Introducción al monitoreo atmosférico – 03. Revisión de metodologías existentes. Parte 4

3. REVISIÓN DE METODOLOGÍAS EXISTENTES

3.4. CONFIGURACIÓN DE SISTEMAS DE MUESTREO

Ya seleccionados los sitios de monitoreo y escogido los equipos de muestreo y análisis que cumplan con los requerimientos de nuestros objetivos, el siguiente paso será la configuración del sistema de muestreo, que implica el arreglo o el diseño del sistema, desde la toma de muestra, hasta su captura en el muestreador. El diseño de un sistema de muestreo puede ser exclusivamente el diseño del montaje de un muestreador, como es el caso de los muestreadores pasivos, el diseño de una línea de muestreo, para muestreadores activos o un sistema completo de multianalizadores para monitorear diversos contaminantes, como el diseño de una estación de monitoreo. Sin embargo, existen algunos criterios comunes a casi todos los sistemas de muestreo, tanto para muestreadores pasivos, activos y automáticos, que deben tomarse en cuenta para establecer el diseño del sistema de muestreo, y son¹⁰⁸:

• Las concentraciones de todos los contaminantes de interés que van a ser medidas no deberán alterarse a su paso por el sistema de muestreo, por lo que se requiere el uso de materiales inertes, tanto para la entrada de la muestra, las tuberías y las conexiones, principalmente si es el caso del estudio de gases reactivos.
• La tubería deberá ser lo más corta posible, evitándose codos y partes con restricciones donde pudiera acumularse material particulado.
• Deberán removerse de la corriente de muestreo, partículas, gases o líquidos, que puedan contaminar la muestra o el medio de colección, y sustancias que puedan interferir con la operación de los analizadores, como partículas o agua condensada.
• El tiempo de residencia de los gases en el sistema deberá minimizarse, al igual que la interacción de la corriente de aire con los materiales de la línea de muestreo, los cuales como ya se indicó, deberán ser inertes.
• Para minimizar retrasos en las respuestas del sistema se recomienda que el flujo total del sistema sea mayor que el flujo total requerido por el analizador.
• El sistema de muestreo debe mantenerse en óptimas condiciones, debe limpiarse y remplazarse las partes antes o en el momento de que muestren signos de envejecimiento, fallas o contaminación.
• Por lo que el sistema de muestreo deberá ser confiable y fácil de dar mantenimiento. Los tubos múltiples, (“manifolds”), que no se limpian escrupulosamente pueden causar pérdidas de muestreo significativas, como en el caso de muestreo de gases reactivos, por lo que deberán de ser limpiados periódicamente.
• Debido a que uno de los principales problemas en las líneas de muestreo son las fugas, se recomienda que en las visitas regulares se cheque el flujo del sistema y en caso de evidencia de fuga o descompostura se corrija inmediatamente el problema.
• Hay que notar la importancia del control de la temperatura en las estaciones de monitoreo, ya que muchos analizadores de gases tienen un coeficiente de respuesta a temperaturas significativas y algunos pueden fallar a temperaturas extremas. Por lo que se requerirá de un buen control térmico del equipo, que utilice aire acondicionado o calefacción según se necesite.
• También debe ser minimizada la caída de presión dentro del sistema de muestreo, ya que ésta afecta los resultados de los detectores de fotones o ion/electrones, que se emplean comúnmente en los analizadores de gases.

En vista de lo estricto de algunos de los criterios anteriores y la incompatibilidad de algunos de ellos, es difícil que se diseñe el sistema de muestreo perfecto. En la práctica, el arreglo que se adopta es un compromiso de trabajo que depende de los gases en estudio, el analizador usado y los recursos disponibles. Parte fundamental de este compromiso de trabajo es el compromiso de llevar a cabo y cumplir con un programa de mantenimiento, sin el cual ningún sistema de monitoreo será confiable.

Nuevamente se enfatiza la necesidad de tener un método o sistema capaz de analizar los datos, de manera que los resultados que se obtengan correspondan a la composición real de la calidad de aire de la zona en la cual se extrajo la muestra, ya que el muestreo consiste básicamente en la obtención de una pequeña porción de un cierto conjunto o lote de material que va a ser sometido a un determinado análisis o estudio¹⁰⁹ . Por lo cual se recomienda tener bitácoras de campo y mantenimiento que documenten cualquier anomalía relacionada con los sistemas de monitoreo y en términos de los reportes de datos es importante especificar el número de datos válidos, perdidos (en algún caso repuestos mediante algún algoritmo) y cómo se obtiene el cálculo de la norma o del indicador pertinente de calidad de aire (número de veces que se sobrepasa la norma).

En los incisos siguientes se darán ejemplos de dos sistemas de muestreo: una línea de muestreo y una estación de monitoreo, con todas las partes que conforman cada una de ellas, sin pretender abordar todos los sistemas de medición de flujo y de volumen, bombas y mecanismos existentes actualmente en el mercado.

