1. Introducción
El oxígeno disuelto (OD) constituye uno de los parámetros fisicoquímicos de mayor importancia
para la evaluación de la calidad del agua y el controlde numerosos procesos industriales y ambientales. Su determinación es indispensable en actividades relacionadas con el tratamiento de agua potable y residual, la acuicultura, la industria alimentaria, los procesos biotecnológicos y el monitoreo ambiental, donde pequeñas desviaciones en la medición pueden influir significativamente en la interpretación de los resultados y en la toma de decisiones. Debido a ello, la confiabilidad metrológica de los medidores de oxígeno disuelto representa un aspecto fundamental para garantizar la calidad de las mediciones.
Los fabricantes de estos instrumentos recomiendan, de manera general, realizar el ajuste operativo del sensor utilizando dos condiciones de referencia: un punto de cero, obtenido mediante una solución libre de oxígeno, y un punto correspondiente al 100 % de saturación, empleando aire saturado con vapor de agua, procedimiento también contemplado por la Norma ISO 5814:2012 para el ajuste de instrumentos destinados a la medición de oxígeno disuelto. Sin embargo, cuando se requiere desarrollar un procedimiento de calibración metrológica por comparación, resulta necesario disponer de soluciones acuosas cuya concentración de oxígeno disuelto pueda relacionarse con valores de referencia obtenidos a partir de principios fisicoquímicos reconocidos, considerando variables como la temperatura, la presión atmosférica y, cuando corresponda, la salinidad.
En este contexto, el Laboratorio de Calibración LO JUSTO SAC desarrolló e implementó un
procedimiento metrológico para medidores de oxígeno disuelto basado en la generación de agua
desionizada en equilibrio termodinámico con la atmósfera, permitiendo establecer diferentes niveles de concentración mediante el control de la temperatura. Como parte de esta implementación se realizó una evaluación preliminar del procedimiento, incluyendo la puesta a punto del sistema de generación del medio de referencia, su evaluación experimental y una comparación del comportamiento de los instrumentos ajustados mediante el procedimiento convencional del fabricante y mediante el sistema desarrollado. El presente boletín resume los principales aspectos técnicos de este trabajo y presenta los resultados más relevantes obtenidos durante su implementación, preservando aquellos detalles operativos que forman parte del conocimiento técnico desarrollado por el laboratorio.
1.1. Generalidades
Los medidores de oxígeno disuelto (OD) constituyen uno de los instrumentos más utilizados para evaluar la calidad de aguas naturales, potables, residuales e industriales, así como para el control de procesos en acuicultura, laboratorios ambientales, plantas de tratamiento e industrias alimentarias y farmacéuticas. Su principio de funcionamiento, basado en sensores electroquímicos u ópticos, permite determinar la concentración de oxígeno disuelto en el agua, parámetro estrechamente relacionado con el equilibrio biológico y los procesos de oxidación presentes en los sistemas acuáticos.
La confiabilidad de estos instrumentos depende no solo de sus características de diseño, sino tambiénn de la correcta ejecución de las operaciones de mantenimiento, ajuste y calibración. En la práctica, la mayoría de los fabricantes recomiendan realizar un ajuste de dos puntos: un punto de cero, utilizando una solución libre de oxígeno, y un punto correspondiente al 100 % de saturación, empleando aire saturado con vapor de agua, procedimiento ntambién contemplado por la Norma ISO 5814:2012 para el ajuste operativo de estos equipos. Cuando el instrumento se destina a aplicaciones que requieren trazabilidad metrológica, resulta además necesario disponer de procedimientos de calibración que permitan comparar las indicaciones del equipo frente a valores de referencia técnicamente sustentados, garantizando así la confiabilidad de las mediciones obtenidas.
1.2. Objetivo
Describir la implementación experimental de un procedimiento de calibración para medidores de
oxígeno disuelto basado en agua desionizada en equilibrio termodinámico con la atmósfera, así como los principales resultados obtenidos durante su evaluación preliminar.
