Elettronica e rumore

Elettronica e rumore
L’analisi chimica moderna non esisterebbe senza le
possibilità offerte dall’impiego razionale degli strumenti
elettronici.
La maggioranza di questi strumenti contiene un
trasduttore/rivelatore ed un elaboratore di segnale che
comunica con un microprocessore o computer.
Il trasduttore converte le variazioni di temperatura,
concentrazione, pressione, volume o intensità di luce
in segnali elettrici.
L’elaboratore di segnale converte il segnale elettrico
in una forma appropriata per l’utilizzo finale.
Il computer immagazina, elabora e distribuisce i
dati; può gestire il funzionamento dello strumento.
Schema di uno strumento modulare
Come funzionano i rivelatori e come trasformano
l’informazione analitica?
Tutti i dispositivi elettronici, dai più semplici ai più
complessi, hanno la funzione di gestire un flusso di cariche
elettriche che scorrono tutte nella stessa direzione (DC).
L’intensità del flusso di corrente dipende dal potenziale
elettrico e dalla resistenza al flusso secondo la legge di
Ohm.
V è il potenziale (V)
i è la corrente (A)
V=iR
R è la resistenza (Ω)
Le proprietà dei circuiti elementari in corrente continua
possono essere interpretate e previste utilizzando le
leggi di Kirchhoff:
1. La somma algebrica delle correnti in qualsiasi nodo
del circuito è pari a zero;
2. La somma algebrica delle differenze di potenziale
lungo qualsiasi percorso chiuso di un circuito è pari a
zero.
Resistori in serie
Resistori in parallelo
Il circuito noto come ponte di Wheatstone,
costituito da resistori combinati in serie ed in
parallelo, consente di misurare accuratamente minime
differenze sia di potenziale che di resistenza.
Quando nel filo che unisce i punti a e b non si ha
passaggio di corrente si ha una condizione di
annullamento (stessa tensione). La condizione di
annullamento è caratteristica del bianco.
Deriva e rumore
Tutti i sistemi analitici si basano sulla misurazione di un
segnale (i.e. ∆V). Il segnale costante in uscita, non dovuto
all’analita contenuto nel campione, si definisce linea di base
(oppure fondo o “baseline”).
L’allontanamento nel tempo della linea di base dalla
orizzontalità si chiama deriva (“drift”).
Si definisce rumore (o “noise”) una indesiderata variazione
del segnale in uscita, dipendente dal tempo, casuale o quasi
casuale.
Un esperimento in cui il rumore di fondo sia
completamente
assente
è
impossibile…
=> la presenza del rumore è uno dei fattori
strumentali che contribuiscono a limitare le
prestazioni analitiche di qualunque strumento.
Diluendo di un fattore 1:10 il campione analitico,
diventa praticamente impossibile discriminare tra il
segnale dell’analita ed il fondo.
Il rumore nei segnali elettrici è dovuto a fenomeni
diversi, generando almeno quattro forme di rumore:
 Rumore bianco (termico o gaussiano): dovuto al moto
casuale degli elettroni in un circuito;
 Rumore granulare: nasce dall’emissione o dalla
incidenza casuale dei quanti, fotoni o elettroni;
 Rumore 1/f: si manifesta nelle misurazioni < 300 Hz;
 Rumore di linea (interferenza): dovuto a correnti
indotte da campi E o B esterni al campione ed allo
strumento.
Misura del rumore
L’intensità del rumore può essere misurata in 2 modi:
• misurare la sua massima ampiezza in una regione priva
di segnali analitici (tensione picco-picco, Vp-p);
• trattare il noise come un’onda sinusoidale e calcolare
la radice quadrata del rumore quadratico medio (rootmean square noise, rms).
Vrms = 0.35 Vp-p
Il rapporto S/N
Più che il valore assoluto del rumore, è importante
calcolare il rapporto rumore/segnale (signal-to-noise
ratio, S/N) per conoscere il limite per la determinazione
dell’analita nel campione.
Si esprime come limite di rivelabilità la quantità di
analita capace di produrre un segnale da 2 a 3 volte il
livello di rumore rms.
Il limite inferiore di concentrazione esprime la quantità
che può essere effettivamente misurata ed è in genere
da 3 a 5 volte superiore al limite di rivelabilità.