Metrología
Metrología aplicada a gases: Desarrollo de un sistema de verificación de desempeño de
medidores de CO2
A. Chamorro(1), A. Czechowicz(2), D. Salustro(1), M. Puelles(1) achamorro@inti.gob.ar; puelles@inti.gob.ar
(1) Dto. Metrología en Ambiente y Salud-DT Metrología Química-SOMCeI-GOMyC-INTI, (2) Dto. Evaluación y Control de la Contaminación-DT Químico Ambiental Sustentable-SOQyA-GOSI-INTI,
Palabras Clave: medidores de bajo costo CO2; PROCER dióxido de carbono; calidad de aire interior COVID
-Comparar los resultados de las mediciones
INTRODUCCIÓN
obtenidas en las pruebas desarrolladas frente a
Una de las vías de trasmisión del SARS-CoV-2 es mediante aerosoles, y la acumulación de
los resultados bibliográficos de diversos equipos disponibles en el mercado internacional.
estos aumenta la probabilidad de inhalación de aire contaminado. A raíz de ello como una medida preventiva, se plantea la necesidad de una ventilación constante en ambientes interiores. Se sugiere entonces que el monitoreo
-Identificar las mejoras a incorporar en la metodología de ensayo utilizada para un posterior montaje del sistema de calibración de medidores de gases.
de dióxido de carbono da evidencia indirecta sobre la estanqueidad de aire en el recinto. En consecuencia, se estimula la utilización de medidores de bajo costo de CO2, por lo que aumenta la demanda, la importación y el
DESARROLLO
Para poder llevar adelante la evaluación de desempeño de los dispositivos se desarrolló una metodología de trabajo que involucró:
desarrollo de dispositivos a nivel local.
- El relevamiento de equipos y el análisis de las
Con el fin de satisfacer la demanda de
guías/recomendaciones de calidad de aire
empresas locales, universidades y particulares
interior disponibles en torno a la temática. A
respecto de la necesidad de evaluar el
partir de ello, se determinaron las
funcionamiento de dichos medidores, el Instituto desarrolló un protocolo de trabajo y una
concentraciones de CO2 en aire sintético que se utilizaron en las pruebas. Con este fin se
metodología de evaluación de los equipos.
adquirieron de un proveedor local, mezclas
Hasta el momento en INTI se llevó adelante la evaluación de desempeño de un total de 67 dispositivos para 5 usuarios que lo han solicitado, de los más de 30 que consultaron.
gaseosas obtenidas gravimétricamente, como
patrones de trabajo para los niveles de 800, 1200 y 1600 μmol/mol de CO2 en balance aire1 En el nivel de 400 μmol/mol de CO2 se optó por trabajar en condiciones ambientales debido a
Cabe señalar que en el presente trabajo los análisis realizados corresponden a dispositivos
que la concentración media de CO2 en un recinto ventilado va desde 350-450 μmol/mol.
con tecnología NDIR (espectroscopia infrarroja no dispersiva). El fundamento de la técnica consiste en que las moléculas de CO2 absorben radiaciones en la región IR del espectro electromagnético a una determinada longitud de onda y la radiación absorbida es directamente proporcional a la concentración de las moléculas del mesurando a presión constante.
- Diseño y materialización de una cámara de prueba de gases: este desafío fue concretado por el sector de diseño industrial. En este recinto los dispositivos son sometidos a diversos niveles de concentración de dióxido de carbono en aire sintético Ver Figura 1.
Posteriormente, a partir de los manuales y de las especificaciones técnicas asociadas al uso
OBJETIVOS
-Evaluar el desempeño de distintos medidores de dióxido de carbono de bajo costo con
correcto de los equipos en estudio, se establecieron los períodos de tiempo de evaluación y se procedió a la ejecución de las
tecnología infrarroja no dispersiva (NDIR)
producidos localmente.
1 Los manuales de los equipos utilizan como unidad de
concentración ppm que significa partes por millón en base
molar, una unidad equivalente a μmol/mol bajo el SI, por lo
que de ahora en adelante se expresarán los resultados de
medición en ppm.
pruebas. A tal fin se realizaron dos esquemas de ensayo:
Figura 1: Cámara de gases para prueba de medidores.
