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24/03/2022

Turbidímetro Online TurbSense® de Process Intruments. Medición de Turbidez acorde a la ISO7027 con un sistema patentado de calibración con un solo punto



 
La turbidez se emplea comúnmente como una medida de la calidad del agua. El principio de medida se basa en las propiedades de dispersión de la luz al atravesar este medio. Debido a que las partículas contenidas incrementan esta dispersión, nos da una indicación de lo “limpia” que está.
 
Las partículas pueden ser de composición tan variada como sólidos inorgánicos, microorganismos, arena, coloides, materia orgánica… Parte de esta dispersión de luz  también se debe a la producida a nivel molecular, por lo que conseguir una muestra real sin turbidez es imposible aún con agua perfectamente limpia.
 

Factores que influyen en la turbidez

 
Hay una serie de factores que afectan la turbidez:
 
  • Tamaño de las partículas: las partículas pequeñas (<0.06µm – 1/10 de la longitud de onda de la luz) dispersan la luz en cantidades muy similares en todas las direcciones, mientras que las partículas más grandes (>15 µm - ¼ de la longitud de onda de la luz) dispersan más luz en la dirección de avance debido a la interferencia aditiva entre la luz dispersada desde las diferentes partes de la partícula.
     
  • Luz incidente – las partículas más pequeñas dispersan más las longitudes de onda menores mientras que las de mayor tamaño dispersan más las de mayor longitud de onda.
     
  • Forma de las partículas – las partículas esféricas dispersan mayor proporción de luz hacia adelante que las partículas con otras formas.
     
  • Color de las partículas – las partículas con color absorberán luz a una determinada longitud de onda, lo cual, puede reducir la magnitud de la señal que llega al detector.
     
  • Índice de refracción – cuanto mayor sea la diferencia entre el índice de refracción de la partícula y el agua, mayor dispersión se producirá.
     
  • Concentración de partículas – la dispersión se intensifica según aumenta la concentración. La cantidad de dispersión secundaria y absorción también incrementa, lo cual eventualmente conlleva una reducción de la señal recibida.
 

Medición de la turbidez

 
Históricamente, la turbidez se medía mediante métodos visuales, como la vela de Jackson. Este método involucraba una vela y un tubo con un fondo de vidrio. El tubo se llenaba con la muestra hasta que la imagen de la llama se difuminaba en un resplandor uniforme. Este fue uno de los primeros métodos para cuantificar la turbidez y condujo a la definición de la Unidad de Turbidez de Jackson (JTU). Otros métodos visuales, como el disco Secchi o el tubo de turbidez, todavía se utilizan en algunos casos.
 
Los instrumentos modernos miden la turbidez irradiando luz y midiendo la dispersión producida por la muestra empleando un fotodetector. Cuantas más partículas haya presentes en la muestra, mayor será la señal dispersada y, por tanto, detectada. Si bien se puede usar cualquier ángulo para realizar las mediciones de dispersión, incluido 0º (que es la transmisión directa a través de la muestra*1), muchas normas internacionales, como la ISO 7027, especifican el uso de métodos nefelométricos para una determinación cuantitativa de la turbidez.
 
La nefelometría se refiere a la medición de la luz dispersada en un ángulo de 90º. Este ángulo se utiliza porque es el más sensible a la dispersión y es aplicable a todos los tamaños y formas de partículas. Las mediciones nefelométricas son el origen de la unidad más comúnmente utilizada para la medición de turbidez, NTU (Unidad Nefelométrica de Turbidez)*2
 
*1 Si se mide la transmisión directa, la señal detectada se reduce a medida que aumenta la concentración de partículas.
*2 Las unidades NTU generalmente se usan para medidas de turbidez, pero estrictamente solo se aplica si se usa una fuente de luz de Tungsteno. Para una fuente de luz infrarroja cercana, se deben utilizar unidades nefelométricas de  Formazina (FNU). Las dos unidades son aproximadamente equivalentes.
 

TurbSense®

 
El sensor TurbSense® de Process Instruments, mide la turbidez mediante una medida nefelométrica. La muestra se ilumina con un LED de 860nm y la luz dispersada se detecta en un ángulo de 90º mediante un fotodiodo.
 
El TurbSense® ha sido cuidadosamente diseñado para brindar un alto nivel de rendimiento. Esto se logra colimando la luz LED a través de un tubo, para reducir la divergencia de la luz dentro de la muestra y diseñando el extremo de la sonda escalonado para evitar que la luz emitida incida directamente en el detector.
 
 
La fuente de luz de Infrarrojo Cercano (NIR-860nm) es un requerimiento impuesto por la ISO 7027 ya que minimiza las posibles interferencias producidas por el color de la muestra.
 
