equilibrio qumico, fluctuaciones en la humedadrelativa que cambian el contenido de humedad de las muestras, vibraciones queconducen a una estratificacin de los slidos pulverulentos, cambios de la intensidad dela luz que afectan a materiales fotosensibles y humos del laboratorio que interaccionancon las muestras o los reactivos. Los detalles sobre los efectos del ruido qumico seexponen en los prximos captulos que tratan sobre diversos mtodos instrumentalesespecficos. En ste, slo se tratar el ruido instrumental.

Ruido instrumental

El ruido se asocia a cada componente de una instrumento o sea, a la fuente, altransductor de entrada, a todos los elementos que procesan la seal y al transductor desalida. Adems, el ruido de cada uno de estos componentes puede ser de distintostipos y provenir de distintas fuentes. Por tanto, el ruido que finalmente se percibe es unamezcla compleja que, por lo general, no se puede caracterizar por completo. Se puedenreconocer ciertos tipos de ruido: (1) ruido trmico o Jonson, (2) ruido de disparo, (3) ruidode parpadeo o 1/f y (4) ruido ambiental. Resulta muy interesante realizar unaconsideracin sobre las caractersticas de los cuatro tipos de ruido.

Ruido trmico, o ruido Jonson

El ruido trmico se debe a la agitacin trmica de los electrones u otros trasportadores decargas en las resistencias, condensadores, detectores de radiacin, celdaselectroqumicas y otros elementos resistivos de un instrumento. Esta agitacin de laspartculas cargadas se produce aleatoriamente y origina peridicamenteheterogeneidades de carga, que a su vez crean variaciones de tensin que aparecencomo ruido en la lectura. Hay que tener en cuenta que el ruido trmico existe incluso enausencia de corriente de un elemento resistivo y slo desaparece en el cero absoluto.

La magnitud del ruido trmico se deduce con facilidad a partir de consideracionestermodinmicas y se expresa como

(5-3)

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donde es la raz cuadrtica media o valor eficaz del ruido de la tensin que estdentro de un ancho de banda de frecuencia de fHz, k es la constante de Boltzmann(1.38 x 10-23 J/K), T es la temperatura en Kelvin y R es la resistencia del elementoresistivo en ohmios.

En el Apartado 3B-2 se coment la relacin entre tiempo de ascenso tr y el anchode banda f en un amplificador operacional. Estas variables tambin se utilizanpara determinar la capacidad de los instrumentos completos para detectar ytransmitir informacin. Recurdese que

f = 1 3tr (5-4)

El tiempo de ascenso de un instrumento es el tiempo de respuesta, en segundos, a uncambio brusco de la seal de entrada y por lo general se toma como el tiempo necesariopara que la seal de salida aumente de 10 al 90 por 100 de su valor final. As pues, si eltiempo de ascenso es de 0,01 s, el ancho de banda es de 33 Hz.

La ecuacin 5-3 sugiere que el ruido trmico puede disminuir al estrecharse el ancho debanda. Sin embargo, cuando el ancho de banda se estrecha, el instrumento tarda msen responder a una variacin de la seal y se necesita ms tiempo para realizar unamedida fiable.

EJEMPLO

Qu efecto produce en el ruido trmico una disminucin del tiempo de respuesta en uninstrumento de 1 s a 1 s?

Si se supone que el tiempo de respuesta es aproximadamente igual al tiempo deascenso, resulta que el ancho de banda ha variado de 1 Hz a 106 Hz. Segn la ecuacin5-3, dicho cambio supondr un aumento del ruido de (106/1)1/2, o sea, 1.000 veces.

Como se indic en la Ecuacin 5-3, el ruido trmico se puede reducir tambindisminuyendo la resistencia elctrica de los circuitos instrumentales y la temperatura delos componentes de los instrumentos. A menudo, el ruido trmico de los detectores sereduce mediante refrigeracin. Por ejemplo, la disminucin de la temperatura de undetector desde la temperatura ambiente a 298 K a la temperatura del nitrgeno lquido a77 K reducir el ruido trmico a la mitad.