1.2.1. Desarrollo Experimental
Con el propósito de implementar un procedimiento de calibración para medidores de oxígeno disuelto (OD), se estableció como condición de referencia la generación de agua desionizada en equilibrio termodinámico con la atmósfera, cuya concentración de oxígeno disuelto pudiera relacionarse con la temperatura y la presión atmosférica mediante la ecuación propuesta por Benson y Krause. El procedimiento contempló el ajuste inicial del instrumento siguiendo las
recomendaciones del fabricante.
Posteriormente, se realizó la calibración del punto de cero mediante comparación con un material de referencia certificado (MRC), mientras que el punto correspondiente al 100 % y los restantes niveles de calibración se obtuvieron utilizando agua desionizada sometida a un proceso controlado de aireación hasta alcanzar condiciones estables de equilibrio termodinámico con la atmósfera.
Finalmente, se efectuó la calibración en seis niveles de concentración de oxígeno disuelto, generados mediante el control de la temperatura entre 5 °C y 40 °C, comparando en cada caso la indicación del instrumento con los valores de referencia calculados mediante la ecuación de Benson y Krause.
Como etapa previa a la aplicación del procedimiento, fue necesario realizar la puesta a punto del sistema de generación del medio de referencia. Para ello se desarrolló una cámara experimental en la que se controlaron el flujo de aire y la temperatura del agua, evaluándose diferentes tiempos de estabilización una vez interrumpido el burbujeo. La estabilidad de la concentración de oxígeno disuelto fue verificada mediante observaciones efectuadas a los: 5 minutos, 10 minutos, 15 minutos y 30 minutos posteriores al cese de la aireación, sin evidenciar variaciones apreciables en la concentración medida bajo las condiciones establecidas para el ensayo, lo que permitió disponer de un medio estable para la ejecución de las calibraciones.
Con el sistema puesto a punto, se aplicó un diseño experimental conformado por ocho períodos
independientes, cinco repeticiones y seis niveles de concentración de oxígeno disuelto, obteniéndose un conjunto de datos suficientes para evaluar el comportamiento metrológico del procedimiento. La información obtenida fue sometida a un análisis estadístico que incluyó la identificación de datos sospechosos mediante el estadístico Z-score, la evaluación de la normalidad mediante la prueba de Shapiro-Wilk, el análisis de linealidad y de los residuos del modelo de regresión, así como el estudio de la variabilidad mediante análisis de varianza (ANOVA). Una vez verificada la consistencia estadística del procedimiento, se efectuó una comparación entre los resultados obtenidos utilizando el ajuste convencional recomendado por el fabricante y aquellos obtenidos empleando el sistema experimental desarrollado, evaluando en ambos casos los errores de indicación frente a los valores de referencia calculados.
1.2.2. Resultados y discusiones
La etapa de puesta a punto permitió establecer las condiciones de operación del sistema de generación del medio de referencia, obteniéndose una concentración de oxígeno disuelto estable una vez interrumpido el proceso de aireación. Bajo las condiciones de ensayo implementadas, la concentración permaneció constante durante los tiempos de observación evaluados 5 minutos, 10
minutos, 15 minutos y 30 minutos, lo que evidenció un comportamiento estable del sistema y permitió utilizar dicho medio como referencia durante el desarrollo del procedimiento de calibración.
La evaluación experimental comprendió un diseño conformado por ocho períodos independientes, cinco repeticiones y seis niveles de concentración de oxígeno disuelto, obteniéndose un total de 240
mediciones distribuidas a lo largo del intervalo de trabajo comprendido entre aproximadamente 4,8 mg/L y 9,7 mg/L. El análisis preliminar de la información permitió identificar únicamente 11 datos sospechosos mediante el estadístico Z-score (4,6 % del total de observaciones), sin presentarse datos rechazables. La posterior evaluación de normalidad mediante la prueba de Shapiro-Wilk mostró un comportamiento compatible con una distribución normal para todos los niveles evaluados, permitiendo la aplicación de herramientas estadísticas paramétricas para el análisis del procedimiento.
