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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MINATITLÁN Asignatura:

Intrumentacion analítica Profesor:

Ing. “analizadores de campos eléctricos y magneticos” Integrantes del equipo:

7mo Semestre Ingeniería Electrónica

3.1 analizadores de conductividad eléctrica Conductividad eléctrica, aptitud de una sustancia de conducir la corriente eléctrica, los iones cargados positiva y negativamente son los que conducen la corriente, y la cantidad conducida dependerá del número de iones presentes y de su movilidad.

Conductividad en diferentes medios Los mecanismos de conductividad difieren entre los tres estados de la materia, en los sólidos los átomos como tal no son libres de moverse y la conductividad se debe a los electrones. En los metales existen electrones cuasi-libres que se pueden mover muy libremente por todo el volumen, en cambio en los aislantes, muchos de ellos son sólidos iónicos, apenas existen electrones libres y por esa razón son muy malos conductores.

Conductividad en medios líquidos La conductividad en medios líquidos (Disolución) está relacionada con la presencia de sales en solución, cuya disociación genera iones positivos y negativos capaces de transportar la energía eléctrica si se somete el líquido a un campo eléctrico. Estos conductores iónicos se denominan electrolitos o conductores electrolíticos. Las determinaciones de la conductividad reciben el nombre de determinaciones conductométricas y tienen muchas aplicaciones como, por ejemplo:    

En la electrólisis, ya que el consumo de energía eléctrica en este proceso depende en gran medida de ella. En los estudios de laboratorio para determinar el contenido de sales de varias soluciones durante la evaporación del agua (por ejemplo en el agua de calderas o en la producción de leche condensada). En el estudio de las basicidades de los ácidos, puesto que pueden ser determinadas por mediciones de la conductividad. Para determinar las solubilidades de electrólitos escasamente solubles y para hallar concentraciones de electrólitos en soluciones por titulación.

Conductividad en medios sólidos

Según la teoría de bandas de energía en sólidos cristalinos, son materiales conductores aquellos en los que las bandas de valencia y conducción se superponen, formándose una nube de electrones libres causante de la corriente al someter al material a un campo eléctrico. Estos medios conductores se denominan conductores eléctricos. La Comisión Electrotécnica Internacional definió como patrón de la conductividad eléctrica: Un hilo de cobre de 1 metro de longitud y un gramo de masa, que da una resistencia de 0,15388 Ω a 20 °C al que asignó una conductividad eléctrica de 100% IACS (International Annealed Cooper Standard, Estándar Internacional de Cobre no Aleado). A toda aleación de cobre con una conductividad mayor que 100% IACS se le denomina de alta conductividad (H.C. por sus siglas inglesas).

Medición de la conductividad La conductividad eléctrica es el recíproco de la resistencia en ohms, medida entre las caras opuestas de un cubo de 1.0 cm de una solución acuosa a una temperatura especificada. Esta solución se comporta como un conductor eléctrico donde se pueden aplicar las leyes físicas de la resistencia eléctrica. Las unidades de la conductividad eléctrica son el Siemens/cm ( las unidades antiguas, eran los mhos/cm que son numéricamente equivalentes al S/cm ). En la práctica no se mide la conductividad entre electrodos de 1 cm3 sino con electrodos de diferente tamaño, rectangulares o cilíndricos, por lo que al hacer la medición, en lugar de la conductividad, se mide la conductancia, la cual al ser multiplicada por una constante ( k ) de cada celda en particular, se transforma en la conductividad en S/cm. Conductividad = Conductancia de la muestra *k k = d/A k: Constante de la celda d: distancia de la separación de los electrodos A: Área de los electrodos Así, un electrodo de 1 cm de separación y con área de 1 cm , tendrá una k = 1 La medición eléctrica se efectúa mediante un instrumento denominado conductímetro que consiste en un [[puente de Wheastone para medir resistencias. Las resistencias R1 y R2 son fijas y su valor va de acuerdo al intervalo de conductividad que se pretende medir. La resistencia Rx es la que proporciona la solución a la cual se le va a medir la conductividad. La resistencia R3 se varía en forma continua hasta poner en equilibrio el puente, de tal forma que no pase corriente hacia el medidor.

Factores que influyen en la medición 

La exposición de la muestra al aire atmosférico, puede causar cambios en la conductividad, debido a pérdida o ganancia de gases disueltos, en especial el CO2. Esto es especialmente importante para aguas de alta pureza, con concentraciones bajas de gases y sustancias ionizables. Para evitar esto se debe tener una atmósfera inerte de nitrógeno o helio sobre la muestra.



