Muestreo de Contaminantes con Monitores de PM Continuos Elaborada por: Joey V. Landreneau, Alison E. Ray Sonoma Technology, Inc. Petaluma, California Para

Muestreo de Contaminantes con Monitores de PM Continuos

Elaborada por:Joey V. Landreneau, 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

908078.03-3598

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Temas

• Evolución del Muestreo de Material Particulado– Ley de Aire Limpio (Clean Air Act)– Establecimiento de los Métodos Equivalentes Federales

(Federal Equivalent Methods – FEM)

• Métodos de Muestreo– Control ambiental

• Monitores de PM Automáticos– Monitor de microbalanza coniforme oscilante

(tapered element oscillating microbalance – TEOM)– Monitor de atenuación beta

(beta attenuation monitor – BAM)

• Criterios de Ubicación• Captura de Datos• Aseguramiento y Control de Calidad

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Evolución del Muestreo de Material Particulado (1 de 3)

El desarrollo del esquema moderno de medición horaria de material particulado ha sido impulsado por:

• La normativa vigente

• Tecnologías modernas

• El deseo de entender las causas y fuentes del material particulado.

• El deseo generalizado de emplear los datos en tiempo real para la toma de decisiones relacionadas con la salud pública.

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• Ley de Aire Limpio (1970)– Ley de Política Ambiental Nacional que creó la Agencia de

Protección Ambiental (EPA) de Estados Unidos (2 de mayo de 1971).

– Normas Nacionales para la Calidad del Aire Ambiental (National Ambient Air Quality Standards – NAAQS) para TSP, SO2, NO2, CO y O3.

• 1988: Método de Referencia Federal (FRM) establecido para el PM10 integral.

• 1990: FEM establecido para el PM10 continuo.

• 2008: FEM establecido para el PM2.5 continuo.

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1970TSP Hi-Vol

1988

PM10 Hi-Vol

1994

FRM: PM10 47 mm

1990PM10 Continuo

1998 FRM: PM2.5

2002 Muestreador Ciclónico de Corte Agudo

(Very Sharp Cut Cyclone – VSCC)

2008FEM: PM2.5 Continuo

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Monitores Horarios de PM en Gabinetes Pequeños

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Métodos de Muestreo (1 de 5)

Para establecer la validez básica de los datos producto del monitoreo del aire ambiental, se debe comprobar que:

• El método de muestreo propuesto cumpla con la normativa aplicable al monitoreo.

• Los equipos estén correctamente ubicados.

• Los equipos fueran correctamente calibrados con métodos de calibración reconocidos.

• El personal a cargo de la captura de datos haya sido debidamente capacitado y calificado.

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Control del ambiente: diseño de la estación de monitoreo

• Diseñado pensando en el operario(a)– Seguridad

– Facilidad de acceso a los instrumentos

– Espacio de trabajo óptimo

• El objetivo es de optimizar la captura y la calidad de los datos al diseñar el recinto con base en las necesidades y requerimientos del personal.

• Evitar bodegas o cuartos de conserjería.– Es difícil controlar los efectos de la temperatura, humedad,

iluminación, vibraciones y químicos sobre los instrumentos.

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Control del ambiente: diseño de la estación de monitoreo (cont.)

• Se recomienda un recinto independiente y fuerte que sea protegido contra intrusos y vándalos.

– Ubicado en una área encercada o segura con portones cerrados con llave y pasillos seguros.

– Sujetado al cimiento y protegido contra daños en caso de desastres naturales.

– Revestido con aislamiento (R-19 como mínimo) para prevenir extremos de temperatura dentro del recinto.

– Previsto de suficientes circuitos eléctricos para abastecer a los equipos existentes más los que se podrían instalar en el futuro o bien algún equipo de prueba.

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Parámetros para un Ambiente Controlado

Parámetro Fuente de Especificaciones Método de Control

Vibración de los instrumentos

Fabricante del equipo Diseño de los gabinetes de los equipos y diseño de los bancos, etc., de acuerdo con las especificaciones de los fabricantes.

Iluminación Descripción del método o especificaciones del fabricante.

Tapar los químicos o instrumentos que pueden ser afectados por la luz natural o artificial.

Voltaje eléctrico Descripción del método o especificaciones del fabricante.

Transformadores o reguladores de voltaje constante; líneas de abastecimiento independientes; aislar los equipos de alto amperaje como hi-vols, baños de calentamiento, o bombas para separarlos de los circuitos regulados.

Temperatura Descripción del método o especificaciones del fabricante.

Sistema regulado de aire acondicionado; termógrafo. Utilizar sólo equipos eléctricos para calefacción y enfriamiento.

Humedad Descripción del método o especificaciones del fabricante.

Sistema regulado de aire acondicionado; termógrafo.