El estudio de linealidad mostró una excelente concordancia entre las indicaciones del instrumento
y los valores de referencia calculados mediante la ecuación de Benson y Krause, obteniéndose un
coeficiente de determinación R² = 0,9997, acompañado de un comportamiento lineal de los residuos y una distribución aproximadamente homocedástica a lo largo del intervalo de calibración. Estos resultados constituyen una evidencia de que el procedimiento implementado permite reproducir adecuadamente la respuesta del instrumento dentro del rango evaluado.
El análisis de la variabilidad experimental mostró una adecuada repetibilidad y reproducibilidad del procedimiento en los seis niveles estudiados. La incertidumbre experimental estimada presentó valores relativos inferiores al 1 % en todo el intervalo de calibración, variando aproximadamente entre 0,60 % y 0,84 %, lo que confirma la estabilidad del sistema experimental y la consistencia de las condiciones de generación del medio de referencia durante la ejecución de las calibraciones.
Finalmente, una vez demostrada la aptitud estadística del procedimiento, se realizó una comparación entre dos condiciones de ajuste del instrumento: el procedimiento convencional recomendado por el fabricante y el ajuste utilizando el sistema experimental desarrollado, manteniendo en ambos casos las mismas condiciones ambientales de temperatura y presión. La evaluación posterior de los errores de indicación frente a los valores de referencia calculados mediante la ecuación de Benson y Krause mostró una reducción sistemática del sesgo en todo el intervalo de calibración. Mientras que el ajuste convencional presentó errores comprendidos aproximadamente entre −0,22 mg/L y −0,32 mg/L, el procedimiento implementado redujo dichos errores a un intervalo comprendido entre +0,08 mg/L y − 0,13 mg/L, observándose una mejor concordancia entre las indicaciones del instrumento y los valores de referencia calculados. Esta tendencia fue consistente en los seis niveles de concentración evaluados.
Aunque los resultados corresponden a una evaluación preliminar realizada sobre un modelo específico de medidor de oxígeno disuelto, constituyen una evidencia experimental del potencial del procedimiento implementado como alternativa para el ajuste de estos instrumentos. No obstante, se considera necesario ampliar la investigación incorporando un mayor número de equipos, diferentes tecnologías de sensores y estudios completos de incertidumbre, con el fin de establecer el alcance metrológico del procedimiento y evaluar su aplicabilidad en otras condiciones de calibración.
| Etapa | Resultado relevante | Comentario técnico |
|---|---|---|
| Puesta a punto del sistema | Estabilidad 5min – 30min | No se observaron disminuciones apreciables de la concentración bajo las condiciones de ensayo, permitiendo utilizar el medio como referencia experimental. |
| Diseño experimental | 240 mediciones | Cobertura suficiente para evaluar el comportamiento del procedimiento en todo el intervalo de calibración. |
| Datos sospechosos | 11 (4,6 %) | No se identificaron datos rechazables. |
| Normalidad | Shapiro "satisfactorio" | Se justificó el empleo de herramientas estadísticas paramétricas. |
| Linealidad | R² = 0,9997. | Se observó linealidad en todo el intervalo y comportamiento aproximadamente homocedástico de los residuos. |
| Incertidumbre experimental | 0,60 % – 0,84 %. | Adecuada repetibilidad y reproducibilidad |
| Comparación del ajuste | Error de: A. (sistema fabricante) −0,22/−0,32 B. (sistema propuesto) +0,08/−0,13 mg/L |
Reducción consistente del sesgo |
2. Conclusiones
- Se implementó experimentalmente un procedimiento de calibración para medidores de oxígeno disuelto basado en la comparación de las indicaciones del instrumento con soluciones acuosas en equilibrio termodinámico con la atmosfera, cuyos valores de referencia fueron determinados mediante la ecuación de Benson y Krause, obteniéndose resultados consistentes en todo el intervalo de calibración evaluado.