Esquema ensayo 1: se sometieron de forma simultánea distintos dispositivos (n) del mismo modelo/marca dentro de la cámara de pruebas de gases (Fig.1). Los parámetros de interés que se evaluaron en este caso fueron los datos anómalos (outliers), el tiempo de estabilización, linealidad, coeficiente de variación porcentual y el porcentaje de desviación de los dispositivos individuales. Esquema ensayo 2: En una segunda etapa se evaluaron simultáneamente, distintas marcas de equipos comercializados en nuestro país. Para esto, se colocó un dispositivo por marca dentro de la cámara de pruebas siendo el conjunto evaluado en los distintos niveles de CO2 preestablecidos. Con los resultados obtenidos se confeccionaron los gráficos de dispersión correspondientes a cada nivel.
Finalmente, los resultados obtenidos a partir de los modelos producidos localmente se compararon con los de la bibliografía de referencia [3] cuyos resultados corresponden a medidores disponibles en el mercado internacional.
Figura 2: Monitoreo de dispositivos en condiciones ambientales
RESULTADOS: Se mencionan algunos de los resultados obtenidos bajo los dos esquemas de ensayo planteados:
Área Temática: Metrología
- Esquema de ensayo 1:
El tiempo de estabilización del sistema para los equipos de distintas marcas va desde los 7 a 10 dependiendo el modelo.
Identificado este tiempo, se procedió a la determinación de los siguientes parámetros de interés:
Datos anómalos (outliers): sobre resultados de las mediciones obtenidas, se aplicó el test de Grubbs con el fin de identificar y eliminar aquellos que puedan representar datos anómalos.
En la tabla 1 se expresan el número de dispositivos que presentaron al menos un dato anómalo en el total de las mediciones registradas.
%Desviación: se determina el porcentaje de desviación para cada uno de los n dispositivos a partir de la siguiente expresión [3]: (Ec.1)
siendo: [Conc. gas de refer]= la concentración nominal de
los patrones de trabajo utilizados como referencia expresada en ppm base molar.
valor medio obtenido a partir de las mediciones del dispositivo i una vez eliminados los datos anómalos.
CV%: coeficiente de variación porcentual para cada uno de los n dispositivos se determina a
partir de la siguiente expresión:
(Ec.2)
siendo: SDi = desvío estándar obtenido a partir de una
serie de mediciones realizadas por el dispositivo i
valor medio obtenido a partir de las mediciones del dispositivo i una vez eliminados los datos anómalos.
Linealidad: a partir la regresión lineal obtenida por el método de cuadrados mínimos utilizando la relación existente entre el valor medio indicado por el dispositivo de medición y las concentraciones nominales de las mezclas gaseosas utilizadas como patrón de trabajo. [1]
Tabla 1: Resultados extraídos de distintos ensayos durante la evaluación de los medidores del mismo modelo.
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Variable Nivel Marca 1
(μmol/mol)
Marca 2 Marca 3
Marca 4
n por modelo
10
10
10
2
400
5
5
3
0
Outliers
800 1200
6 6
1
0
2
0
0 0
1600
4
3
1
0
400
[0 ; 4]
[0,4 ; 4,3] [1,3 ; 2,5] [1,9 ; 16,5]
Rango % 800 [-16,1 ; -48,6] [-12,3 ;- 21,3][-11,2 ; -32,4] [-11,6 ; -2,1]
Desviación(*) 1200 [-12,7 ;- 46,3] [-12,4 ; -19,5] [-9,6 ; -26,8] [-9,2; -2,9]
1600 [-9,9 ; -42,8] [-8,4 ; -14,6] [-6,3 ; -20,2] [-6,1 ; -1,5]
400
[0 ; 2,7]
[0 ; 1,0] [0 ; 0,1] [0,38 ; 0,62]
Rango
800
[0 ; 3,3] [0,1 ; 0,3] [0,1 ; 0,5] [0,63 ; 0,92]
CV%(*)
1200 [0,7 ; 8,3] [0,1 ; 0,4] [0,1 ; 0,4] [0,15 ; 0,34]
1600 [0,4 ; 2,7] [0 ; 0,1] [0,2 ; 0,5] [0,09 ; 0,36]
Linealidad [R²min ; R²máx]
[0,928 ; 0,992]
[0,987 ; 0,993]
[0,960 ; 0,995]
[0,997 ; 0,998]
(*) El parámetro se expresa como un rango debido a que se
enumeran el valor mínimo y el máximo obtenidos entre los n
dispositivos pertenecientes al mismo modelo/marca
ensayada.
