Introducción al monitoreo atmosférico – 04. Controles

4. CONTROLES

El nivel de concentración de un contaminante específico debe ser medido en diferentes períodos de tiempo y espacio, y es de particular importancia el conocimiento de la calidad de estas mediciones. No es posible que se tomen decisiones con base en datos no confiables, y es una pérdida de recursos hacer mediciones sin proporcionar los medios que aseguren que éstas cumplan con la calidad de datos que requieren los objetivos fijados.

El establecimiento del aseguramiento de calidad y del control de calidad de las mediciones llevadas a cabo, son prerrequisito para obtener información representativa en diferentes localidades y en diferentes tiempos, a pesar de que estas provengan de una red homogénea, que usa metodologías estandarizadas y que está siendo operada por el mismo operador. Procedimientos bien definidos de aseguramiento y control de calidad, que incluyan acuerdos en relación con los requerimientos y presentación de los datos, son la mejor forma de lograr comparabilidad y compatibilidad dentro de una red y entre redes a escala internacional¹¹⁸ .

4.1. TIPOS DE CONTROL: ASEGURAMIENTO DE CALIDAD Y CONTROL DE CALIDAD

El término aseguramiento de la calidad indica una garantía de calidad adecuada de los resultados de medición y análisis. El aseguramiento de esta calidad es un sistema de actividades que confirman que las mediciones o los datos obtenidos cumplen con los estándares de calidad definidos con un nivel de confianza establecido. Un programa de aseguramiento y con-trol de calidad incluye no sólo procedimientos estandarizados de control de calidad (ejemplo, los procedimientos bajo los cuales se asegura una cierta exactitud y precisión en las mediciones), sino que también cubre asuntos como la definición de los objetivos de monitoreo, diseño de redes, estructura administrativa, selección del equipo, programas de entrenamiento del personal y auditorías, entre otros, es decir, comprende todos los métodos de medición y los procedimientos o estrategias de monitoreo.

Un adecuado programa de aseguramiento de calidad es la mejor forma de garantizar la armonía entre los datos dentro de una misma red y entre diferentes redes¹¹⁹ .

El control de calidad incluye las actividades y técnicas operacionales que se usan para obtener una cierta precisión y exactitud en las mediciones.

Para monitoreo atmosférico se incluyen en éstas, por ejemplo, los protocolos para la operación y mantenimiento del equipo, calibración del equipo, visitas y revisiones, inspección y validación de los datos.

El aseguramiento/control de calidad es por lo tanto parte esencial para los sistemas de mediciones, y podemos decir que el aseguramiento se refiere al manejo completo de todo el proceso, conduciéndolo a una calidad definida del producto de datos, mientras que el control de calidad se refiere a las actividades dirigidas a obtener una cierta exactitud y precisión en las mediciones.

El programa de aseguramiento de calidad cubrirá específicamente las fases del monitoreo previas a las mediciones, que van desde la definición de los objetivos de calidad de los datos, diseño del sistema y selección del sitio, hasta la evaluación del equipo, su selección e instalación y desarrollo de programas de entrenamiento de los operadores. Las funciones del control de calidad cubrirán las actividades directamente relacionadas con las mediciones, e incluirán como ya se mencionó la operación de la red, calibración, revisión y manejo de datos y entrenamientos. En el cuadro 4.1, se resumen los aspectos principales que debe de contemplar un plan de aseguramiento de calidad.

4.2. COMPONENTES DE UN PLAN DE ASEGURAMIENTO DE CALIDAD

El primer paso en la preparación de cualquier plan de monitoreo, es definir todos los objetivos de monitoreo, que como ya se mencionó en el capítulo 2 deberán ser claramente identificados, ya que objetivos difusos, restringidos o ambiciosos pueden traer como consecuencia un programa ineficiente, no costeable y con datos de pobre calidad. De estos objetivos de monitoreo se derivarán los objetivos de calidad de los datos (OCD) que se requieran. Los OCDs, definen los requerimientos que deben de llenar las mediciones de manera que estas puedan ser usadas para resolver las preguntas formuladas en los objetivos de monitoreo, debiendo cumplir con características como exactitud, precisión, integridad, representatividad y compatibilidad¹²⁰.

