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Aplicación 

Métodos de calibración para mediciones de bajo nivel de turbidez

El proceso de calibración y verificación de turbidímetros para mediciones de bajo nivel de turbidez es muy sensible a la técnica del usuario y al ambiente de trabajo. Cuando los niveles de turbidez bajan de 1 NTU, las interferencias causadas por burbujas, la contaminación de partículas y la luz espuria resultan factores de gran importancia. Para minimizar estos errores pueden tomarse diferentes medidas...

El proceso de calibración y verificación de turbidímetros para mediciones de bajo nivel de turbidez es muy sensible a la técnica del usuario y al ambiente de trabajo. Cuando los niveles de turbidez bajan de 1 NTU, las interferencias causadas por burbujas, la contaminación de partículas y la luz espuria resultan factores de gran importancia. Para minimizar estos errores pueden tomarse diferentes medidas. Es mayormente común la aproximación por dos niveles bajos de calibración, que coinciden con el punto 1 y el punto 2.

Se puede determinar la calibración más apropiada para cada medición específica tras identificar las interferencias. En este artículo se discuten los posibles errores y la calibración resultante que Hach utiliza para sus turbidímetros.

Interferencias en mediciones de bajo nivel de turbidez

Hach Company logra tener una calibración consistente en turbidimetría en varias generaciones de tubidímetros.

En este campo, la correlación entre turbidez y dispersión de luz nefelométrica (luz dispersada por partículas en un ángulo de 90° con respecto a la fuente) es lineal en el rango de 0,012-40 NTU. Gracias a esta relación es posible lograr una calibración que reduzca el error y extienda la exactitud a los niveles más bajos de turbidez.

En niveles muy bajos de turbidez, todo error de medición resulta muy significativo. La principal fuente de error suele ser la luz espuria. La luz difusa se define como cualquier haz de luz que alcanza la dispersión de la luz (90 grados) al detector, que no está dispersada por la muestra. Siempre resulta una interferencia positiva. Las causas de la aparición de luz espuria incluyen la contaminación por polvo en la óptica del instrumento y una mala calidad o daño en las celdas para muestras y en la electrónica del instrumento. La forma más eficaz de disminuir la luz espuria es mediante un diseño robusto de instrumentos con ópticas de alta calidad combinado con buenas técnicas de medición y de laboratorio. Hoy es Hach quien lidera el mercado en la producción de instrumentos con los niveles más bajos de luz espuria.

Otro error significativo se atribuye a las burbujas en la muestra. En la mayoría de los casos se las puede eliminar fácilmente, permitiendo que la muestra repose entre 2 y 5 minutos justo antes dela medición. Para instrumentos de procesos, la remoción de burbujas se logra mejor utilizando una trampa de burbujas. En niveles muy bajos de turbidez, la espera de unos minutos no resulta en un acomodamiento de las partículas.

La tercera fuente de error es consecuencia de la preparación de los estándares de calibración. Estos estándares pueden prepararse fácilmente y con exactitud en valores altos de turbidez (>1 NTU) si se presta atención a la limpieza, si se utiliza agua para dilución de alta calidad, y si se aplica una buena técnica analítica. Al abordar estos temas, un analista puede preparar estándares dentro del 2 por ciento a los niveles de turbiedad de hasta 10 NTU, y menos de 3 por ciento a los niveles de turbidez entre 10 NTU y 1 NTU. Para preparar estándares de calibración por debajo de 1 NTU, se necesita utilizar agua de la más alta calidad (ultra-filtrada u ósmosis inversa) para preparar todos los estándares y para limpiar las cámaras de muestras, las celdas y toda la cristalería, además de una excelente técnica de laboratorio para reducir toda fuente de contaminación. Lamentablemente, el agua de alta pureza suele ser difícil de conseguir, e incluso cuando toda cuestión de limpieza es atendida, un estándar de 0,30 NTU tiene en el mejor de los casos un error de 10%.

Hach diseña sus instrumentos para una calibración de más alto nivel porque la exactitud de un estándar preparado a 20 NTU es normalmente superior al 2%. La preparación de estándares por debajo de 1 NTU resultará en un error mucho mayor, principalmente debido a la turbidez residual en el agua de dilución. La filtración reducirá significativamente esta interferencia. De ser posible, conviene utilizar agua destilada o desionizada que haya pasado por un proceso de ultra-filtración como ósmosis inversa.

