Señales y Ruido

Toda medida analítica consta de dos componentes.L i l ñ l ll l i f ió l ti lLa primera, la señal, lleva la información relativa al

analito que es de interés para el químico.La segunda denominada ruido está¡ compuestaLa segunda, denominada ruido, está¡ compuesta

por información ajena que es indeseada porque degradala exactitud y la precisión de un análisis y ademásy p yestablece un límite inferior en la cantidad de analito quese puede detectar.A ti ió d ib l d l f t áA continuación se describen algunas de las fuentes máscomunes de ruido y cómo se pueden minimizar susefectosefectos.

Señales y Ruido

Medida Analítica = Señal + Ruido

Señal: información sobre el analito de interés

Ruido: está compuesto por información ajena, óindeseable, pues degrada la exactitud y precisión de la

medición analítica.

Establece el límite inferior de la señal que se puede medir y con esto condiciona el límite de detección de la ytécnica.

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Señal de DC de aproximadamente 1 x 10-15 A) S ñ l i i la) Señal original

b) Señal hipotética sin ruidoNUNCA se puede obtener una señal sin ruidoNUNCA se puede obtener una señal sin ruido

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Relación S/N: parámetro que indica la calidad de una medición con respecto a el ruido asociado a ella

1media XSN

. .N desv St s RSD

E i ibl lEs imposible la detección de una señal cuando S/N < 3señal cuando S/N < 3

A) S/N = 4,3

B) S/N = 43

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Clasificación de Ruidos

R id í iRuidos químicos: Inherente al sistema químico en estudio o a perturbaciones debido a cmabios de ºT presión humedad intensidad dedebido a cmabios de T, presión, humedad, intensidad de luz, etc.

R id i t t lRuidos instrumentales:Está asociado a cada componente de un instrumento-Detector-Detector-Fuente-Puede haber varias fuente de ruido en un componente pdeterminado y el ruido resultante es la contribución de todas estas fuentes Ruido Complejo

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R id Q í iRuido QuímicoEl ruido químico proviene de multitud de variables incontroladas

f t l í i d l i t lique afectan a la química del sistema que se analiza.Entre los distintos ejemplos pueden citarse variaciones nodetectadas de temperatura o presión que afectan al equilibriop p q qquímico, fluctuaciones en la humedad relativa que cambian elcontenido de humedad de las muestras, vibraciones queconducen a una estratificación de los sólidos pulverulentosconducen a una estratificación de los sólidos pulverulentos,cambios de la intensidad de la luz que afectan a materialesfotosensibles y humos del laboratorio que interaccionan con lasmuestras o los reactivos.Los detalles sobre los efectos del ruido químico no seránexpuestos aquiexpuestos aqui.Sólo nos enfocaremos en el ruido instrumental

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R id I t t lRuido Instrumental

Es el ruido se asocia a cada componente de un instrumento, op ,sea, a la fuente, al transductor de entrada, todos los elementosque procesan la señal y al transductor o amplificador desalidasalida.Además, el ruido de cada uno de estos componentes puedeser de distintos tipos y provenir de distintas fuentes. Portanto, el ruido que finalmente se percibe es una mezclacompleja que, por lo general, no se puede caracterizar porcompletocompleto.Se pueden reconocer ciertos tipos de ruido: (1) ruido térmicoo de Johnson, (2) ruido de disparo, (3) ruido de parpadeo o 1/fy (4) ruido ambiental. Resulta muy interesante realizar unaconsideración sobre las características de los cuatro tipos deruido.ruido.

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R id Té i J hRuido Térmico o Johnson

El ruido térmico se debe a la agitación térmica de losgelectrones u otros transportadores de cargas en lasresistencias, condensadores, detectores de radiación, celdaselectroquímicas y otros elementos resistivos de unelectroquímicas y otros elementos resistivos de uninstrumento.Esta agitación de las partículas cargadas se producealeatoriamente y origina periódicamente heterogeneidades decarga, que a su vez crean variaciones de tensión que aparecencomo ruido en la lectura Hay que tener en cuenta que el ruidocomo ruido en la lectura. Hay que tener en cuenta que el ruidotérmico existe incluso en ausencia de un elemento resistivo ysólo desaparece en el cero absoluto.La magnitud del ruido térmico se deduce a partir deconsideraciones termodinámicas3 y se expresa como:

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R id Té i J hRuido Térmico o Johnson

4RMS kTR f

donde vrms es la raiz cuadrática media o valor eficaz del ruidode la tensión que está dentro de un ancho de banda def i d f H k l t t d B lt (1 38 10frecuencia de f Hz, k es la constante de Boltzmann (1,38 x 10-23 J/K), T es la temperatura en kelvin y R es la resistencia delelemento resistivo en ohms.La relación entre el tiempo de subida (tr) y el ancho de bandaf en un amplificador operacional.