Los OCDs, son las especificaciones necesarias para diseñar el estudio, incluyendo un nivel de incertidumbre aceptable. Los objetivos de monitoreo y de calidad de los datos necesitan ser definidos claramente para optimar el diseño de la red, seleccionar los contaminantes apropiados y sus métodos de medición y determinar el nivel requerido de control de calidad y manejo de datos. En adelante, todas las decisiones que se tendrán que tomar en todas las fases que se requieren considerar para llevar a cabo la estrategia de monitoreo descrita en el capítulo 2, con una calidad de datos determinada, deberán basarse en los requerimientos de los OCDs¹²⁰.

Ya definidos los OCDs, las principales fases de la estrategia de monitoreo, con un programa de aseguramiento de calidad, se agrupan en¹²¹:

• Diseño de la red
• Selección del sitio
• Evaluación y selección del equipo
• Diseño del sistema de muestreo
• Infraestructura del sito
• Operaciones de rutina
• Mantenimiento y calibración del equip
• Acopio, revisión y validación de los datos.

Tanto el diseño de la red, selección del sitio, evaluación y selección del equipo, como el diseño del sistema de muestreo, que incluye la configuración de la estación y la línea de muestreo, los analizadores y la determinación de los tiempos de muestreo y la infraestructura del sitio, ya fueron descritos en los capítulos 2 y 3, sin embargo en este capítulo se incluirán algunas recomendaciones adicionales que pueden ser útiles en la determinación de estos factores¹²²:

• Para monitoreos de rutina entre ciudades, se recomienda localizar los sitios de medición en lugares representativos de acuerdo con la clasificación de medio ambiente urbano de WHO/UNEP GEMS/AIR: industrial, residencial, comercial, centro de la ciudad, etc. (WHO, 1976, 1977).
• Adicionalmente se debe considerar la selección de un sitio de muestreo, viento arriba de la ciudad, con la finalidad de proporcionar medios para la estimación de fuentes de contaminantes fuera de la ciudad.
• Se recomiendan sitios de muestreo específicos destinados a medir los impactos de calidad del aire de fuentes locales.
• Los procedimientos de selección del sitio deberán documentarse y clasificarse, y proveerse de fotografías de sus áreas aledañas junto con mapas detallados de su alcance. Esto permitirá que los sitios sean caracterizados en términos de sus fuentes locales, topografía, etc. Los sitios deberán ser revisados regularmente, con documentación que incluya fotografías, para asegurar que permanezca válido el criterio de selección.
• Se deben seleccionar métodos apropiados de muestreo y análisis para cumplir con los objetivos de monitoreo. No vale la pena tener sofisticados métodos de muestreo, si no se cuenta con las herramientas analíticas químicas y los métodos estadísticos de evaluación apropiados. Finalmente, el esqueleto de un programa completo de monitoreo debe provenir de un plan detallado de aseguramiento de calidad, para garantizar que los datos obtenidos tengan un claro significado. Un adecuado plan de aseguramiento y control de calidad, es la clave para lograr armonía entre los datos de una misma red y entre redes lo cual ratifica el alcance máximo en relación al esfuerzo de monitoreo.

En lo que se refiere a las operaciones de rutina, a las operaciones de mantenimiento y calibración del equipo y al acopio, revisión y validación de los datos, se describirán los principios generales que deben de considerarse. Se recomienda a aquellos lectores que requieran información más detallada, el uso de manuales oficiales como el Quality Assurance Handbook de la EPA (Ref. 4), o de guías y estándares preparados por la ISO, por el CEN, o por la OECD, ya que este manual de Introducción al Monitoreo Atmosférico sólo describe los principios más difundidos.

4.2.1. Operaciones de Rutina

Los procedimientos estándares de operación necesarios para la captura e integración de los datos, son las operaciones de rutina que tienen que llevarse a cabo durante las visitas periódicas a los sitios de muestreo.

