Calibración de Monitores Continuos

908078-3599

Elaborada por:Joey V. Landreneau y Alison E. Ray

Sonoma Technology, Inc.Petaluma, California

Para el:Curso Regional sobre Aseguramiento de la Calidad de las

Mediciones de Inmisiones y Emisiones de Contaminantes de AireUniversidad Nacional, Costa Rica

30 Marzo – 03 Abril 2009

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Temas

• El Propósito de la Calibración

• Verificación versus Calibración

• Normas Observadas y Certificaciones

• Aseguramiento de Calidad

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El Propósito de la Calibración (1 de 2)

La calibración se define como:

La comparación de un estándar de medición, un instrumento o un sensor con un estándar o instrumento de alta precisión para detectar y cuantificar imprecisiones y luego reportarlas o eliminarlas mediante el ajuste.

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El Propósito de la Calibración (2 de 2)

Propósito• Establece una relación cuantitativa entre el valor real de

un estándar (p.ej., la concentración de un contaminante en ppm, temperatura en ºC o masa en µg) y la lectura del instrumento analítico, ya sea en forma de un registro gráfico, voltios de salida o una lectura digital.

• La relación se emplea para convertir las lecturas posteriores del instrumento analítico en concentraciones correspondientes.

• Una vez establecida la relación de calibración del instrumento, se verifica la misma con frecuencia razonable para verificar la debida calibración del equipo.

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Verificación versus Calibración (1 de 2)

Verificar significa ‘revisar sin corregir’

• Los procedimientos de control de calidad pueden incluir un chequeo único de verificación o bien la verificación multipuntual de la calibración.

• La verificación sirve para asegurar que las lecturas del instrumento estén dentro de las tolerancias de calibración, por lo que el proceso no contempla ajustes.

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Verificación versus Calibración (2 de 2)

La calibración consiste de un ajuste mínimo del instrumento.

• El proceso se realiza en el sitio de monitoreo.

• El instrumento debe haber estado operando durante varias horas (preferiblemente desde el día anterior) para garantizar su estado estable.

• Se debe utilizar el método y los documentos técnicos indicados en el manual de operación del instrumento y recomendados por el fabricante.

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Calibración Multipuntual (1 de 2)

• Verificación

• Ajuste

• Los gases de prueba utilizados para la calibración se pasan por la vía de muestreo normal (por todos los depuradores, filtros y válvulas normalmente empleados para el muestreo.

• La calibración multipuntual consiste de una muestra testigo limpio y por lo menos cuatro testigos más con diferentes concentraciones distribuidas equitativamente por el espectro de detección del instrumento.

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Calibración Multipuntual (2 de 2)

• La calibración multipuntual incluye la condición original y la condición final.

– Verificación En caso que no se le hace ningún ajuste al instrumento, entonces la condición original será igual a la condición final y no habrá necesidad de repetir las pruebas con las muestras testigo.

– La calibración ajustada contempla dos series completas de pruebas con muestras testigo. Los ajustes al instrumento se hacen cuando se encuentra expuesto a concentraciones de prueba al 70%-90% de la escala plena.

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Calibración de Verificación (1 de 2)

• La verificación multipuntual de la calibración debe llevarse a cabo en los siguientes casos:– Caundo se observa una desviación significativa (≥ 15%)

durante la comprobación del cero, de la precisión y del espectro de detección (ZPS checks).

– Cuando el instrumento ha estado apagado por más de dos horas y las comprobaciones ZPS posteriores indican un posible problema.

– Con frecuencia trimestral.

– Antes de retirar algún instrumento de la estación de monitoreo (a menos que haya sufrido una avería).

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Calibración de Verificación (2 de 2)

• Los límites de tolerancia son de ± 15 ppb para la comprobación del cero y ± 15% de la concentración de la muestra testigo para las comprobaciones de posición y sensibilidad.

• Si la desviación de la sensibilidad es mayor al 15% de la muestra testigo o la desviación del cero es mayor a ± 15 ppb, se requiere medidas correctivas (que normal-mente incluyen la calibración ajustada multipuntual).