Cuando se realiza una medida de turbidez, la señal generada por el detector se compone por: 1) La luz dispersada por las partículas contenidas en el agua; 2) La luz de fondo presente; 3) Las compensaciones requeridas por los componentes electrónicos empleados. Entre los factores de los componentes electrónicos que pueden contribuir a alterar  la señal detectada encontramos:
 
  • Corriente Oscura - La señal que produce el fotodiodo cuando no hay luz presente.
     
  • Variación en la señal de luz - Esto ocurre debido que la  luz emitida por un LED varía con la temperatura.
     
  • Ruido acoplado - Interferencia debida a componentes dentro de un sensor o equipo que hace que el circuito del detector capte una determinada señal.
 
 
 
En aguas limpias, con pocas partículas presentes, la señal producida por la luz dispersada será baja. Si hay luz de fondo cuando se realiza la medición, esta puede llegar a representar una parte importante de la señal medida.
 
La Figura 4 ilustra esto, mostrando la diferencia en la magnitud de las señales producidas cuando se analiza el agua del grifo en sistemas con y sin luz de fondo presente. Estas diferencias pueden resultar en medidas inexactas. Un cambio en las condiciones de luz de fondo hará que cambie la señal medida, lo que provocará un cambio aparente en la turbidez de una muestra. El efecto de los cambios de fondo se vuelve aún más significativo si hay una diferencia entre el fondo cuando se calibra el sensor y cuando se realiza la medición. Esta es una de las razones por las que la calibración de los sensores de turbidez puede ser difícil. Muchos procedimientos de calibración requieren que se realice una medición con una muestra de "0" NTU*3.
 
*3 Es imposible lograr una muestra verdadera de 0,000 NTU. La dispersión molecular del agua dará una turbidez de alrededor de 0,018 NTU.
 
Este tipo de muestras son difíciles de obtener, particularmente en campo, y la medición de este tipo de muestras se verá significativamente afectada por los niveles de luz de fondo.
 
 
Para superar estos problemas, TurbSense® utiliza un nuevo enfoque para realizar mediciones de turbidez que permite una calibración simple y brinda resultados estables. El enfoque utilizado es tomar medidas a diferentes intensidades de luz. Esto se puede hacer debido a que cambiar los niveles de luz tiene un efecto similar en la señal detectada al de cambiar la turbidez de la muestra. Este efecto se ilustra en la Figura 5, que muestra que cambiar el nivel de luz (para una muestra de turbidez fija) tiene el mismo efecto en la señal del detector que cambiar la turbidez de la muestra (para un nivel de luz fijo).
 
Esto significa que se puede realizar una calibración utilizando una sola muestra y variando la salida de luz para calcular una relación entre la turbidez y la señal detectada.
 
 
 
 

Calibración del TurbSense®

 
Para realizar una calibración se mide la turbidez de la muestra mediante la señal del detector junto con la señal de referencia, que mide con precisión la cantidad de luz emitida.
 
A continuación, la intensidad de la luz emitida se reduce al 75%, 50% y 25% de potencia. Las señales del detector y de referencia se miden en cada uno de estos puntos. Estos puntos se enfrentan uno contra el otro, como se muestra en la Figura 6, para calcular así el gradiente.
 
 
 
Si estas lecturas se toman en sucesiones rápidas, se puede suponer que los fondos de estas medidas son idénticos entre sí.
 
De esta manera conseguimos independizar el gradiente de las condiciones de fondo y podemos atribuir exclusivamente a la turbidez los cambios captados por el detector.
 
Por otro lado, una muestra sin turbidez no mostrará gradiente, independientemente de la cantidad de luz que se suministre al sistema. Esto nos permite fijar un punto 0. Así, no será necesario realizar una medición de '0' NTU. La relación entre el gradiente y la turbidez, como se ilustra en la Figura 7, se puede establecer y luego usar para determinar la turbidez de las muestras.
 
 
Para realizar una medición de turbidez en una muestra, la señal del detector y las señales de referencia se registran al 100 %, 75 %, 50 % y 25 % de potencia de luz emitida. El gradiente entre estos puntos se usa luego para calcular la turbidez  de la muestra.
 
Otro beneficio de contar con una señal de referencia en la medición es que se reducen drásticamente los problemas asociados con los cambios de temperatura, algo que comúnmente afecta en las mediciones ópticas. La emisión de luz es el factor que más afectado se ve con la temperatura y tales cambios serán trasladados tanto en la señal de referencia como en la señal del detector y cancelados.
 
El uso de un procedimiento de calibración de un solo punto permite que TurbSense® brinde mediciones de turbidez precisas en una amplia gama de muestras. Esto se ilustra con los resultados que se muestran en las Figuras 8 y 9 que muestran la comparación entre la turbidez de una muestra y la turbidez medida con TurbSense® para una variedad de muestras.
 
 
 
 
 
 
 

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