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Ejemplo del Diseño de un Recinto

Mesa

Colector

Conduit para Cables Eléctricos

ImpresoraDAS

Pared

Puertas

Sensor de Temperatura

Bastidor para Instrumentos

Unidad A/C

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Monitores Automáticos de PM (1 de 4)

Esquema Típico de un Sistema PM de Flujo Integral

Toma con Separador

Canasta del Filtro

Flujómetro

Controlador del Flujo

Bomba

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Un sistema integrado para la medición de PM requiere:

• La equilibración del filtro previamente pesado.

• La instalación del filtro y su retiro del muestreador. Se requiere saber el volumen de aire que pasó por el filtro.

• La posterior equilibración y pesado del filtro, seguido por el cálculo de la concentración.

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• El sistema de datos registra el volumen del flujo, la temperatura del filtro y del ambiente, la presión barométrica, y datos meteorológicos (velocidad y dirección del viento) para alertar al usuario cuando hay datos inválidos.

• La ventaja se da por la automatización del sistema de medición y la simplificación del sistema de datos y del sistema de flujo.

• Permite el reporte casi en tiempo real de las concentraciones de PM al público en general y a la comunidad científica.

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Métodos de Referencia / Métodos Equivalentes• Los métodos de referencia o equivalentes ayudan a

asegurar la confiabilidad de las mediciones de la calidad del aire, incluyendo:

– Facilidad de especificación– Desempeño mínimo garantizado– Mejores manuales instructivos– Flexibilidad de aplicación– Comparabilidad con otros datos– Mayor credibilidad de las mediciones

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Monitor de PM Tipo TEOM (1 de 7)

Monitor de microbalanza coniforme oscilante (tapered element oscillating microbalance)

• Designado como FEM PM10 en 1990.

• Es un monitor de medición directa que pasa un flujo constante de aire ambiental por un filtro mientras pesa el filtro continuamente y calcula las concentraciones casi en tiempo real.

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Toma

Divisor del Flujo

TEOM 1405-F

Tripié

Techo

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• Sistema de hardware TEOM para la medición de masa– Toma para PM10 (se puede agregar una toma para PM2.5)– Contraladores de flujo

• Flujo principal – 3.0 Lpm• Flujo total – 16.7 Lpm

• Unidad sensora con Sistema de Medición Filter Dynamics (FDMS™)– Divisor del flujo– Enfriador del aire con filtro– Secador– Válvulas conmutadoras para dirigir los flujos por el sistema

• La unidad FDMS™ automáticamente genera mediciones de concentración (en µg/m3) que detectan los compo-nentes del PM no volátiles y volátiles.

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Ventajas• Medición directa mediante el principio del pesado de

una masa inerte.

• Estándar para medición de masa rastreable al NIST.

• Casi en tiempo real.

• Sensibilidad para detectar variaciones menores a un microgramo.

• El equipo puede obtener mediciones por unos 21 días (a 50 µg/m3) sin intervención humana.

• El nuevo sistema (FDMS™) detecta partículas volátiles y no volátiles ambas.

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Transductor de masa tipo TEOM• Tubo de cristal coniforme con la base sujetada. La parte superior

con el filtro TEOM queda libre a oscilar.

• El flujo de aire a muestrear pasa por el filtro y baja por el tubo.

• El tubo se oscila con precisión a su frecuencia natural, parecido a un diapasón.

• Sistema es de frecuencia resorte y masa. El material particulado se acumula en el filtro y la frecuencia de oscilación se reduce de manera proporcional a la concentración de PM.


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Transductor de MasaFlujo de Muestreo

Cartucho Reemplazable con Filtro TEOM

Elemento Coniforme

Al Controlador de Flujos

Amplificador de Impulso del Elemento Coniforme Frecuencímetro

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Cambio del Filtro• El filtro nuevo debe estar entre el 15% y el 30% de vida útil.

• Se cambia el filtro cada ~21 días a 50 µg/m3 de PM10.

• Cuando el filtro llega al ≥ 90% de vida útil, el equipo avisa para el cambio.• Los filtros nuevos deben mantenerse en un ambiente controlado.

Filtro TEOM

Filtros TEOM Acondicionados

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Monitor de PM Tipo BAM (1 de 3)

Monitor de atenuación beta• Se mide el paso de los rayos beta por un filtro cinta limpio.

• El aire con partículas es muestreado, quedando las partículas depositadas en la cinta.

• Se mide de nuevo el paso de los rayos beta por el filtro sucio.

• La diferencia entre las dos lecturas es proporcional a la concentración de masa.

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Ventajas

• La tecnología beta prácticamente no se ve afectada por la composición química de las partículas capturadas durante el muestreo.

• La técnica de atenuación beta es sencilla, fácil de usar, y requiere una menor frecuencia de cambio de filtros.

• El isótopo 14C (isótopo radioactivo de carbono a 60 mCi) no requiere de permisos especiales.