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Calibración Ajustada (1 de 2)

• Se debe realizar una calibración ajustada multipuntual en los siguientes casos:– Al instalar o desactivar instrumentos en una estación.– Después de la reparación de un instrumento averiado.– Después de la sustitución de cualquier componente

principal de un instrumento.– Cuando los resultados de las comprobaciones del

cero o del espectro producto de pruebas automáticas o manuales superan los límites de tolerancia.

– Cuando la lectura de concentración basada en una muestra testigo supera el ± 10% de desviación.

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Calibración Ajustada (2 de 2)

• Se considera exitosa una calibración multipuntual cuando cada punto de la calibración final está dentro de un ± 10% de la concentración testigo y dentro de cinco puntos porcentuales de la diferencia porcentual promedio.

• No se debe ajustar un instrumento hasta que la causa probable de la condición anómala haya sido descubierta y corregida.

• Los estándares de calibración de campo y de referencia deben concordar dentro de un ± 5% antes de ajustar el instrumento con base en cualquiera de los dos. En caso que no concuerden, la discrepancia debe ser investigada.

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Normas Observadas y Certificaciones (1 de 12)

• En este contexto, “rastreable” significa que una norma observada localmente ha sido cotejada y certificada, ya sea directamente o por medio de alguna norma intermedia, con referencia a una norma de primer nivel como las recopiladas en los Materiales Estándar de Referencia (SRM) del Instituto Nacional de Normas y Tecnologías (NIST).

• Criterios aceptables

– Flujo de aire: ± 2% referente a una norma rastreable al NIST

– Temperatura: resolución de ± 0.1ºC; precisión de ± 0.5ºC

– Presión barométrica: resolución de ± 1 mmHg; precisión de ± 5 mmHg

• Frecuencia: certificación anual por el fabricante u otra entidad certificadora.

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Normas Observadas y Certificaciones (2 de 12)

Calibrador ‘deltaCal’ fabricado por BGI, Inc., para calibrar monitores de PM (con sensor de temperatura y presión).

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Normas Observadas y Certificaciones (3 de 12)

Certificación anual para un equipo ‘tetraCal’

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Normas Observadas y Certificaciones (4 de 12)

Cilindro de gas testigo del fabricante Scott-Marrin• Certificado con protocolo rastreable a la EPA

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Normas Observadas y Certificaciones (5 de 12)

Sistema del fabricante Sensidyne para calibrar el flujo principal.

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Normas Observadas y Certificaciones (6 de 12)

Equipo deltaCal Instalado

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Normas Observadas y Certificaciones (7 de 12)

11/15/2006 Normal Mode 11:27:54

LAST C: 0.061 mg/m3 LAST m: 0.806 mg/cm2

STATUS: SAMPLING

Flow(STD): 16.7 LPM Flow(ACTUAL): 16.7 LPM Press: 764 mmHg RH: 37 % Heater: OFF Delta-T: 4.2 C

EXIT

MULTIPOINT FLOW CALIBRATION TARGET BAM STD AT: 23.8 23.8 C BP: 760 760 mmHg <CAL> FLOW 1: 15.0 15.0 15.0 LPM FLOW 2: 18.3 18.3 18.3 LPM FLOW 3: 16.7 16.7 16.7 LPM CAL NEXT DEFAULT EXIT

Lecturas de Equipos BAM y deltaCal

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Normas Observadas y Certificaciones (8 de 12)

Formulario para la revisión mensual de un Monitor BAM-1020.

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Normas Observadas y Certificaciones (9 de 12)

Contaminantes de Interés

• Componentes de un sistema para calibrar monitores continuos de contaminantes de interés:

– Sistema dinámico diluyente de gases

– Sistema de aire purificado (zero air)

– Cilindro de gas testigo rastreable al NIST

– Calibrador del flujo principal

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Normas Observadas y Certificaciones (10 de 12)

Calibrador Dinámico de Gases del Fabricante Thermo Electron

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Normas Observadas y Certificaciones (11 de 12)

Flujograma del TE146i

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Normas Observadas y Certificaciones (12 de 12)

Sistema de aire purificado (zero air) del fabricante Advanced Pollution Instrumentation (API)

• Aire purificado se refiere a aire seco (punto de condensación a -20ºC) y libre de contaminantes (p.ej., SO2, O3, NO, NO2, NOx, CO, H2S, HC) que se utiliza para diluir el gas testigo altamente concentrado.