13 r

ft

el ruido térmico puede disminuir al estrecharse el ancho debanda. Sin embargo, cuando el ancho de banda se estrecha, elinstrumento tarda más en responder a una señalinstrumento tarda más en responder a una señal

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Q é f t d l id té i di i ió d l¿Qué efecto produce en el ruido térmico una disminución deltiempo de respuesta en un instrumento de 1 s a 1s?En estas condiciones, el ancho de banda ha variado de 1 Hz a,106 Hz. ¡Esta variación supone un cambio en el ruio de 1000veces!El ruido térmico se puede reducir disminuyendo la resistenciaEl ruido térmico se puede reducir disminuyendo la resistenciade los circuitos instrumentales y la temperatura de loscomponentes de los instrumentos.pA menudo, el ruido térmico de los detectores se reducemediante refrigeración. Por ejemplo, la disminución de latemperatura de un detector desde la temperatura ambiente a latemperatura de un detector desde la temperatura ambiente a latemperatura del nitrógeno líquido a 77 K reduce el ruido a lamitad.Es importante considerar que aunque el ruido térmicodepende del ancho de banda de la frecuencia, esindependiente de la propia frecuenciaindependiente de la propia frecuencia.

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R id d diRuido de disparo

El ruido de disparo se origina siempre que se produce unmovimiento de electrones o de otras partículas cargadas através de una unión. En un circuito electrónico, estas unionesse encuentran en las interfases pn, en las fotocélulas y tubosse encuentran en las interfases pn, en las fotocélulas y tubosfotomultiplicadores. La unión será el espacio vacío entre elánodo y el cátodo. Las corrientes en tales dispositivosi li i d ti d t limplican una serie de procesos cuantizados, esto es, latransferencia de electrones individuales a través de la unión.Sin embargo, estos sucesos se producen al azar y la velocidadS e ba go, estos sucesos se p oduce a a a y a e oc dada la cual ocurren está sujeta a fluctuaciones estadísticas quese describen con la ecuación

2RMSi Ie f

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R id d diRuido de disparo

D d i l í d áti di l fi d lDonde irms es la raíz cuadrática media o valor eficaz de lasfluctuaciones de corriente relacionadas con la corrientecontinua promedio, I, e es la carga del electrón (1,60 x 10-19 C)p , , g ( , )y f vuelve a ser el ancho de banda de las frecuenciasconsideradas. Al igual que el ruido térmico, el ruido de disparoes un ruido blancoes un ruido blanco.

A partir de la se deduce que el ruido de disparo de una medidap q pde corriente sólo puede minimizarse reduciendo el ancho debanda

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R id d P dRuido de Parpadeo

El ruido de parpadeo se caracteriza porque su valor esinversamente proporcional a la frecuencia de la señal que seobserva, en consecuencia, a veces, se le denomina ruido 1/fLas causas del ruido de parpadeo no se comprenden bien; sinLas causas del ruido de parpadeo no se comprenden bien; sinembargo siempre existe y su presencia se reconoce por sudependencia inversa de la frecuencia.El id d d i ifi ti f iEl ruido de parpadeo es significativo para frecuenciasmenores de 100 Hz. Una muestra del ruido de parpadeo es laderiva a largo plazo, observada en amplificadores de corrientede a a a go p a o, obse ada e a p cado es de co e tecontinua, medidores y galvanómetros. El ruido de parpadeopuede reducirse bastante usando resistencias de filamento

ll d i t i d lí l táli d l denrollado o resistencias de película metálica en vez de las decomposición de carbón habituales.

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R id A bi t lRuido AmbientalEl ruido ambiental es una mezcla de distintos tipos de ruidos

d t d l tprocedentes del entorno.En la figura se indican algunas fuentes características deruido ambiental en un laboratorio universitario.

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R id A bi t lRuido Ambiental

Gran parte del ruido ambiental se produce a causa de quep p qcada conductor de un instrumento es una antena potencialcapaz de captar radiación electromagnética y convertirla enuna señal eléctricauna señal eléctrica.En el entorno existen numerosas fuentes de radiaciónelectromagnética tales como líneas de alimentación decorriente alterna, emisoras de radio y de televisión, sistemasde encendido de los motores de gasolina, conmutadores dearco eléctrico escobillas de motores eléctricos alumbrado yarco eléctrico, escobillas de motores eléctricos, alumbrado yperturbaciones ionosféricas. Observase que algunas de estasfuentes, como las líneas de alimentación y las estaciones deradio, originan ruidos con anchos de banda de frecuenciarelativamente limitada.

