Parámetros del potenciostato explicados

 

Parámetros del potenciostato explicados, contienen muchos parámetros aquí los detallamos. 

Si tiene dudas sobre el significado de un determinado parámetro, no se preocupe más. A continuación encontrará una explicación de los parámetros más importantes.

bits

En un nivel muy fundamental, las computadoras solo pueden diferenciar entre dos estados: voltaje y sin voltaje. Debido a esto, las computadoras usan el sistema binario, donde los dos estados están representados por 0 o 1. No explicaré el sistema binario en detalle aquí, porque no es necesario para comprender los bits y lo que significan para un potenciostato. En pocas palabras: en el sistema binario, cada dígito representa 2 estados, mientras que en el sistema decimal de uso común, cada dígito representa 10 estados.

Cada dígito, que puede ser un 0 o un 1, se denomina bit. Aquí hay una trivia: 8 bits se llaman un byte. Un bit puede tener dos estados, pero si combino 2 bits, ya puedo tener 4 estados: 00, 01, 10, 11. Cada vez que sumo un dígito, el número de estados posibles se duplica. Con 12 bits ya puedo tener 4096 estados. El número de estados que se pueden representar con N bits se puede calcular mediante la fórmula.

Figura 1 Estados posibles para 1 bit, 2 bits y algunos estados para 12 bits.

 

Los mismos principios se aplican a los potenciostatos digitales. Un potenciostato tiene que convertir las medidas del mundo real al formato binario para poder usarlas. El número de bits a los que se convierte la medición del mundo real es uno de los factores determinantes para la resolución de un potenciostato.

Resolución

La resolución es la diferencia observable más baja entre dos valores que un dispositivo de medición puede diferenciar. Por ejemplo, si la resolución de un potenciostato es de 100 mV, diferencia entre 200 mV y 300 mV, pero 280 mV se leería como 300 mV.

Para comprender cómo los bits definen la resolución de un dispositivo y por qué el rango actual también influye, se utiliza un ejemplo en el siguiente párrafo.

Es posible que algunos de ustedes todavía recuerden a los conspiradores o escritores analógicos. Estas máquinas movían un bolígrafo sobre una hoja de papel dependiendo de un voltaje aplicado. Si desea medir el voltaje a lo largo del tiempo con un voltímetro analógico y usar un trazador analógico, configurará el movimiento horizontal del papel a una cierta velocidad y comenzará a aplicar el voltaje al voltímetro. El escritor se moverá verticalmente a través del papel dibujando una línea dependiendo del voltaje aplicado. El continuo de valores potenciales se traduce en un continuo de posiciones de pluma. El espectro completo del movimiento de la pluma está limitado por el borde superior e inferior del papel, pero todos los valores intermedios son posibles. La resolución está limitada por el grosor de la línea dibujada y su capacidad para leer la línea.

Si este sistema se digitaliza ya no tienes un continuo de valores, sino valores discretos. Esto se debe a los estados limitados proporcionados por los bits. En este ejemplo, los límites del escritor se definen arbitrariamente como 0 V y 100 V. Estos son los valores extremos. A cada estado posible se le asigna un número entre estos valores extremos. Por lo general, se eligen valores equidistantes. Si tuviéramos solo 2 bits y, por lo tanto, 4 estados en este ejemplo, los estados tendrían los valores 0, 33, 66 y 100.

Esto haría que la resolución fuera bastante mala. El voltímetro no podría decir la diferencia entre 70 y 90 V. Si tenemos 12 bits y por lo tanto 4096 estados, los valores podrían ser 0, 0,0244, 0,0488, 0,0733, etc. De repente, el voltímetro puede medir la diferencia entre 0,1 V y 0,2 V Sin ningún problema.