Algoritmo de calibración de 1 punto

Los turbidímetros Hach están diseñados para reducir o eliminar estas interferencias. El algoritmo de calibración es muy simple y está basado en dos lecturas: un estándar de calibración, y un punto cero que no requiere estándar. A continuación se discute la fundamentación de este algoritmo.

  • La respuesta del detector nefelométrico a la turbidez es altamente lineal en el rango de 0,012-40 NTU. Esta linealidad permite realizar una calibración utilizando un único estándar en cualquier punto de ese rango. Para los turbidímetros Hach se utiliza el punto de calibración de 20 NTU, por su facilidad de preparación y gran exactitud. Incluso si el agua de dilución presenta cierta turbidez (<0,5 NTU), el error contribuido al estándar es bajo. Además, el error debido a la luz espuria del instrumento es insignificante a 20 NTU. En consecuencia, ya que una calibración a 20 NTU presenta un error muy bajo, en teoría el error de medición también es bajo con un turbidímetro calibrado en este nivel. Si la suma de los errores del estándar y del instrumento equivale al 2% a 20 NTU, se puede extrapolar la misma exactitud a mediciones de bajo nivel de turbidez.
  • La medición del punto cero se realiza con la fuente de luz del instrumento apagada, pero con todos los demás parámetros en posición. En esta medición, toda luz residual en la óptica o en el ambiente que pudiera provocar interferencias se elimina de las mediciones subsiguientes. Esto es a menudo referido como el blanco o valores oscuros. Normalmente, el punto cero se determina cuando se realiza un ciclo de apagado y encendido del instrumento.
  • Tras la medición del punto cero y del estándar, el algoritmo del instrumento traza una línea recta que une los dos puntos, construyendo la curva de calibración lineal. El único error que queda proviene de la luz espuria de la lámpara del instrumento. Este error resulta significativo en las mediciones de menor nivel de turbidez, por debajo de 0,05 NTU.
  • La mayoría de los turbidímetros Hach requiere la medición del agua de dilución para que su contribución a la turbidez pueda ser compensada. Una vez hecho esto, el valor del estándar del agua de dilución es almacenado en el software del turbidímetro y restado del valor de medición de los otros estándares de calibración. Como resultado, se calcula el valor absoluto de cada estándar de calibración y se maximiza la exactitud de los puntos.

El algoritmo con un solo punto de calibración se encarga de todas las interferencias excepto por la de la luz espuria observada cuando la luz del instrumento está encendida. Esta interferencia se supera con un diseño del instrumento que produzca una elevada colimación del haz de luz y que elimine la exposición a la luz de toda superficie óptica del instrumento excepto la celda para muestras. Así es como Hach diseña sus equipos. Con componentes de alta calidad y estrictos criterios de diseño, los turbidímetros Hach logran llevar la luz espuria a niveles mínimos (<0,025 NTU). Sólo en los niveles más bajos de turbidez es posible detectar un grado mínimo de luz espuria, y siempre es una interferencia positiva.

El uso de un estándar de alto nivel de turbidez para calibración supera en forma adecuada las interferencias que resultan de utilizar un estándar de bajo nivel de turbidez. La exactitud del instrumento es consistente con el valor del estándar en lodo el rango de linealidad (0,012-40 NTU). Esto significa que si a 20 NTU se produce un error del 2%, en cualquier otro punto del rango el error de medición también será de 2%. Del mismo modo, si se utiliza un estándar de bajo nivel de turbidez, cuya exactitud es normalmente del 10%, la exactitud de la medición también será del 10% en todo el rango. El uso de un estándar de alto nivel de turbidez resultará en la mayor exactitud posible en mediciones de bajo nivel de turbidez.

Algoritmo de calibración con dos puntos

El algoritmo de calibración de dos puntos en usualmente utilizado para calibrar tubidímetros.

Este método utiliza dos estándares de calibración, normalmente en los extremos del rango de medición. Uno de ellos debe tener un nivel de turbidez alto y el otro un nivel muy bajo (pero que no llegue a cero). El algoritmo traza una línea recta que une los dos puntos y extrapola la pendiente resultante a todo el rango lineal (0,012-40 NTU).