Estas operaciones de rutina deberán describirse de forma apropiada para el usuario, de manera que los procedimientos se realicen consistentemente en todo momento y por cualquier técnico. Para decidir si un procedimiento en particular es candidato a ser descrito, deberán contestarse afirmativamente las siguientes dos preguntas:

• ¿El procedimiento afecta significativamente la calidad de los datos?
• ¿El procedimiento es repetitivo o rutinario?¹²³

La preparación de un buen programa de operaciones de rutina que incluya los protocolos de cada una de ellas es una parte esencial del control de calidad.

También es muy importante enfatizar que todos los procedimientos operacionales estén plenamente documentados y respaldados. Los procedimientos de control de calidad deberán incluir informes entre otros de las metodologías de muestreo utilizadas (tipo de instrumento, papel filtro, etc.), procedimientos de control de flujo, métodos de análisis, procedimientos de calibración, de manejo de errores, de mantenimiento, de reporte de los datos y un reporte de las mediciones paralelas con el
método de referencia escogido¹²⁴.

De igual manera, las visitas periódicas a los sitios de muestreo, deberán estar documentadas, ya que son un componente importante de cualquier plan de aseguramiento y control de calidad, variando su frecuencia de una red a otra. A pesar de que los sistemas telemétricos proporcionan un método de recopilación de datos efectivo y eficiente para redes geográficamente muy extendidas con gran número de analizadores automáticos, se requerirán también visitas regulares de apoyo para la validación de los datos, las cuales se llevarán a cabo tan frecuentemente como la operación lo necesite y lo permitan las restricciones geográficas o de disponibilidad de personal.

Para facilitar que todas las funciones, tanto de operaciones de rutina como de mantenimiento y calibración, se lleven a cabo de manera sistemática y eficiente, se recomienda redactar programas que estipulen todos los sitios de muestreo que deben de ser visitados y especifiquen la frecuencia de las visitas, las cuales varían desde semanal a mensualmente, determinando las funciones que se llevarán a cabo en cada visita. Después de cada visita se deberá de llenar un registro de calibración y una lista de chequeo de instrumentos la cual se utilizará para subsecuentes auditorías de control de calidad.

Algunas de las funciones que se llevan a cabo durante las visitas a los sitios de muestreo son¹²⁵:

• Revisión de todos los datos obtenidos en la carta indicadora desde la última visita.
• Verificar el funcionamiento adecuado del equipo de acuerdo con los procedimientos operacionales estándar
• Llevar a cabo la calibración de los instrumentos y los chequeos de diagnóstico.
• Anticipar problemas para minimizar el paro de los equipos.
• Llevar a cabo operaciones de rutina como: cambio de filtros, recolección de muestras o limpieza de “manifolds”
• Todas las muestras de campo deberán ser identificadas y etiquetadas adecuadamente.
• Ejecutar auditorías internas en los sistemas automáticos de calibración.
• Instalación de equipo nuevo o reemplazo de unidades cuando se requiera.
• Asegurar, por medio de chequeos de las condiciones externas del sitio, que prevalezcan los criterios iniciales para la ubicación del mismo.

4.2.2. Mantenimiento y Calibración del Equipo

Se define como mantenimiento a todos los procedimientos que se llevan a cabo para la conservación y el cuidado de todos los sistemas de muestreo y monitoreo, desde las líneas de toma de muestra hasta los instrumentos de medición, incluyendo todo el equipo de muestreo, como bombas, medi-dores de flujo y analizadores.

Son muy importantes estos procedimientos de mantenimiento, sobre todo para los analizadores de calidad del aire, ya que sólo a través de un adecuado soporte técnico que vigile el sistema de monitoreo, éste será confiable para operar satisfactoriamente y por períodos de tiempo prolongados. Todos los procedimientos de mantenimiento, como programas de reemplazo de partes, chequeos de diagnóstico y acondicionamiento del equipo, deberán en todos los casos llevarse a cabo siguiendo las recomendaciones del fabricante. El soporte técnico que requieren los analizadores automáticos de contaminación atmosférica trae como resultado gastos significativos, tanto financieros como en requerimientos de personal calificado, por lo que su uso es inadmisible en países donde no existe la infraestructura adecuada y los recursos para llevarse a cabo estos procedimientos. Sería una pérdida de recursos, la instalación de una red automática de monitoreo en ciudades que no cuentan con esta infraes-tructura que provea el mantenimiento adecuado de la misma¹²⁶.