Figura 2 Representación esquemática de un plotter con dibujo a lápiz sobre una hoja de papel, de izquierda a derecha: plotter analógico, plotter de 2 bits, plotter de 12 bits

Al igual que en el ejemplo anterior, los bits y los valores extremos definen la resolución de un potenciostato. Los valores extremos, corriente mínima y máxima medible, están definidos por el hardware. Para permitir que un potenciostato mida una amplia gama de corrientes, incluso en múltiples magnitudes, se utilizan diferentes circuitos para ajustar los valores extremos. Por lo tanto, estos diferentes circuitos definen el rango de corriente en el que se puede medir. Si elige un rango de corriente para una corriente baja y mide una corriente alta, obtendrá una sobrecarga. La corriente se limitará al valor máximo de corriente para ese rango de corriente. Si elige un rango de corriente que es mucho más alto que la corriente medida, su resolución será mala, como se explicó anteriormente.

¿Qué es mejor: mayor o menor resolución?
Aquí hay una trivia interesante: De lo discutido anteriormente, debe quedar claro que una mejor resolución tiene un valor menor, es decir, cuanto menor es la resolución, mejor. Sin embargo, ¿por qué la gente suele hablar de una alta resolución cuando se pueden resolver distancias más pequeñas? Esto se origina en pantallas electrónicas, televisores, etc. En esta situación, la resolución se da en dpi, que significa puntos por pulgada. Cuantos más puntos por pulgada, más pequeñas son las distancias entre los puntos individuales. Y esta es nuevamente la definición de la resolución como se describe anteriormente. La resolución medida en ppp aumenta cuando la resolución mejora. La resolución en una unidad de distancia se vuelve más pequeña cuando la resolución mejora.

Alcance actual

El rango de corriente definirá la corriente mínima y máxima que puede medir un potenciostato, esto quiere decir que también determinará la resolución, ya que el número de bits o mejor dicho de estados es fijo, mientras que el rango de corriente es variable. Esto se discute en los artículos que cubren los bits y la resolución.

Por ejemplo, la corriente máxima y mínima de PalmSens4 es 6,25 veces y -6,25 veces el rango de corriente elegido. Cuando se elige el rango de 1 µA, la corriente máxima es de 6,25 µA y la corriente mínima es de -6,25 µA. PalmSens4 utiliza 18 bits para las conversiones, lo que da como resultado 262 144 estados. La diferencia entre cada paso es el rango completo de corriente dividido por el número de estados:

Esto significa que la diferencia entre cada estado es (idealmente) 0.000048 µA = 48 pA. Si lee las especificaciones de PalmSens4 para la resolución actual medida, encontrará que la resolución es 0,005 % del rango actual. Esto es consistente con el cálculo basado en los bits, porque 48 pA dividido por 1 µA es 0,0048 %.

Figura 3: Influencia del rango de corriente en la resolución basada en PalmSens4 (18 bits) en el rango de corriente de 1 mA y 10 µA.

Comprender estos conceptos ayuda a elegir el rango de corriente correcto. Se debe elegir un rango de corriente tan alto como sea necesario pero tan bajo como sea posible. Si elige un rango de corriente demasiado bajo, se producirá una sobrecarga del rango de corriente. Esto significa que la corriente que desea medir es mayor que la corriente máxima para el rango de corriente elegido. Si el rango actual es superior al requerido, la resolución y la precisión no serán óptimas. En casos extremos, es decir, más de 3 magnitudes superiores (rango de mA cuando se miden µA), los valores medidos pueden mostrar una desviación significativa del valor real.

Rango automático

Una ventaja de los potenciostatos digitales es su capacidad para ser controlados por software. En el pasado, se tenía que girar un interruptor físico para cambiar el rango actual. Los potenciostatos digitales pueden cambiar el rango actual mediante el control del software. Esto permite que el potenciostato cambie el rango de corriente durante una medición. El software de potenciostato puede incluso reconocer si un rango actual es demasiado bajo o demasiado alto y ajustar el rango actual en consecuencia. Esto se llama rango automático. Por lo general, se eligen algunos rangos de corriente, que el potenciostato puede usar. El software cambiará entre estos rangos actuales cuando sea necesario.