- La puesta a punto del sistema permitió establecer condiciones experimentales estables para la generación del medio de referencia, observándose un comportamiento constante de la concentración de oxígeno disuelto después de interrumpir el proceso de aireación, proporcionando una condición adecuada para la aplicación del procedimiento de calibración desarrollado.
- La evaluación estadística realizada sobre las 240 mediciones obtenidas demostró un comportamiento satisfactorio del procedimiento, evidenciado por la normalidad de los datos, una excelente linealidad (R² = 0,9997), un comportamiento aproximadamente homocedástico de los residuos y una incertidumbre experimental inferior al 1 % en los seis niveles de concentración evaluados.
- En las condiciones particulares del estudio y para el instrumento evaluado, el ajuste realizado utilizando el sistema experimental desarrollado produjo una reducción consistente del error sistemático respecto al procedimiento convencional recomendado por el fabricante, observándose una mayor concordancia entre las indicaciones del instrumento y los valores de referencia calculados mediante la ecuación de Benson y Krause.
- Los resultados obtenidos constituyen una primera evidencia experimental de la viabilidad de implementar un procedimiento de calibración para medidores de oxígeno disuelto utilizando como valores de referencia las concentraciones calculadas mediante la ecuación de Benson y Krause en solutions acuosas en equilibrio termodinámico con la atmosfera. Bajo las condiciones evaluadas, el procedimiento mostró un desempeño metrológico satisfactorio, constituyendo una base técnica para su futura validación, ampliación y aplicación en la calibración de sensores polarográficos, galvánicos y ópticos, con potencial extensión a otros sistemas de medición, como equipos respirométricos.
3. Recomendaciones
- Continuar el desarrollo del procedimiento de calibración incorporando la estimación completa de la incertidumbre de medición, con aplicación de la Ley General de propagación de la incertidumbre, con el propósito de consolidar su aplicación como método de calibración metrológica para medidores de oxígeno disuelto.
- Evaluar la factibilidad de extender el procedimiento desarrollado a otros sistemas de medición de oxígeno disuelto basados en principios equivalentes, tales como equipos respirométricos y otros instrumentos que empleen sensores de oxígeno disuelto como elemento principal de medición.
- Continuar la investigación mediante la evaluación de diferentes condiciones de operación y rangos de trabajo, permitiendo establecer los límites de aplicación del procedimiento y fortalecer su implementación como servicio de calibración en laboratorios de metrología.
4. Referencias
- ISO/IEC 17025:2017. Requisitos generales para la competencia de los laboratorios de ensayo y calibración. Organización Internacional de Normalización (ISO), Ginebra, Suiza.
- JCGM 200:2012. Vocabulario Internacional de Metrología (VIM). Conceptos fundamentales y generales, y términos asociados. 3.ª edición en español. Traducción de la 3.ª edición internacional (2008). Centro Español de Metrología (CEM).
- JCGM 100:2008. Evaluación de datos de medición. Guía para la expresión de la incertidumbre de medida (GUM). Edición digital en español. Centro Español de Metrología (CEM).
- Eurachem. La adecuación al uso de los métodos analíticos. Una guía de laboratorio para la validación de métodos y temas relacionados. Segunda edición en inglés. Primera edición en español.
- ISO 5814:2012. Water quality — Determination of dissolved oxygen — Electrochemical probe method. International Organization for Standardization (ISO), Geneva, Switzerland.
- Benson, B. B., & Krause, D. Jr. (1984). The concentration and isotopic fractionation of oxygen dissolved in freshwater and seawater in equilibrium with the atmosphere. Limnology and Oceanography, 29(3), 620–632. American Society of Limnology and Oceanography.