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Ecuación para Diluir el Gas Testigo

La siguiente ecuación se utiliza para determinar el flujo de aire diluyente y de gas de cilindro que se necesita para obtener una concentración de 0.400 ppm:

F + F

F x .Conc = ppm Desired

gasair

gasgas

Donde: Concgas = Concentración del gas testigo de cilindro (ppm)

Fgas = Flujo del gas testigo (sccm)

Fair = Flujo del aire diluyente (sccm)

Ejemplo: SO2 ppm =

SO2 ppm =

50.5 x 40.05,010 + 40.0

0.400

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Aseguramiento de Calidad (QA)

• El aseguramiento de calidad (quality assurance – QA) de los sistemas de monitoreo atmosférico incluye dos funciones distintas e importantes:

1. Control del proceso de medición mediante la implementación de políticas, procedimientos y acciones correctivas.

2. Evaluación de la calidad de los datos producto del monitoreo (producto del proceso de medición).

• Entre mayor el esfuerzo y eficacia del control de un sistema de monitoreo, mejor será la calidad de los datos obtenidos.

• Los resultados de la evaluación de la calidad de los datos indican si es necesario fortalecer las medidas de control.

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Objetivos del Aseguramiento de Calidad

• Precisión

• Veracidad

• Suficiencia

• Representatividad

• Comparabilidad

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Precisión (1 de 2)

Para cumplir con los requerimientos de la Sección 40, Capítulo 58, Anexo B del Código de Reglamentos Federales (CFR) sobre el aseguramiento de calidad, se debe reportar trimestralmente la precisión de las mediciones continuas de gases contaminantes.

• Todo instrumento automático utilizada para medir niveles de SO2, NO2, O3 y CO debe ser sometido por lo menos una vez por quincena a una prueba de precisión de punto único.

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Precisión (2 de 2)

• Una comprobación de precisión consiste de introducir al monitor un gas testigo de concentración conocida entre 0.08 y 0.10 ppm en el caso de monitores de SO2, NO2 y O3 y entre 8 y 10 ppm para monitores de CO.

• El estándar observado para efectos de obtener los gases testigo para las comprobaciones de precisión debe cumplir con requerimientos de certificación de protocolos rastreables a las normas aprobadas por la EPA.

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Respuesta a la Prueba de Precisión (1 de 5)

Se calcula la diferencia porcentual (di) para cada comprobación de precisión con la Ecuación 1.

Donde:

Y1 = La concentración indicada por el monitor durante la comprobación de precisión número (i).

X1 = La concentración conocida del gas testigo utilizado para la comprobación de precisión número (i).

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Respuesta a la Prueba de Precisión (2 de 5)

Se calcula el promedio trimestral (dj) con la Ecuación 2 y la desviación estándar con la Ecuación 3.

Donde:

n = número de comprobaciones de precisión practicadas con el instrumento durante el trimestre.

Por ejemplo, n debe ser 6 ó 7 si se ha hecho una comprobación de precisión cada quincena durante el trimestre.

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Respuesta a la Prueba de Precisión (3 de 5)

Se calcuan los límites de probabilidad al 95% de precisión con las Ecuaciones 4 y 5.

95% de probabilidad superior

Límite = dj+1.96 Sj (4)

95% de probabilidad inferior

Límite = dj−1.96 Sj (5)

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Respuesta a la Prueba de Precisión (4 de 5)

• La desviación trimestral promedio y estándar para todos los valores porcentuales de un contaminante dado se utilizan para definir la precisión de las correspondientes mediciones hechas durante el trimestre.

• Se supone que la variabilidad de los valores porcentuales representa una distribución normal.

• Con base en este supuesto, se espera que el 95% de los datos en dicha distribución estarán dentro de 1.96 desviaciones estándar a cualquier lado del promedio.

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Respuesta a la Prueba de Precisión (5 de 5)

• La precisión se reporta como intervalo de confianza del 95%.