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A t d S/NAumento de S/N

Existen métodos de hardware y software para mejorar lal ió ñ l/ id d ét d i t t l L d iórelación señal/ruido de un método instrumental. La reducción

de ruido por medio del hardware se realiza incorporando aldiseño del instrumento componentes tales como filtros,p ,cortadores, escudos, moduladores y detectores sincrónicos.Estos dispositivos eliminan o atenúan el ruido sin afectar demanera significativa a la señal analítica Los métodos demanera significativa a la señal analítica. Los métodos desoftware utilizan distintos algoritmos de ordenador quepermiten extraer las señales de entornos ruidosos. Comopmínimo, los métodos de software necesitan suficientehardware para acondicionar la señal de salida del instrumentoy transformarla de analógica a digital Normalmente los datosy transformarla de analógica a digital. Normalmente los datosse recogen por medio de un ordenador dotado de un módulode adquisición de datos

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Al di iti d H dAlgunos dispositivos de Hardware

Conexión a tierra y blindaje

El ruido procedente de una radiación electromagnéticagenerada ambientalmente se puede, a menudo, reducirg p , ,bastante mediante blindaje, conexión a tierra y minimizaciónde la longitud de los conductores del sistema instrumental. Elblindaje consiste en proteger a un circuito o a algunos de susblindaje consiste en proteger a un circuito, o a algunos de sushilos más delicados, con un material conductor que seconecta a tierra. La radiación electromagnética la absorbe elgblindaje antes que los conductores protegidos (jaula deFaraday). De esta forma se minimiza la captación de ruido y suposible amplificación por el circuito del instrumentoposible amplificación por el circuito del instrumento.

Conexión a Tierra

Conexión a Tierra

Conexión a Tierra

Conexión a Tierra

Conexión a Tierra

Conexión a Tierra

Conexión a Tierra

Conexión a Tierra

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Amplificadores DiferencialesAmplificadores DiferencialesCualquier ruido generado en el circuito del transductor esespecialmente crítico ya que suele aparecer amplificado en laespecialmente crítico, ya que suele aparecer amplificado en lalectura del dispositivo.Para atenuar este tipo de ruido, la mayoría de los instrumentosutilizan para la primera etapa de amplificación un amplificadordiferencial, como el que se muestra en la figura.

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Amplificadores DiferencialesAmplificadores Diferenciales

La función de transferencia adelanta dos ventajas de losamplificadores instrumentales:1) la ganancia total del amplificador puede controlarse por

medio de una sola resistencia R /a ymedio de una sola resistencia, R,/a y2) la segunda etapa diferencial rechaza señales de modo

común. Además, los A.O. A y B son seguidores de tensióni d i d t d l d l lcon impedancias de entrada muy elevadas, por lo que el

amplificador representa una carga despreciable para elcircuito del transductor. La combinación de las dos etapascircuito del transductor. La combinación de las dos etapaspuede proporcionar un rechazo del ruido de modo comúndel orden de 106 o superior, además de amplificar la señaal

1 000por 1.000.

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Filtrado AnalógicoFiltrado Analógico

Un método habitual para mejorarS/N l i t t lítiS/N en los instrumentos analíticosconsiste en utilizar filtrosanalógicos de paso bajo Su ampliog p j puso radica en que muchas de lasseñales instrumentales son de bajafrecuencia con anchuras de bandafrecuencia, con anchuras de bandade pocos Hz. Un filtro de paso bajoeliminará con eficacia gran parte delos componentes de alta frecuenciade la señal, incluyendo aquellos queprovienen del ruido térmico o del deprovienen del ruido térmico o del dedisparo.

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Corte de la señal y amplif de cierreCorte de la señal y amplif. de cierre

Señales y Ruido

Métodos de softwareMétodos de software

Dada la amplia disponibilidad de microprocesadores ymicroordenadores, muchos de los dispositivos encargados demejorar la relación S/N, descritos en el apartado anterior,están siendo sustituidos o complementados por programas deestán siendo sustituidos o complementados por programas deordenador. Entre estos programas existen rutinas paradiversos tipos de promediado, filtrado digital, transformaciónd F i i d té i d l ió E tde Fourier, suavizado y técnicas de correlación. Estosprocedimientos se pueden aplicar a formas de onda noperiódicas o irregulares, como un espectro de absorción, o aperiódicas o irregulares, como un espectro de absorción, o aseñales sin onda de sincronismo o de referencia, así como alas ondas periódicas. Algunos de los procedimientos más

li b t ti iócomunes se explican brevemente a continuación

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Promediado conjuntoPromediado conjunto

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Promediado por gruposFosforescencia Oxígeno singulete Rosa de bengala en ACN Promediado por grupos

270

nm RB-ACN 20MHz

RB-ACN 20MHz (x 5 Stanford)

Fosforescencia Oxígeno singulete - Rosa de bengala en ACN

1

(mV)

@ 1

27

0 100 200 300

0Sign

al (

0 100 200 300time (s)

0,4

0,6

1270

nm

RB-ACN 20MHz 10 point AA Smoothing of Data1_B

0,2

,

al (m

V) @

1

0 100 200 300

0,0Sign

a

time (s)

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Filtrado DigitalFiltrado Digital