Sustancias no disueltas o materiales que precipiten lentamente en la muestra, pueden causar ensuciamiento en la superficie de los electrodos y causar lecturas erroneas. El ensuciamiento por sustancias orgánicas, bioensuciamientos y corrosión de los electrodos, causan lecturas inestables o erroneas. El factor de correlación para obtener los valores cuantitativos de los sólidos totales disueltos solo es válido cuando la muestra tiene un pH entre 5 y 8, a valores mayores o menores de pH, los resultados no serán confiables. Se tendrá que ajustar el valor del pH a cerca de 7.0 utilizando un ácido o una base débil según sea necesario.

 

3.2 sistemas de medición de PH El medidor de pH es un instrumento utilizado para medir la acidez o la alcalinidad de una solución, también llamado de pH. El pH es la unidad de medida que describe el grado de acidez o alcalinidad y es medido en una escala que va de 0 a 14. Las informaciones cuantitativas dadas por el valor del pH expresan el grado de acidez de un ácido o de una base en términos de la actividad de los iones de hidrógeno. El valor del pH de determinada sustancia está directamente relacionado a la proporción de las concentraciones de los iones de hidrógeno [H+] e hidroxilo [OH-]. Si la concentración de H+ es mayor que la de OH-, el material es ácido; el valor del pH es menor que 7. Si la concentración de OH- es mayor que la de H+, el material es básico, con un pH con valor mayor que 7. Si las cantidades de H+ y de OH- son las mismas, el material es neutral y su pH es 7. Ácidos y bases tienen, respectivamente, iones de hidrógeno y de hidroxilo libres.

La relación entre los iones de hidrógeno y de hidroxilo en determinada solución es constante para un dado conjunto de condiciones y cada uno puede ser determinado desde que se conozca el valor del otro.

¿QUÉ SIGNIFICA EL TÉRMINO "PH"? El término pH es derivado de "p", el símbolo matemático para logaritmo del inverso y "H", el símbolo del elemento químico "Hidrógeno". Medición de pH Una indicación aproximada del pH puede ser obtenida usando indicadores o cintas de pH, que cambian de color en función de la variación del nivel de pH. Esos indicadores presentan limitaciones en términos de exactitud y pueden ser difíciles de interpretar correctamente en muestras oscuras o coloridas.

Mediciones más exactas son obtenidas usando un medidor de pH. El sistema de medición es formado por tres partes: un electrodo de medición de pH, un electrodo de referencia y un medidor de alta impedancia de entrada. El electrodo de pH puede ser considerado como si fuera una batería, con una tensión que varía conforme el pH de la solución medida. El electrodo que mide el pH es un bulbo de vidrio sensible a iones de hidrógeno, con una salida en milivoltios que varía conforme las alteraciones en la concentración relativa de los iones de hidrógeno dentro y fuera del bulbo. La salida del electrodo de referencia no cambia con la actividad de los iones de hidrógeno. El electrodo de pH posee una resistencia interna muy alta, lo que dificulta la medición de la variación de la tensión con el pH. Por lo tanto, la impedancia de la entrada del medidor de pH y las resistencias de dispersión son factores importantes. Básicamente, el medidor de pH es un amplificador de alta impedancia que mide con exactitud las tensiones mínimas del electrodo y exhibe los resultados directamente en unidades de pH en una pantalla analógica o digital. En algunos casos, las tensiones también pueden ser interpretadas para aplicaciones especiales o uso con electrodos de iones selectivos o de potencial de oxidación/reducción (ORP). Electrodos de pH La tecnología del electrodo de pH no ha cambiado mucho en los últimos 50, 60 años. Con todos los avances tecnológicos en los últimos 30, 40 años, la fabricación de electrodos de

pH continúa siendo un arte. Modeladores soplan el cuerpo de vidrio especial del electrodo hasta obtener la configuración deseada. No se trata de un proceso altamente avanzado o de alta tecnología y sí de una etapa fundamental y muy importante de la fabricación de los electrodos. En verdad, la espesura del vidrio determina su resistencia y afecta sus resultados. Compensación de Temperatura La compensación de temperatura es contenida dentro del instrumento, pues los electrodos de pH y las mediciones son sensibles a la temperatura. La compensación puede ser manual o automática. En la compensación manual, es necesaria una medición de temperatura separada y el control de compensación manual del medidor de pH puede ser ajustado con el valor aproximado de la temperatura. En la compensación automática (ATC), la señal de una sonda de temperatura separada es transmitida para el medidor, de modo que sea posible determinar con precisión el valor del pH de la muestra en aquella temperatura.