Si un potenciostato PalmSens mide una corriente cercana a la corriente máxima del rango actual, cambiará al siguiente rango de corriente más alto, si hay un rango de corriente más alto activo disponible. Un solo valor alto es suficiente para activar ese interruptor, porque las sobrecargas pueden hacer que una buena medición sea inútil.

Si se mide un valor que se considera bajo para este rango de corriente y, por lo tanto, podría tener una mejor resolución en un rango de corriente más bajo, el software lo declara subcarga. Dependiendo del dispositivo, de 3 a 5 subcargas consecutivas activan el cambio a un rango de corriente más bajo, si hay alguno disponible.

La razón por la que se requieren múltiples subcargas para un disparador pero solo 1 sobrecarga es que una sobrecarga puede estropear su medición, mientras que una subcarga es subóptima la mayoría de las veces. Además, evita que el potenciostato salte de un lado a otro entre dos rangos de corriente, cuando la corriente medida está en el límite del rango de corriente.

Figura 4 Extractos de datos sin procesar que muestran el rango automático desde el rango de 100 µA hasta el rango de 10 µA (arriba) y viceversa (abajo).

Exactitud

Parámetros del potenciostato explicados. En la sección sobre bits, corriente, rango de corriente y, por supuesto, resolución, la resolución se discutió a fondo. Un parámetro que suele confundirse con la resolución es la precisión.

Mientras que la resolución describe cuándo dos valores medidos están tan cerca que se medirán como el mismo valor o se expresarán de manera diferente: ya no se pueden resolver, la precisión describe qué tan cerca de los valores reales está su medición. La precisión solo describe errores de medición sistemáticos, no mediciones que parecen ser “ruidosas”.

Una resolución de 5 fA le permite ver la diferencia entre 1.000 nA y 1.005 nA, sin embargo podría haber una desviación de 0.5 nA en su sistema debido a una fuga de corriente. Dado que esta desviación siempre estaría allí, esto se describiría por la precisión. Si la precisión es de 0,5 nA y su valor medido es de 1 nA, sabrá que su valor real está entre 0,5 nA y 1,5 nA. En tal situación, una resolución de 5 fA es más que suficiente.

Si lee la sección sobre resolución, puede darse cuenta de que mejorar la resolución es fácil. Simplemente aumente el número de bits. ¿Esto aumentará la calidad de su medición?

Solo mejorará su medición, si la desviación del valor real es menor (buena exactitud y precisión) que la resolución. A menudo, este no es el caso, y la resolución ya es mejor que la precisión o la precisión. Reducir la resolución aún más al nivel de aA no mejora la medición, si su baja precisión conduce a una desviación de nA.

La precisión de su medición tiene más contribuciones que solo la precisión de los instrumentos. Hacer soluciones, medir volúmenes, colocar electrodos, preparar electrodos, etc., todo contribuye a la precisión de su experimento. A menudo, estos errores son sistemáticos y producirán siempre la misma desviación en la misma dirección. Esos errores son casi imposibles de determinar en sistemas multiparamétricos complejos como las celdas electroquímicas. Afortunadamente para muchas mediciones cuantitativas, una curva de calibración tendrá en cuenta esta desviación.

Precisión

En la sección de precisión se discutieron los errores sistemáticos, pero también hay errores aleatorios. Esto suele ser lo que se registra en una medición como ruido. Estas son influencias aleatorias en la medición que son independientes de la medición, es decir, la frecuencia o intensidad del ruido no depende de la medición.

Estos eventos aleatorios también contribuyen al error de un valor medido, pero debido a su naturaleza aleatoria podemos estimar el valor real sin estos errores aleatorios.

Múltiples influencias aleatorias durante una medición agregadas a su valor medido conducirán a una distribución gaussiana, si traza la probabilidad de que ocurra un valor medido frente a los valores. El valor más probable es el valor sin error aleatorio ni ruido. Cuanto mayor sea la desviación del valor real, menos probable es que ocurra el valor. El ruido generalmente tiene una distribución normal.