• Medición horaria casi en tiempo real.

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El sistema de flujo del BAM-1020 consiste de unos componentes sencillos:


(bomba externa)

toma/boquilla

sensores (temp/HR/PB)

filtro preliminar

sensor de flujo de masa

controlador de flujos

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Instalación del Monitor Tipo BAM (1 de 6)

Se recomienda montarlo sobre un banco

• Se requiere un colector de admisión vertical, por lo que no es factible colocar un monitor PM10 y un monitor PM2.5 uno encima del otro.

• Tampoco conviene instalar dos monitores juntos porque las dos tomas quedan demasiado cerca la una de la otra.

• El alineamiento perpendicular es indispensable para evitar el desalineamiento entre el tubo de admisión, el soporte de la brida del techo, y la toma en la parte superior del monitor.

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Se recomienda montarlo sobre un banco (cont.)

• El mal alineamiento permite fugas de agua en la brida del techo. El empaque de hule de la brida debe quedar alineado con escuadra para lograr un buen sello.

• Lo más importante es tomar en cuenta que el esfuerzo transversal aplicado a los aros tóricos (empaques en O) puede permitir fugas de aire, ocasionando la reprobación de las pruebas de fuga rutinarias.

• Una vez que las tomas estén correctamente alineadas (todo a nivel y con libre rotación del tubo de admisión ya instalado), se sujeta el monitor con soportes angulares para evitar que los técnicos de campo alteren el alineamiento mediante el desplazamiento involuntario del monitor.

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Esquema típico para la instalación

de un Monitor BAM-1020

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Filtro Cinta y Boquilla

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Filtro Cinta y Boquilla

Boquilla en posición superior

Rodillo Prensor

Rodillo IzquierdoCabrestante

Rodillo Tensor

Núcleo Receptor

Carrete Receptor

Tapas Transparentes con Perilla

Area de Muestreo

y Medición

Rodillo Derecho

Rodillo Tensor

Filtro Cinta

Carrete de Abastecimiento

Tranca

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Ejemplo de un Monitor Automático Tipo BAM Montado en un Banco

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Mantenimiento de la Boquilla

Limpieza de la Boquilla Nozzle components

Aplicador de Algodón

Boquilla

Tapa

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Lineamientos Generales para la Ubicación de la Toma

• La toma no debe ubicarse cerca de una salida de aire (p.ej., un extractor).

• La toma no debe ubicarse cerca de obstáculos físicos como chimeneas que podrían afectar el flujo de aire alrededor de la toma.

• La altura de la toma sobre el suelo depende del contaminante objeto de la medición.

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Captura de Datas

Alternativas para el sistema de captura de datos (DAS)

• Sistema con microprocesador capaz de registrar las lecturas PM en formato análogo o digital.

• Descarga de datos manual por personal que visita cada punto de monitoreo o bien en forma remota vía telemetría.

– Modem

– Conectividad por Ethernet

– Servicio de Internet inalámbrico

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Captura de Datos: Registro de Concentraciones PM y Flujo

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Captura de Datos: Despliegue Dinámico de Datos Numéricos

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Aseguramiento y Control de Calidad (1 de 4)

El objetivo de un sistema de aseguramiento de calidad es que:

• Los programas ambientales y decisiones tengan el respaldo con datos del tipo y calidad necesarios para la aplicación proyectada.

• Las decisiones y aplicaciones relacionadas con las tecnologías ambientales sean respaldadas por estándares y prácticas ingenieriles de calidad debida-mente asegurada.

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Ciclo de Vida de un Proyecto

Planificación

Producto o Decisión

Implementación y Seguimiento

Evaluación y Mejoramiento

Capturar datos con la correspondiente

información sobre la calidad de los datos

Documentos de planifica-ción, criterios de desem-

peño, procedimientos estandarizados de

operación

Los resultados sirven de in-sumo para futuras investi-gaciones

Análisis estadístico y conclusiones científicas

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Aseguramiento de Calidad

Sistema integral de actividades administrativas• Incluye la planificación, implementación, evaluación,

reporteo y mejoramiento

• Asegura que los datos sean del tipo requerido y del nivel de calidad requerido.

• Proceso generalmente aplicado por el personal administrativo o técnico.

• Ejemplos:

– Evaluación del desempeño de equipos técnicos

– Evaluación de la administración de un proyecto

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Control de Calidad

Sistema general de actividades técnicas

• Mide el desempeño de un proceso o instrumento contra estándares definidos.

• Verifica que el desempeño cumpla con requerimientos establecidos.

• Proceso generalmente aplicado por personal técnico.