- Esquema de ensayo 2:
Los resultados obtenidos por los equipos de distintos modelos se volcaron posteriormente en los gráficos de dispersión detallados a continuación.
Tiempo de estabilización de los modelos ensayados: En todos los casos la referencia fue establecida a partir de la concentración nominal de mezclas gaseosas sintéticas utilizadas como patrones de trabajo.
Gráf.1: Respuesta de medidores en el nivel de 400 ppm.
Distintos modelos en el nivel de 800 ppm
850
Conc. medida nivel 800 (ppm)
750 650
550
450 0
5 Mod. N°1
10 Tiempo (min)
Mod. N°2
15
20
Mod. N°3
Gráf.2: Respuesta de medidores en el nivel de 800 ppm.
Distintos modelos enel nivel de 1200 ppm
1299
Conc. medida nivel 1200 (ppm)
1199
1099
999
899
799
699
599 0
Mod. N°1 Mod. N°4
5
10
Tiempo (min)
Mod. N°2 Mod. N°5
15
Mod. N°3 Ref.
Gráf.3: Respuesta de medidores en el nivel de 1200 ppm.
Conc. medida (ppm)
Distintos modelos en el nivel de 1600 ppm
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900 0
5
Mod. N°1 Mod. N°4
) 10
Tiempo (min
Mod. N°2 Mod. N°5
15
Mod. N°3 Ref.
Gráf.4: Respuesta de medidores en el nivel de 1600 ppm.
De los gráficos 2, 3 y 4 se puede inferir que el tiempo de estabilización del sistema se alcanza entre los 7 a 10 minutos para los distintos niveles de concentración.
Asimismo, se puede mencionar que los 5 medidores presentan resultados por defecto en relación con la referencia establecida a partir de las concentraciones nominales de las mezclas.
Tabla 2: Diferencias obtenidas por cada modelo.
Nivel de 800 Nivel de 1200 Nivel de 1600
μmol/mol
μmol/mol
μmol/mol
Mod.1
83,7
105,2
93,1
Mod.2
10,1
30,1
21,1
Mod.3
162,0
265,6
287,2
Mod.4
160,5
225,1
230,8
Mod.5
178,9
287,6
317,9
(*) Mencionamos diferencia en lugar de error o sesgo de
medición debido a que en el análisis se utilizaron patrones de
trabajo y no materiales de referencia certificados con
trazabilidad comprobable.
En el caso de los modelos 3, 4 y 5 esta diferencia se incrementa conforme aumenta la concentración de trabajo. Ver Tabla 2.
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Linealidad de los modelos ensayados:
A partir de las mediciones realizadas en los distintos niveles de concentración se estudió la linealidad de los modelos estudiados. Ver Gráfico 5. Del mismo se desprende la siguiente Tabla 3 de resultados:
Tabla 3: Regresión obtenida por cada modelo.
Mod.1 Mod.2 Mod.3 Mod.4 Mod.5
Pendiente
0,9325 0,9313 0,7561 0,8021 0,7295
Ordenada al origen -5,54 69,35 66,11 46,74 76,04
R2
0,9973 0,9975 0,9888 0,9865 0,986
R
0,9986 0,9987 0,9944 0,9932 0,9930
Media de la respuesta del medidor (ppm)
Linealidad de modelos
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200 300
500 700 900 1100 1300 1500 1700 Conc. nominal patrones de trabajo (ppm)
Mod. N°1 Mod. N°2 Mod. N°3 Mod. N°4 Mod. N°5
Gráf.5: Regresión lineal para cada uno de los modelos.