Además, cuando se considera el uso de tecnologías de monitoreo de aire, es muy importante reconocer la necesidad de recursos más allá del capital inicial requerido para la inversión. Se requerirán gastos adicionales a lo largo de toda la vida útil del monitoreo que dependerán del tipo de metodología que se esté utilizando, tanto para el análisis de las muestras o para mantener el equipo operando, como para asegurar la recopilación de los datos y que estos sean significativos.

Otra parte esencial para el control de calidad es una adecuada calibración del equipo de monitoreo, para obtener datos de calidad de aire precisos y reproducibles. Para efectuar esta calibración se utilizan los estándares de gases primarios, los cuales proveen los puntos de referencia para todas las mediciones que se realizan en cualquier programa de monitoreo.

Los estándares primarios proporcionarán la base de la calibración de todas las mediciones en el programa de monitoreo atmosférico y serán el punto de referencia central para todas las mediciones de campo. Por lo que deben ser producidos de manera confiable y exacta, para que todos los datos obtenidos de las mediciones tengan sentido. Los métodos primarios comúnmente usados para la preparación y generación de gases de concentración conocida y el control de mezclas de gases estándar para la calibración de analizadores de calidad del aire se resumen en el cuadro 4.2 y son¹²⁷:

• Cilindros de gas comprimido
• Tubos Permeables
• Dilución Está
• Dilución Dinámica
• Titulación en Fase Gaseosa
• Fotometría Ultravioleta (UV).

Cilindros de gas. Contienen mezclas de gases comprimidos a concentraciones muy cercanas a las del medio ambiente y están disponibles por medio de numerosos distribuidores comerciales. Estos cilindros generalmente son estables y pueden ser muy útiles como fuentes de gases de calibración sobre todo en el sitio de muestreo. La concentración de la mezcla de gases en el cilindro se recomienda verificarla en el laboratorio, previo su uso, por medio de su comparación con un gas estándar primario preparado con alguna de las técnicas que se describen a continuación.

Verificar estas concentraciones es muy importante ya que la mayor parte de los errores se deben a los cambios que sufren las concentraciones de los gases durante su almacenaje¹²⁸ .

Tubos permeables. Son pequeños envases cubiertos con un tapón permeable. La especie del contaminante requerido se coloca dentro del tubo, como un líquido puro, el cual establece un equilibrio con su fase de vapor dentro del tubo. El vapor se difundirá a través del tapón permeable (comúnmente de teflón) a una tasa constante, siempre y cuando se mantenga el tubo a una temperatura y presión constantes. Este método se describe en ISO 6349 (1979) ¹²⁹ , en donde se utiliza un baño de agua para el control de la temperatura. Comercialmente se cuenta con hornos para el control de temperatura, que también proveen un flujo de aire lavado, que sirve para diluir el gas permeado hasta concentraciones cercanas a las ambientales.

Los tubos permeables sólo se encuentran disponibles para un número limitado de especies contaminantes, (aquellas cuyo punto de ebullición se encuentra dentro de los rangos apropiados). Los más usados son para NO2 y SO2. Sin embargo, no se recomienda porque es un método muy inestable.

El sistema de dilución estática. Es otro de los métodos comúnmente usado para la preparación de un gas estándar primario que consiste en mezclar en un contenedor de volumen fijo, un pequeño volumen de contaminante puro medido, con un gas diluyente, para obtener un gas expandido de concentración conocida (ISO 6144, 1981)¹³⁰. Esta técnica es muy flexible y puede ser utilizada para un gran número de especies contaminantes y casi para cualquier gas diluyente. Se usa principalmente para preparar estándares para NO, NO2, CO y SO2.

La dilución dinámica involucra. Como su nombre lo indica, la dilución de una corriente de gases proveniente de cilindros con mezclas de alta concentración con aire o nitrógeno, para producir gases de calibración con concentraciones semejantes a las ambientales (ISO 6145/1, 1986)¹³¹.

Una ventaja de este método es que los cilindros de alta concentración son generalmente más estables que los del tipo de baja concentración que se usan rutinariamente para la calibración de los instrumentos en el campo.