3.4.1. Líneas de Muestreo

Los requerimientos mínimos de equipo de un sistema de muestreo con una línea de muestreo, para llevar a cabo la colección de un contaminante en una solución absorbente, por medio de muestreadores activos, se observan en la figura 3.25, y son¹¹⁰ :

• Línea de muestreo que consta de:
  · Entrada, mangueras y tuberías.
  · Sistemas de medición de flujo y/o de volumen como el “Gas Meter”, o controladores de flujo, por ejemplo un orificio crítico.
  · Una Bomba.
• Un sistema de colección de la muestra, ya descrito en la sección 3.2.2 de este manual:
  · Instrumentos de colección.
  · Medio de colección.

Entrada, mangueras y tuberías. La entrada deberá incluir un embudo boca abajo, como se aprecia en la figura para prevenir que penetre la lluvia y partículas a la línea de muestreo, tanto el embudo, como las líneas (mangueras y tuberías) y tubos múltiples (“manifolds”), deberán ser químicamente inertes (como ya se indicó) y transparentes, de manera que se puedan llevar a cabo inspecciones visuales para checar que no se tengan condensaciones, obstrucciones o depósitos de polvo, durante la operación. Se recomienda una longitud máxima de tres metros.

Sistemas de medición de flujo y de volumen. Existen diferentes instrumentos y técnicas para la medición del flujo y del volumen, los cuales se agrupan en estándares primarios y secundarios, en función de si se involucra la medición directa del volumen con base en su dimensión física en un espacio determinado (primarios), o de si son instrumentos de referencia o medidores que basan su calibración en los estándares primarios. Entre los instrumentos de estándares primarios que sirven para medir volúmenes integrados están el espirómetro, los medidores de pistón, los tubos de Pitot, medidores de película de jabón y otros. Entre los secundarios tenemos el “Dry Gas Meter”; el “Wet Test Meter”, el rotámetro, etcétera¹¹¹.

Para el muestreo de volúmenes de aire los instrumentos más prácticos son los “Dry Gas Meter”, los cuales son capaces de determinar volúmenes con una precisión de + 0.02 m3. Los demás instrumentos también se pueden utilizar, pero requieren de mayor cuidado tanto en su calibración como en su preparación antes de su utilización y sus controles¹¹² .

Los controladores de flujo sirven para mantener el flujo constante dentro de un rango de + 10%. Entre estos tenemos a los orificios críticos, orificios calibrados y medidores de flujo ajustables. Para el buen funcionamiento de estos instrumentos se tienen que mantener limpios y libres de cualquier tipo de bloqueo, deberán ser calibrados antes de utilizarlos y de ahí en adelante ocasionalmente.

Bomba. Es la máquina que creará el vacío para que se force a una corriente de aire medida a pasar por un sistema de colección. Se requiere de bombas capaces de mantener flujos estables en un determinado rango.

Las más utilizadas son las bombas de diafragma con la adición de controladores de flujo para asegurar que se mantenga el rango del mismo. Adicionalmente tenemos instrumentos y equipos que nos ayudan a mantener la integridad del sistema de muestreo, establecen el control del flujo y permiten muestreos múltiples. Entre estos tenemos:

• Manómetros y Termómetros.
• Pre Filtros.
• Controladores adicionales de flujo.
• Válvulas.
• Contadores de Tiempo, “Timer”.

Manómetros/Termómetros. Los manómetros miden la caída de presión que se ocasiona por la resistencia del equipo de muestreo al paso del flujo de gas. Lo cual permite corregir el volumen de gas muestreado a condiciones estándar. De igual manera se necesita medir la temperatura para realizar las mismas correcciones, utilizando la ecuación de la ley de los gases¹¹³ .

Pre Filtros. Deberá incluirse un filtro en la línea de muestreo, adelante del absorbente, para remover las partículas que pudieran contaminar a la solución absorbente o para la colección de estas en análisis subsecuentes.

Estos filtros, al igual que sus soportes deberán ser químicamente inertes o estar recubiertos para evitar reacciones químicas con la corriente de gas muestreada. En general se utilizan filtros de papel, ya que en los de fibra de vidrio pueden ocurrir reacciones químicas que removerían contaminantes de interés¹¹³.

Válvulas. Estas se introducen para poder llevar a cabo muestreos múltiples simultáneos o consecutivos en arreglos de soluciones absorbentes múltiples sin necesidad de apagar el equipo y cambiar las soluciones¹¹³.

Contadores de Tiempo, “Timer”. Estos instrumentos se introducen en la línea de muestreo para que se realicen muestreos, sin necesidad de atención personalizada para prenderlos y apagarlos, para que se cambie a otro absorbente, trabajando en conjunto con las válvulas, o para llevar a cabo series de muestreos, como por ejemplo series de muestreos de 3 horas en un día o de 24 horas en una semana¹¹³. En la figura 3.26, siguiente podemos observar un ejemplo de una unidad completa de muestreo activo portátil.

3.4.2. Estaciones de Monitoreo

El equipo que conforma a una estación de monitoreo atmosférico se coloca en el interior de una caseta con una serie de acondicionamientos que permitan la óptima operación de los equipos automáticos que se instalarán en la misma. Sus partes principales se aprecian en la figura 3.27 y son114 :

• Unidad de aire acondicionado o climatizador.
• Instalaciones eléctricas
• Consola de montaje.
• Toma de muestra de puertos múltiples.
• Sistemas de transmisión y acopio de información.