Soluciones Tampón Los tampones son soluciones con valores constantes de pH y capacidad de resistir a cambios en

determinado nivel de pH. Son usados para calibrar el sistema de medición de pH (electrodo y medidor). Pueden haber pequeñas diferencias entre los resultados de un electrodo y otro, además de alteraciones con el pasar del tiempo. Por lo tanto, el sistema debe ser periódicamente calibrado. Las soluciones tampón son colocadas a la disposición en un amplio rango de valores de pH y en forma de líquido premezclado o en convenientes cápsulas de polvo seco. La mayoría de los medidores exige calibración en varios valores de pH específicos. Generalmente, una calibración es realizada cerca del punto isopotencial (la señal producida por un electrodo a un pH 7 es 0 mV a 25ºC) y una segunda normalmente ocurre a un pH igual a 4 o 10. Es mejor escoger una solución que esté lo más cerca posible del valor real del pH de la muestra a ser medida.

Efectos de la Temperatura en el pH Temperaturas superiores a 25ºC: la compensación de temperatura reduce el pH alto y eleva el bajo, resultando en un valor más próximo del neutral. Temperaturas debajo de 25ºC: la compensación de temperatura eleva el pH alto (más básico) y reduce el pH bajo (más ácido), resultando en valores más distantes del neutral. Si la compensación de temperatura necesita ser aplicada o no, se trata de una cuestión relativa a la exactitud del pH exigido. Por ejemplo, si la exactitud exigida es del ± 0.1 pH, a un pH igual a 6 y a 45ºC (113ºF), el error es de 0.06, que está dentro de los requisitos de exactitud. Por otro lado,

con la misma exigencia de exactitud del ± 0.1 pH, a un pH igual a 10 y a 55ºC (131ºF), el error es de 0.27 pH y, por lo tanto, debe ser usada la compensación.

Cuando la compensación es necesaria, puede ser realizada de dos maneras. Si la temperatura fluctúa, debe ser usado un compensador automático. Si la temperatura es constante en varios grados Celsius, puede ser usado un compensador manual. Si no es necesario emplear un compensador, un resistor fijo puede ser instalado en los terminales del compensador de temperatura. Cualquiera de los dispositivos citados arriba – compensación automática, compensación manual o resistor fijo – opera en función del circuito electrónico del medidor de pH. Como tal, las informaciones y las piezas deben ser obtenidas con el fabricante del medidor. Si son utilizados compensadores automáticos, estos siempre deben ser colocados en el mismo lugar del electrodo de pH. Cuando los electrodos son calibrados, hundiéndolos en la solución tampón, el compensador también debe ser calibrado de esa manera. De modo similar, un compensador manual debe ser ajustado para reflejar la temperatura en la cual el electrodo de pH es expuesto durante la calibración y la operación. Desafíos de las Aplicaciones de Medición de pH. Cada complicación relativa al pH es única. La lista a seguir ilustra los tipos de problemas que usted puede esperar encontrar al medir el pH y muestra cómo trabajar con ellos.

1. Con frecuencia, la instrumentación es la fuente de disturbios en los sistemas de pH, causados por repetitividad, error, ruido de medición o histéresis de la válvula. 2. Los loops en línea del pH oscilan, independientemente de los modos y de la regulación del controlador, si los puntos de ajuste están en los trechos más inclinados de las curvas de

titulación.

3. Conjuntos sumergibles de electrodos de pH con terminaciones no encapsuladas debajo de

la

superficie

del

líquido

acabarán

teniendo

terminaciones

húmedas.

4. Válvulas de control de reactivos que no están acopladas al punto de inyección en sistemas en línea causan atrasos tan grandes en el envío de los reactivos que lo harán

perder

la

noción

del

tiempo.

5. Si usted necesita un medidor de flujo o un vidente para diagnosticar problemas en el envío

del

reactivo.

6. Señales de flujo del tipo feed-forward deben ser multiplicados por las salidas del controlador de pH y aplicados en la operación directa de las válvulas del reactivo o para establecer

puntos

de

ajuste

del

control

de

flujo

del

reactivo.

7. Atrasos en el transporte para electrodos de pH dentro de casas de analizadores ultrapasan los plazos de mezcla, de modo que una comodidad mayor en la verificación de los electrodos compensa la comodidad menor en la verificación de los registros de tendencias. 8. Siempre que sea posible, debe darse preferencia a electrodos de inyección, en relación a los conjuntos de porta muestras, con el fin de reducir los problemas de mantenimiento y mejorar los tiempos de respuesta – sin embargo, no todos los electrodos de inyección son iguales. 9. Usted puede usar tanques grandes, si no necesitan de control. Utilice el volumen ascendente para reducir el consumo de reactivos o descendente para reducir el error de control. Si no sabe cuál de ellos usar, opte por descendente. 10. Instale uno o tres, pero nunca

dos

electrodos

para

medir

el

pH.

3.3 analizadores de oxigeno

3.4 analizadores de combustión /combustible