Muestreo de Contaminantes con Monitores de PM Continuos

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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 Aire
• Universidad 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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Evolución del Muestreo de Material Particulado (2
de 3)

• 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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Evolución del Muestreo de Material Particulado (3
de 3)
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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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Métodos de Muestreo (2 de 5)

• 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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Métodos de Muestreo (3 de 5)

• 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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Métodos de Muestreo (4 de 5)

• 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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Métodos de Muestreo (5 de 5)

• Ejemplo del Diseño de un Recinto

Conduit para Cables Eléctricos
Colector
Impresora
DAS
Unidad A/C
Mesa
Pared
Bastidor para Instrumentos
Sensor de Temperatura
Puertas
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Monitores Automáticos de PM (1 de 4)
Esquema Típico de un Sistema PM de Flujo Integral
Bomba
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Monitores Automáticos de PM (2 de 4)

• 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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Monitores Automáticos de PM (3 de 4)

• 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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Monitores Automáticos de PM (4 de 4)

• 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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Monitor de PM Tipo TEOM (2 de 7)
Toma
Divisor del Flujo
Tripié
Techo
TEOM 1405-F
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Monitor de PM Tipo TEOM (3 de 7)

• 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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Monitor de PM Tipo TEOM (4 de 7)

• 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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Monitor de PM Tipo TEOM (5 de 7)

• 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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Monitor de PM Tipo TEOM (6 de 7)
Transductor de Masa
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Monitor de PM Tipo TEOM (7 de 7)

• 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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Monitor de PM Tipo BAM (2 de 3)

• 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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Monitor de PM Tipo BAM (3 de 3)

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

(bomba externa)
26
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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Instalación del Monitor Tipo BAM (2 de 6)

• 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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Instalación del Monitor Tipo BAM (3 de 6)
Esquema típico para la instalación de un Monitor
BAM-1020
29
Instalación del Monitor Tipo BAM (4 de 6)
Filtro Cinta y Boquilla
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Instalación del Monitor Tipo BAM (5 de 6)
Filtro Cinta y Boquilla
Boquilla en posición superior
Tranca
Area de Muestreo y Medición
Rodillo Prensor
Rodillo Izquierdo
Rodillo Derecho
Cabrestante
Rodillo Tensor
Rodillo Tensor
Filtro Cinta
Núcleo Receptor
Carrete Receptor
Carrete de Abastecimiento
Tapas Transparentes con Perilla
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Instalación del Monitor Tipo BAM (6 de 6)
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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Aseguramiento y Control de Calidad (2 de 4)

• Ciclo de Vida de un Proyecto

Documentos de planifica-ción, criterios de
desem-peño, procedimientos estandarizados de
operación
Los resultados sirven de in-sumo para futuras
investi-gaciones
Planificación
Implementación y Seguimiento
Producto o Decisión
Análisis estadístico y conclusiones científicas
Capturar datos con la correspondiente
información sobre la calidad de los datos
Evaluación y Mejoramiento
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Aseguramiento y Control de Calidad (3 de 4)

• 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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Aseguramiento y Control de Calidad (4 de 4)

• 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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Ejemplo de Control de Calidad Monitor BAM (2 de
3)

• 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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Ejemplo de Control de Calidad Monitor BAM (3 de
3)
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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 Ambientales
• http//www.epa.gov/quality/qs-docs/overview-final
  .pdf
• Manual de Aseguramiento de Calidad para los
  Sistemas de Medición de Contaminantes
  Atmosféricos
• http//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/q
  a/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/Vo
  lume20IV_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
  calidad
• http//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
  Técnicos
• http//www.epa.gov/ttn/amtic/cpreldoc.html
• Calculador Estadístico para la Evaluación de
  Datos
• http//www.epa.gov/ttn/amtic/files/ambient/qaqc/P
  B20DASC209_2720final.xls
• Métodos Equivalentes y de Referencia para
  Contaminantes Específicos
• http//www.epa.gov/ttn/amtic/criteria.html

Nota Todos los sitios de referencia están en
inglés.
48
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.