Es importante considerar que aunque el ruido trmico depende del ancho de banda de lafrecuencia, es independiente de la propia frecuencia; por tanto, a veces se denominaruido blanco por analoga con la luz blanca, la cual contiene todas las frecuencias visibles.Tambin hay que destacar que en los elementos resistivos de los circuitos el ruidotrmico es independiente del tamao fsico de la resistencia.

Ruido de disparo

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El ruido de disparo se origina siempre que se produce un movimiento de electrones o deotras partculas cargadas a travs de una unin, En un circuito electrnico caracterstico,estas uniones se encuentran en las interfases pn; en las fotoclulas y tubos de vaco, launin sera el espacio vaco entre el nodo y el ctodo. Las corrientes en talesdispositivos implican una serie de procesos cuantizados; esto es, la transferencia deelectrones individuales a travs de la unin. Sin embargo, estos sucesos se producen alazar y la velocidad a la cual ocurren est sujeta, por tanto, a fluctuaciones estadsticasque se describen con la ecuacin

(5-5)

donde inms es la raz cuadrtica media o valor eficaz de las fluctuaciones de corrienterelacionadas con al corriente continua promedio, , e es la carga del electrn, 1,60 x 10-9 cy f vuelve a ser el ancho de banda de las frecuencias consideradas. Al igual que el ruidotrmico, el ruido de disparo es un ruido blanco.

A partir de la Ecuacin 5-5 se deduce que el ruido de disparo de una medida de corrienteslo puede minimizarse reduciendo el ancho de banda.

Ruido de parpadeo

El ruido de parpadeo se caracteriza por ser su valor inversamente proporcional a lafrecuencia de la seal que se observa; en consecuencia, a veces, se le denomina ruido1/f (uno dividido por f). Las causas del ruido de parpadeo no se comprenden bien; sinembargo siempre existe y su presencia se reconoce por su dependencia de la frecuencia.El ruido de parpadeo es significativo para frecuencias menores de 100 Hz. Una muestradel ruido de parpadeo es la deriva a largo plazo, observada en amplificadores de corrientecontinua, medidores y galvanmetros. El ruido de parpadeo puede reducirse bastanteusando resistencias de filamento enrollado o resistencias de pelcula metlica en vez delas de composicin de carbn habituales.

Ruido ambiental

El ruido ambiental es una mezcla de distintos tipos de ruidos procedentes del entorno. Enla Figura 5-3 se indican algunas fuentes caractersticas de ruido ambiental en unlaboratorio universitario.

Gran parte del ruido ambiental se produce a causa de que cada conductor de uninstrumento es una antena potencial capaz de captar radiacin electromagntica yconvertirla en una seal elctrica. En el entorno existen numerosas fuentes de radicacinelectromagntica tales como lneas de alimentacin de corriente alterna, emisoras deradio y de televisin, sistemas de encendido de los motores de gasolina, conmutadores

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de arco elctrico, escobillas de motores elctricos, alumbrado y perturbacionesionosfricas. Obsrvense que algunas de estas fuentes, como las lneas de alimentaciny las estaciones de radio, originan ruidos con anchos de banda de frecuenciarelativamente limitada.

Tambin es destacable que el espectro del ruido mostrado en la Figura 5-3 presenta unaamplia regin continua de ruido de baja frecuencia. Este ruido tiene las propiedades delruido de parpadeo pero su origen es desconocido. Superpuestos al ruido de parpadeoexisten picos de ruido que corresponden a la fluctuacin de temperatura anual y diaria y aotros fenmenos peridicos relacionados con el mantenimiento del edificio de unlaboratorio.

Por ltimo, en la Figura 5-3 se indican dos regiones de frecuencia silenciosas en lascuales el ruido ambiental es bajo: la regin que se extiende desde aproximadamente 3 Hzhasta casi 60 Hz y la regin que va desde 1 kHz hasta aproximadamente 500 kHz, o sea,la frecuencia a la que se emiten las seales de radio en AM. En estas regiones, amenudo, las seales se convierten en frecuencias para reducir el ruido durante elprocesamiento de la seal.