Esta técnica permite que las calibraciones de varios puntos se lleven a cabo simplemente alterando uno de los flujos. Lo cual nos proporciona una medida para saber qué tan lineal es la respuesta del analizador. Es ideal también para producir gas de calibración por un período de tiempo de 2 – 3 días y puede ser usada también para probar muestreadores pasivos y activos.

Se usa para preparar estándares para NO, NO₂ , CO y SO₂ ¹³²

La titulación en fase gaseosa. Usa una reacción estequiométrica entre NO y el ozono, produciendo NO₂ :

NO + O₃ —–> NO₂ + O₂

Esta técnica puede ser utilizada para la calibración de cualquier NOX ( NO + NO2 ) u ozono, con las especies a determinar tituladas contra un exceso del otro reactante. Se utiliza principalmente para comparar las calibraciones primarias de NO y ozono y puede permitir verificar la eficiencia de los analizadores quimiluminiscentes de NOX ¹³³.

Método de fotometría ultravioleta. Los estándares primarios de ozono se basan en este método usando un fotómetro para medir las concentraciones de ozono y un generador de ozono de estabilidad conocida. Para verificar el fotómetro, éste debe ser comparado contra otro analizador utilizando el mismo generador de ozono. Para calibrar un analizador de ozono, el generador de ozono se coloca para producir una concentración conocida y estable y el analizador y fotómetro se colocan en paralelo para medir el gas de concentración conocida. Detalles del equipo y metodologías usadas para este propósito se describen en Sweeney and Stacey, 1991₁₃₄.

Estos métodos han sido desarrollados por un tiempo considerable y son utilizados rutinariamente por muchos laboratorios alrededor del mundo.

Mucho del equipo especializado requerido se encuentra disponible comercialmente o puede ser construido por el usuario cumpliendo con los criterios de funcionamiento especificados. La lista presentada en este manual no es exhaustiva, pero se concentraron en ella las técnicas más aceptadas, las más ampliamente usadas y las más efectivas en cuanto al costo.

La adecuada calibración del equipo de monitoreo, como ya se mencionó, es esencial para obtener datos de calidad de aire precisos y reproducibles.

Para los contaminantes de aire gaseosos más comunes, esto involucra el uso de cilindros de gases de transferencia o tubos permeables para generar puntos expandidos, que determinan la respuesta del sistema a concentraciones predeterminadas del contaminante atmosférico en análisis. Adicionalmente se tendrá que fijar el “punto cero”, es decir la respuesta del sistema cuando no ésta presente el contaminante analizado, con lo cual se tienen dos puntos para llevar a cabo la calibración. Las calibraciones multipunto involucran el uso de diferentes concentraciones y son utilizadas durante los procesos de operación continua con la finalidad de observar el comportamiento de cada uno de los equipos que conforman los sistemas de monitoreo, o después de un servicio o reparación del equipo o cuando se sospechan problemas de linealidad.

Para la preparación del gas cero, el cual es esencial en el proceso de calibración, tanto para la determinación del “punto cero” de los analizadores, como para la dilución de los gases estándar, se utilizan cilindros comerciales que usualmente contienen aire sintético (solamente O2 y N2 ) o aire lavado, el cual es aire ambiente con el contaminante de interés removido. Idealmente, el gas cero debería de ser idéntico al aire ambiente del lugar donde se llevan a cabo las mediciones de calidad de aire, pero con el contaminante que se está midiendo removido.

Para determinar la precisión de un gas estándar preparado es necesario calibrar todas las mediciones físicas como flujo, presión y temperatura, contra un estándar primario. Para asegurar que esta precisión se mantiene se tendrán que repetir estas calibraciones regularmente. Durante la calibración de analizadores en la práctica, frecuentemente se llevan a cabo dos o más de las metodologías descritas para minimizar errores sistemáticos.