De acuerdo con la bibliografía de consulta [1] el criterio de aceptación para un ajuste lineal es un valor de R≥0,999 para el coeficiente de regresión. Por lo tanto, podemos inferir que los medidores no cumplen con este criterio.
Comparación de resultados frente a la bibliografía de consulta:
Se detallan algunos parámetros extraídos de la bibliografía consultada [3]. Cabe destacar que en
estos ensayos la referencia es establecida
mediante el equipo de referencia:
Porcentaje de desviación:
Tabla 4.a: Resultados extraídos de bibliografía.
Rango 400- 900 Rango 900-1300
μmol/mol
μmol/mol
Kkmoon
[-20; 0]
-
Aranet4
[-15; 20]
[-10; 10]
AZ7755
[-7; 7]
[-7; 3]
Chauvin
[-20; 15]
[-15; 10]
Temtop M2000C
[-40; 0]
[-20; 0]
Linealidad de los equipos:
Tabla 4.b: Resultados extraídos de bibliografía.
Ordenada Pendiente
R2
R
al origen
Kkmoon
0,8824
8,9727 0,9618 0,9807
Aranet4
1,0019
7,2801 0,9776 0,9887
AZ7755
0,9714
11,297 0,9841 0,9920
Chauvin
1,0501
1,2023 0,9909 0,9954
TemtopM2000 0,8783
-39,151 0,9621 0,9808
(*) De acuerdo con lo descripto en bibliografía, la referencia
en estos casos fue establecida mediante el equipo Delta
Ohm.
DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES De la evaluación de desempeño de los modelos de medidores de CO2 NDIR hasta el momento estudiados se puede mencionar que en tres de los cuatro niveles de concentración ensayados los equipos presentan mediciones por defecto en relación con las referencias establecidas mediante las mezclas utilizadas como patrones de trabajo. Estas diferencias no pueden ser consideradas como el sesgo de medición debido a que para ello resulta necesario trabajar con materiales de referencia certificados (MRC) con valor e incertidumbre conocidas y trazabilidad al Sistema Internacional de Unidades, SI.
Tras comparar los resultados obtenidos en las pruebas de desempeño con la bibliografía de consulta, se advierte que los medidores de bajo costo producidos localmente son comparables con los dispositivos comercializados en el mercado internacional.
Concluidas las pruebas iniciales, se estableció un futuro esquema de prioridades de mejoras de la metodología de trabajo, destinadas al aseguramiento de la calidad de la medición que trae aparejado como último resultado el desarrollo y montaje del sistema de calibración de medidores de dióxido de carbono. Con este objetivo se presentó un proyecto PROCER frente al Ministerio de Desarrollo Productivo cuya aprobación nos posibilitará la incorporación de los 5 Materiales de Referencia Primarios (PRM) gaseosos, instrumental de mayor precisión, la construcción de una nueva cámara de pruebas de gases con condiciones ambientales controladas y la ampliación edilicia del Laboratorio de análisis de gases.
AGRADECIMIENTOS
A todas aquellas personas que colaboraron para que este trabajo se hiciera posible.
A los emprendedores que confiaron en el grupo de trabajo que conformamos y que enviaron sus equipos para evaluar.
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Al grupo de diseño industrial: en especial a Rodrigo R.; María Victoria D.; Ladislao Z. y Manuel G. ya que sin su intervención y aportes este trabajo no se podría haber materializado.
Al Laboratorio de contaminantes del ambiente laboral y calidad de aire exterior, a Daniel V.; Javier P. y Medardo E. con quienes trabajamos en la de medición y monitoreo de equipos.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Centro Español de Metrología (CEM) Procedimiento QU-007 para la calibración de analizadores de dióxido de carbono (CO2) técnica NDIR, Edición digital 1 Última actualización 15/03/2021. [2] Norma UNE EN 50543:2011: Aparatos electrónicos portátiles y transportables diseñados para detección y medición de dióxido de carbono y/o monóxido de carbono en el aire ambiental de interiores. [3] F. Villanueva, E. Jiménez, J. M. Felisi, T. Garrido, J. L. Jiménez, M. Ródenas y A. Muñoz. Guía sobre medidores de CO2 disponibles en España, versión 1.6, del 02/11/2021
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