Unidad de aire acondicionado o climatizador. Las unidades de aire acondicionado, sirven para mantener una temperatura controlada para la correcta operación de los instrumentos de medición. Ya que, a pesar de que estos instrumentos están diseñados para soportar cambios de temperatura, las temperaturas alcanzadas en algunas estaciones cuando la unidad de aire acondicionado falla, sobrepasan el rango con el que fueron diseñados los instrumentos, lo que ocasiona un mal funcionamiento de los mismos. Por lo cual es muy importante mantener en buen estado operativo estas unidades de aire acondicionado.

Instalaciones eléctricas. En lo que respecta a estas instalaciones en la caseta, es conveniente integrarlas con reguladores de voltaje y características adecuadas para evitar cualquier descarga eléctrica hacia los instrumentos. Estos también cuentan con protección para descargas eléctricas y soportan fluctuaciones de voltaje, pero se pueden presentar algunas fuera de especificaciones, por lo que se recomienda la instalación de estos reguladores como protección adicional.

Consola de montaje. Comúnmente conocida como “Rack de Montaje”, esta consola está diseñada para soportar y brindar un mejor acceso al interior de los instrumentos, ya que cuenta con rieles que permiten el deslizamiento del instrumento para tener un acceso total a cualquier componente del mismo. Es importante mencionar que la libertad de espacio y condiciones adecuadas de movimiento dentro de la estación permitirán un desarrollo ideal de las actividades de operación. Esta consola también nos permite organizar la ubicación de todos los elementos que conforman el interior de la estación.

Toma de muestra de puertos múltiples. Conocida también como “manifold”, será la encargada de hacer el manejo y cambio continuo de las muestras de aire ambiente. Deberá ser colocada conforme a las especificaciones establecidas por el fabricante y tendrá que exceder en un volumen superior de aire al requerido por los analizadores. Se recomienda la instalación de un número de puertos mayores al requerido por los analizadores, ya que a futuro generalmente se incrementa el número de instrumentos de medición. Se recuerda que el múltiple de toma de muestra sea de algún material inerte como vidrio o teflón¹¹⁵ .

Sistemas de transmisión y acopio de información. Se requieren de estos tipos de sistemas en una estación de monitoreo, debido a la cantidad de información que se genera y a que los datos deberán estar disponibles en formato electrónico para el usuario final. Como su nombre lo indica, recopilan la información de los analizadores, la guardan y la transmiten a un centro de datos. Este manejo de datos se lleva a cabo mediante líneas telefónicas por medio del uso de módems que son los encargados de ejecutar la conexión entre los sistemas de acopio y transmisión de datos y los centros de compilación de información. Un ejemplo de este tipo de sistemas es el que tienen las estaciones de monitoreo atmosférico de la RAMA de la ZMCM¹¹⁶ ; las cuales cuentan con dos sistemas de acopio de datos, que consisten en:

• Sistema Primario. Está formado por una computadora que recibe, almacena y envía la información que genera cada uno de los analizadores y sensores de cada estación, transmitiendo esta información cada minuto a la central de la Dirección General de Ecología del Departamento del Distrito Federal. Por lo que este sistema está en constante comunicación con las estaciones.
• Sistema Secundario. Este es un sistema de acopio y respaldo de datos, el cual está formado por un módulo de adquisición de datos o microcomputadora, que cuenta con una serie de puertos en los cuales se conectan cada una de las salidas analógicas de los analizadores. El sistema almacena la información que recibe cada minuto, y calcula un promedio horario. Esta información es transmitida al sistema secundario, el cual interroga cada hora a cada estación de monitoreo para recopilar estos datos. De manera que si el sistema primario falla es posible obtener la información por medio del sistema secundario, que además, puede proporcionar información de días anteriores y del comportamiento de cada estación¹¹⁷ .

Finalizamos este capítulo, después de haber expuesto las principales metodologías de muestreo y análisis que existen actualmente. A continuación presentaremos en el capítulo siguiente los controles que se necesitan establecer para el buen funcionamiento de un programa conjunto de monitoreo atmosférico.

REFERENCIAS

107- Referencia 1, vol. 3, pág. 24.
108- Referencia 1, vol. l, pág. 16 y vol. 3, pág. 3.
109- Referencia 53.
110- Referencia 1, vol. 4, págs. 26 a 29.
111- Referencia 32.
112- Referencia 1, vol. 4, págs. 26 a 29.
113- Referencia 1, vol. 4, págs. 26 a 29.
114- Referencia 36.
115- Referencia 36.
116- RAMA de la ZMCM: Red Automática de Monitoreo Atmosférico de la Zona Metropolitana de la Ciudad
de México.
117- Referencia 36.

Libro: Introducción al monitoreo atmosférico
Autoras: Ana Patricia Martinez – Isabelle Romien

Web: http://www.bvsde.ops-oms.org/sde/ops-sde/bvsde.shtml