La frecuencia y el tipo de calibraciones de campo requeridas por cualquier analizador deben definirse en el plan de control de calidad para toda la red. Un esquema típico incluye la calibración automática cada 24 horas usando hornos con tubos permeables en el sitio, cilindros de gas de concentración conocida, acoplados a válvulas de activación vía remota o a controladores de tiempo, o calibradores dinámicos de flujos másicos y una calibración manual que se lleva a cabo durante cada visita al sitio de muestreo. Adicionalmente, deberá existir una calibración interna regular de toda la red realizada por un equipo de auditores¹³⁵ , que puede ser cada 6 ó 12 meses, dependiendo del tipo de equipamiento y tamaño del sistema. Hay ocasiones en que se llegan a requerir períodos más cortos.

Existen auditorías de funcionamiento que son evaluaciones cuantitativas de los sistemas de medición que incluyen la adquisición de los datos y auditorías de sistemas técnicos que son evaluaciones cualitativas del sistema de medición, en el sitio. Estas últimas permiten estimar y documentar todas las facilidades del equipo, sistemas, operaciones, mantenimiento, procedimientos de calibración, etc., reportar requerimientos y procedimientos de control de calidad como fueron definidos en el plan de aseguramiento de calidad de toda la red¹³⁶ .

Todo este sistema de calibración de redes no siempre está disponible o es adecuado para países que no cuentan con laboratorios equipados para la preparación de gases estándar primarios o metrología. De cualquier manera es muy importante que cuando se utilicen sistemas de monitoreo avanzados, se establezcan sistemas sofisticados de calibración para asegurar la integridad de los datos. En general el uso de gases estándares de laboratorios equipados o de compañías, junto con las auditorías internas y externas de funcionamiento y sistemas técnicos usando materiales de referencia y estándares de laboratorios nacionales como NIST y NPL¹³⁷ asegurarán una adecuada huella y armonía de las mediciones.

4.2.2.1. Tipos de pruebas de calibración

Existen diferentes pruebas de calibración que utilizan las metodologías descritas en el punto 4.2.2. que se refiere al mantenimiento y calibración del equipo, desde las líneas de muestreo y sus componentes como medidores de flujo y bombas hasta pruebas que se llevan a cabo en instrumentos individuales, entre instrumentos de una misma red, entre redes y hasta entre laboratorios. En este punto mencionaremos este tipo de pruebas y su importancia y daremos un ejemplo de prueba de control (“Ring Test”) que se realiza en Alemania.

4.2.2.1.1. Comparación de equipos

Para llevar a cabo la calibración individual de diferentes métodos de medición, según el tipo de muestreador y poder realizar comparaciones entre un equipo y otro aunque sean métodos diferentes se recomiendan los procedimientos siguientes¹³⁸:

Existen dos técnicas diferentes de intercalibración. Calibración entre laboratorios de estándares primarios y secundarios para gases, los cuales son laboratorios equipados con instrumentos sofisticados y generalmente caros que se establecen a nivel regional o nacional y que juegan un papel muy importante en el control de la calidad de las mediciones del monitoreo atmosférico, y calibración entre sitios de monitoreo en el campo, dentro de una misma red, que se definen en los párrafos siguientes¹³⁹ .

La calibración entre laboratorios que preparan estándares primarios permite la armonización de los gases de referencia usados en las redes de monitoreo. Esta técnica no pretende interrelacionar las mediciones de la red si no los estándares de referencia en los cuales se basan estas mediciones.

De los estándares primarios se preparan estándares que serán usados en el campo para comparar el funcionamiento individual de las unidades de monitoreo, a este procedimiento se le denomina Intercalibración de sitios de monitoreo y nos permite que se mantenga la consistencia de mediciones dentro de una misma red por medio de la corrección del funcionamiento de cada uno de los monitores en el campo.

La calibración entre los sitios de monitoreo asegura que todos los sitios estén relacionados a un determinado estándar primario y que todas las mediciones sean consistentes y armónicas a lo largo de toda la red.

Además proporciona un marco de referencia para auditar la infraestructura y operación de los sitios dentro de la red y un contacto entre la administración central de la red y los operadores locales de los sitios¹⁴⁰.

También existe la técnica de intercalibración de redes que es una herramienta muy útil para asegurar gran calidad de datos, integridad e intercomparabilidad entre sistemas de monitoreo de contaminantes que operan a escalas nacionales o internacionales. Esta técnica permite la correlación de conjuntos de datos individuales con estándares comunes facilitando la consistencia de las mediciones en varias rede