• De esta manera, para cualquier valor seleccionado aleatoriamente de la base de datos existe sólo un 5% de probabilidad de que la precisión de ese valor esté fuera de los límites (definidos como los límites de confianza al 95% superior e inferior).

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Precisión de los Métodos Automatizados (1 de 2)

• Durante cada trimestre de la campaña de muestreo se debe comprobar por lo menos una vez los monitores de SO2, NO2, O3 o CO.

• El proceso de comprobación incluye la introducción al monitor de por lo menos tres concentraciones testigo que corresponden al espectro de detección del instrumento.

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Precisión de los Métodos Automatizados (2 de 2)

SO2, O3, NO2 CO

1 0.03-0.08 ppm 3-8 ppm

2 0.15-0.20 ppm 15-20 ppm

3 0.36-0.45 ppm 35-45 ppm

4 0.80-0.90 ppm

Rango de Concentraciones a Nivel de Comprobación

El gas NO2 testigo utilizado para comprobar la precisión de los monitores de quimoiluminiscencia debe contener también por lo menos 0.08 ppm de NO.

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Suficiencia (1 de 2)

El objetivo es de obtener datos válidos para:

• Un mínimo de un 75% de datos continuos sobre los gases contaminantes.

• Un 90% de las muestras integrales programadas.

• Un 90% de los datos meteorológicos.

La siguiente lámina presenta los requerimientos de suficiencia para cada período promediado.

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Suficiencia (2 de 2)

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Representatividad

La toma de aire para el muestreo debe:• Estar ubicada a un mínimo de 20 metros de cualquier árbol.• Estar retirada de cualquier obstáculo a una distancia equivalente

a dos veces la altura del obstáculo.• Tener un radio mínimo de dos metros completamente libre de

cualquier estructura de soporte horizontal.• Permitir el flujo irrestricto de aire dentro de un arco de 270

alrededor de la toma.

h

L > 2h

Vientos Predominantes

270º

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Comparabilidad (1 de 2)

• El objetivo es de obtener datos con valores que sean consistentes con los de otras organizaciones y entidades oficiales.

• Los instrumentos deben ser designados como métodos equivalentes o de referencia federales.

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Comparabilidad (2 de 2)

Datos sobre Contaminantes o

Parámetros MeteorológicosUnidades de Medición

SO2, NO, NO2, NOx, O3 Partes por billón (ppb)

CO Partes por millón (ppm)

PM Microgramos por metro cúbico (µg/m3)

VOC Partes por billón volumen (ppbv)

Carbonilo µg/m3

Velocidad del viento Metros por segundo (m/s)

Dirección del viento Grados (º)

Temperatura ambiental Grados (ºC)

Humedad relativa Porcentaje (%)

Temperatura y presión estándar 25 ºC y 760 milímetros de mercurio (mmHg)

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Resumen sobre la Calibración

• Establece la relación cuantitativa entre la lectura del instrumento y un estándar conocido.

• Los técnicos experimentados utilizan instrumentos y gases certificados con base en protocolos rastreables a normas reconocidas.

• Asegura que los datos obtenidos representen altos niveles de suficiencia, precisión, veracidad y representatividad.

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Fuentes de Referencia

Thermo Electron Corporation (2006). Model 146i Instruction Manual Dynamic Gas Calibrator (Manual del Operario para el Calibrador Dinámico de Gases Modelo 146i). Número de Catálogo: 102482-00. 22 de enero del 2006.

Lehrer H. (2008) Métodos de Monitoreo Ambiental en el Aire. Presentado by Optipro Seguridad Industrial, California.

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Enlaces de Referencia

• Calibrador deltaCal para Monitores FRMhttp://www.bgiusa.com/cal/deltacal.htm

• Kit de Calibración Gilibrator-2 de Sensidyne http://www.sensidyne.com/products.php?ID=1305

• Cilindros Scott-Marrinhttp://www.scottmarrin.com/cylinders.htm

• Manual de Aseguramiento de Calidad para los Sistemas de Medición de Contaminantes Atmosféricos (Vol. II)

http://www.epa.gov/ttn/amtic/files/ambient/pm25/qa/QA-Handbook-Vol-II.pdf

* Nota: Todos los sitios de referencia están en inglés.