En teoría, este método debería superar las interferencias mencionadas y compensar la luz espuria más allá del nivel de turbidez. La calidad de los componentes del instrumento es menos importante, ya que la luz espuria está contemplada en la calibración. La preparación del estándar de calibración es la clave de la exactitud, ya que el error introducido por estándares mal preparados puede ser sustancial. Con este método, el mayor problema es la dificultad de preparar y medir adecuadamente el estándar de calibración de bajo nivel de turbidez. Como se dijo en la calibración con un solo punto, preparar con exactitud un estándar de baja turbidez es prácticamente imposible.

Normalmente los turbidímetros Hach no utilizan este método de calibración debido al riesgo de falsos-negativos, es decir, de valores de medición menores que los valores reales de las muestras. En una planta de tratamiento de agua, un falso-negativo puede tener graves consecuencias. Es muy fácil crear las condiciones para un falso-negativo si el valor de un estándar de calibración es en realidad mayor que el reportado. Al utilizar un estándar de bajo nivel de turbidez en el extremo inferior de una calibración con dos puntos, suele haber un error de preparación positivo (el valor real del estándar es mayor que el valor reportado) que se puede atribuir a la turbidez del agua de dilución. Las condiciones de medición resultantes tienen una predisposición a arrojar falsos-negativos. Algunas empresas desarrollan sus instrumentos usando componentes de menor calidad para reducir costos. Esto aumenta la importancia de utilizar estándares bien preparados que tengan en cuenta todos los factores que hacen a la turbidez total.

Uso del StablCal® en calibraciones

Cuando se preparan estándares de formazina, la turbidez del estándar resulta de la suma de la turbidez del agua de dilución y la turbidez asociada con el polímero dela formazina. Como la turbidez del agua de dilución puede no ser conocida de antemano, es necesario medirla con el turbidímetro para luego restarla de la turbidez neta del estándar preparado. Con esta resta se obtiene un estándar de gran exactitud para realizar una buena calibración.

No obstante, cuando los estándares StablCal® se preparan en fábrica, se contempla la turbidez del agua de dilución y se ajusta el estándar al valor teórico antes del envasado. En consecuencia, no hay necesidad de medirla cuando se utilizan estos estándares. Los instrumentos más nuevos de Hach modifican las curvas de calibración que no requieren la medición del agua de dilución para la calibración. Entre ellos están todos los equipos con plataforma SC y los turbidímetros 2100Q y 2100Qis. Estos instrumentos eliminan los pasos asociados a esta medición cuando se selecciona una curva de calibración que remite a estándares StablCal®.

Los kits de calibración StablCal® para los turbidímetros de laboratorio Hach 2100AN, 2100AN IS, 2100N y 2100N IS, y para los modelos portátiles 2100P y 2100P IS, han sido modificados para funcionen con los algoritmos existentes de estos modelos de turbidímetros. Estos instrumentos cuentan con un software de calibración que todavía requiere la medición del agua de dilución como parte del proceso. Para completar este paso, estos kits incluyen una solución StablCal® para utilizar en la medición del agua de dilución. Su valor (<0,1 NTU) introduce un error muy pequeño en la curva de calibración (<0,2%) que le permite al instrumento funcionar según sus propias especificaciones.

Conclusiones

El mejor método de calibración debe minimizar todos los errores que contribuyen en mediciones de bajo nivel de turbidez. El principal error es consecuencia de la luz espuria, y la mejor manera de reducirlo es mediante un buen diseño del instrumento. Otros errores asociados a los estándares de calibración se pueden reducir utilizando estándares de más alto nivel de turbidez. Los turbidímetros Hach aplican el método de calibración de un solo punto con buenos resultados, combinando instrumentos de alta calidad y estándares de gran exactitud. En consecuencia, se minimizan las interferencias y se logra una gran consistencia en las mediciones de bajo nivel de turbidez. Más allá del método de calibración utilizado, es necesario verificar la performance del instrumento después de la calibración usando un estándar de verificación independiente. La elección del estándar de verificación debe ser analizado con precisión, con tolerancias de error definido. Ejemplos de éstos estándares disponibles que cumplen con estos criterios, están en los “StablCal® Stabilized Formacin Certified Standards” y estándares de verificación secos, con tolerancias de precisión definidos. Sólo mediante esta verificación puede el usuario asegurarse de la confiabilidad de su instrumento.

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