La precisión describe cuán amplia es esta distribución. Cuanto menor sea la precisión, más valores se desviarán del valor libre de ruido. Si no usara un potenciostato sino una escopeta, la precisión describiría la dispersión de los proyectiles. Esto significa que la precisión también describe la repetibilidad.

Figura 5 Los términos exactitud y precisión explicados con el ejemplo de una escopeta en lugar de un potenciostato.

Una buena propiedad de un ruido distribuido normal es que es simétrico con el valor libre de ruido como centro. Si realiza la misma medición varias veces y luego promedia los valores medidos, el promedio de la medición debe estar más cerca del valor libre de ruido que la mayoría de los valores individuales. La reducción del ruido realizada de esta forma es proporcional a la raíz cuadrada de N, donde N es el número de muestras recogidas.

Los potenciostatos y otros instrumentos explotan esta propiedad al registrar muchos valores, promediarlos y luego devolver el promedio como el valor medido. Entonces, cuando ve un solo punto en su medición, lo más probable es que se trate de cientos de muestras promediadas para formar este valor único. La cantidad de muestras que se usaron para hacer un punto de su medición depende de los parámetros específicos de la técnica y la tasa de muestreo del instrumento.

Tasa de muestreo

La frecuencia de muestreo describe qué tan rápido el instrumento puede recopilar valores de medición. Estas muestras generalmente se promedian para hacer un punto de datos en su medición.

La tasa de muestreo se da en muestras/s o Hz, porque las muestras no tienen una dimensión. Es el límite superior teórico para el muestreo de datos. Esto significa que es una limitación de los componentes de hardware. Las mediciones que está ejecutando, la sobrecarga del software, etc. también limitan la tasa de muestreo. Hasta qué punto eso sucede depende de cada medición y sus parámetros. Por este motivo, puede encontrar los valores extremos y las limitaciones de cada técnica en la descripción de los instrumentos de PalmSens. Afortunadamente, el tiempo de muestreo exacto a menudo no es lo que la gente busca.

La mayoría de las veces, las personas considerarán la frecuencia de muestreo para comparar instrumentos y una frecuencia de muestreo más alta significa que el instrumento registra más valores por segundo que el instrumento con una frecuencia de muestreo más baja. La frecuencia de muestreo limita la rapidez con la que un instrumento puede registrar valores, lo que significa que también influye en el ruido.

Como se discutió en el artículo sobre precisión, puede promediar múltiples valores de la misma medida para obtener un valor cercano al valor medido sin el error aleatorio también conocido como ruido. La reducción de ruido, que se puede lograr de esta manera, es proporcional a la raíz cuadrada de N, que es el número de muestras promediadas. N depende del tiempo dado para el registro de la muestra y de la rapidez con que se recolectan las muestras, esa es la tasa de muestreo. Si dos instrumentos están realizando la misma medición con los mismos parámetros y diferentes frecuencias de muestreo, el instrumento con la mayor frecuencia de muestreo parece medir menos ruido, porque su N es mayor.

Todo lo anterior se supone que tiene una distribución normal de ruido. Si cierto ruido es muy dominante, por ejemplo, el ruido de la frecuencia de la red de 50 o 60 Hz, o la frecuencia del ruido es más baja que el intervalo de medición, no se reducirá con el promedio.

Tenga en cuenta que es mejor tener menos ruido en la medición, en lugar de reducir el ruido mediante el promedio.

Si desea ajustar N, debe ajustar el tiempo de recolección de muestras, ya que la tasa de muestreo es una propiedad del instrumento y no se puede cambiar.

El intervalo de tiempo para la recolección de muestras, el tiempo de muestreo o la ventana de muestreo, se puede aumentar cambiando los parámetros de su medición. Los intervalos t más largos, el tiempo entre dos puntos, las velocidades de exploración más lentas, los potenciales de paso más altos o las frecuencias más bajas pueden aumentar el tiempo de muestreo según su técnica.

Esta entrada fue publicada en Uncategorized. Guarda el enlace permanente.