• Ejemplos:

– Pruebas de desempeño para instrumentos de campo

– Revisión de datos

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Ejemplo de Control de Calidad: Monitor TEOM

Pasos esenciales para el funcionamiento correcto de un monitor tipo TEOM:

• Chequeo mensual– Verificación del flujo total y de los flujos muestreados

• Flujo total (16.03 ≤ 16.7 ≥ 17.37 Lpm)• Flujo principal (2.88 ≤ 3.0 ≥ 3.12 Lpm)

– Prueba de fugas• Flujo total ≤ 0.6 Lpm• Flujo principal ≤ 0.15 Lpm

– Verificación de la temperatura ambiental (± 2ºC)– Verificación de la presión ambiental (± 10 mmHg)– Limpiar la toma y el impactor virtual– Cambiar el filtro TEOM y el filtro de 47 mm

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Ejemplo de Control de Calidad: Monitor BAM (1 de 3)

Pasos esenciales para el funcionamiento correcto de un monitor tipo BAM:

• Chequeo quincenal– Verificación del flujo

• 16.03 ≤ 16.7 ≥ 17.37 Lpm

• Optimizar el desempeño de la toma y del VSCC para garantizar la medición correcta del material particulado.

– Prueba de fugas: ≤ 1.0 Lpm

• Prueba de fugas después de la limpieza: ≤ 0.5 Lpm

• Después de la prueba de fugas, el muestreador debe indicar valores de concentración positivos y el volumen de flujo correcto (16.67 lt/m).

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Pasos esenciales para el funcionamiento correcto de un monitor tipo BAM: (cont.)

• Limpieza de la boquilla

– Cuando se detecta una falla durante la prueba de fugas

– Cuando se cambia el filtro cinta

• Chequeo mensual

– Verificación de la temperatura ambiental (± 2ºC)

– Verificación de la presión ambiental (± 10 mmHg)

– Limpiar la toma y el VSCC

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Resumen del Monitoreo de PM

• Las tecnologías modernas pueden proporcionar lecturas horarias de las concentraciones de material particulado.

• Los sistemas modernos de captura de datos reportan datos casi en tiempo real.

• La idoneidad del sitio y la ubicación correcta del monitor son factores indispensables.

• El aseguramiento de calidad es un componente importante.

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Enlaces de Referencia (1 de 2)

• Descripción general del Sistema de Calidad de la EPA para los Datos y Tecnologías Ambientaleshttp://www.epa.gov/quality/qs-docs/overview-final.pdf

• Manual de Aseguramiento de Calidad para los Sistemas de Medición de Contaminantes Atmosféricoshttp://www.epa.gov/ttnamti1/redbook1.pdf

• 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

• Manual de Aseguramiento de Calidad para los Sistemas de Medición de Contaminantes Atmosféricos (Vol. IV)http://www.epa.gov/ttn/amtic/files/ambient/met/Volume%20IV_Meteorological_Measurements.pdf

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

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Enlaces de Referencia (2 de 2)

• Documentos generales de la EPA sobre sistemas de calidadhttp://epa.gov/quality/qa_docs.html

• Red de Transferencia Tecnológica del Centro de Información sobre Tecnologías de Monitoreo Ambiental (AMTIC)http://www.epa.gov/ttn/amtic/

• Memorandos sobre Políticas y Lineamientos Técnicoshttp://www.epa.gov/ttn/amtic/cpreldoc.html

• Calculador Estadístico para la Evaluación de Datoshttp://www.epa.gov/ttn/amtic/files/ambient/qaqc/P&B%20DASC%209_27%20final.xls

• Métodos Equivalentes y de Referencia para Contaminantes Específicoshttp://www.epa.gov/ttn/amtic/criteria.html

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

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Fuentes Bibliográficas

Met One Instruments, Inc. (2008) BAM 1020 Particulate Monitor Operation Manual (Manual del Operario para el Monitor de Material Particulado BAM 1020). BAM-1020-9800, Rev. G.

Thermo Fisher Scientific (2008) TEOM® 1405-F Ambient Particulate Monitor with FDMS™ Operating Guide (Manual del Operario para el Monitor del Material Particulado Ambiental TEOM® 1405-F con el Sistema FDMS™). 42-010978 Revisión A.000, febrero 2008.

Felton D., Rattigan O., Demerjian K., y Schwab J. (2005) New York State Urban and Rural Measurements of Continuous PM-2.5 Mass by FDMS, TEOM, and BAM: Evaluation and Comparisons with the FRM (Medición Continua de PM2.5 en Zonas Urbanas y Rurales del Estado de Nueva York con Equipos FDMS, TEOM y BAM). Presentado en la Conferencia de la AAAR en Atlanta, Georgia, 7-11 de febrero, y en la Conferencia de NESCAUM MAC en mayo por NYSDEC y SUNYA-ASRC en Albany, Nueva York.

Hart D. (2005) Beta Attenuation Mass Monitors: A Discussion of Technology (Monitores de Atenuación Beta: Una Discusión de la Tecnología). Presentado por Met One Instruments, Inc.

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