MUESTREO ISOCINETICO DE PARTICULAS.  Objetivo: Determinar el contenido de partículas en una fuente fija mediante un muestreo isocinetico, donde se busca.

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1 MUESTREO ISOCINETICO DE PARTICULAS

2  Objetivo: Determinar el contenido de partículas en una fuente fija mediante un muestreo isocinetico, donde se busca recolectar una muestra representativa de la emisión de una chimenea, mediante un proceso el cual consiste en tomar una muestra exactamente a la misma velocidad y condición que es emitida en operación normal sin sobreestimar ni subvalorar la cantidad de contaminantes emitidos por una fuente de emisión. DETERMINACION DE LA EMICION DE PARTICULAS EN UN DUCTO

3 DEFINICIONES  Medio filtrante: Sistema de colección (filtros) empleado para la retención de las partículas emitidas por el sistema o proceso monitoreado, los cuales son construidos de diferentes materiales.  Partícula: Fragmentos de materia que se emiten a la atmósfera en fase sólida y/ó líquida que sean condensables a la temperatura de filtrado 307,2 ºK ± 14 ºK (120 ºC ± 14ºC).  Presión Barométrica: es el valor de presión atmosférica que se mide en un punto cualquiera por encima del nivel del mar.  Presión estática: La presión estática es la que tiene un fluido, independientemente de la velocidad del mismo.  Presión absoluta: Este valor indica la presión total a la que está sometido un cuerpo o sistema, considerando el total de las presiones que actúan sobre él.  Condiciones normales: Son aquellas en que la temperatura es de 298ºK (25ºC) y la presión de 101325 Pa (760mmHg).  Condiciones Reales: Son aquellas que se encuentran dentro del conducto de puerto de medición.  Puerto de muestreo: Orificio o perforación que se hace en un conducto para realizar la toma de variables de muestreo.  Punto de prueba Es la ubicación dentro de la sección transversal del conducto seleccionado para medir las variables de muestreo.

4 DEFINICIONES  Error de calibración: Es la diferencia entre la concentración medida del gas de calibración de nivel bajo, medio o alto y la concentración certificada para cada gas cuando se introduce en el modo de calibración del sistema.  Drift: Significa la diferencia entre la comprobaciones de sesgo del sistema antes y después de la ejecución ( o error de calibración del sistema) a un nivel de concentración de gas especifico, es decir bajo, medio o alto.  Bias: Significa la diferencia entre la concentración del gas de calibración medido en el modo de calibración directa y el modo de calibración del sistema. El sesgo del sistema se determina antes y después de cada ejecución de niveles de baja y media o alta concentración.  Tiempo de respuesta: Es el tiempo que toma el sistema de medición a responder en un cambio de la concentración del gas de un punto a otro.

5 Conociendo nuestro equipo Consola de Control Gasómetro Conexión de muestreo cordón umbilical. Ajuste fino Ajuste Grueso Medidor de presión de vacío Indicador de temperaturas Manómetro Inclinado Corriente a caja caliente Conexión a 125 volts Entrada del tubo pitot Conexión de termopares Selector de termopares Interruptores de encendido

6 PROCESO PARA LA MEDICIÓN DE PARTICULAS EN UN DUCTO O CHIMENEA METODO 1 (NMX-AA-009-SCFI-1993) DETERMINACIÓN Y UBICACIÓN DE LOS PUNTOS DE MUESTREO METODO 2 (NMX-AA-009-SCFI-1993) DETERMINACIÓN DEL FLUJO DE GASES METODO 3 (DGN-AA-035-1976) DETERMINACIÓN DE LA MASA MOLAR DE LOS GASES (CO, CO 2 Y O 2 ) METODO 4 (NMX-AA-054-SCFI-1978) DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN LOS GASES METODO 5 (NMX-AA-010-SCFI-2001) DETERMINACIÓN DE PARTICULAS EN LAS EMISIONES A E D C B

7 METODO 1 Determinación del número y localización de los puntos del muestreo.  Los sitios de muestreo se miden en términos del número de diámetros de chimenea o conducto lejos del flujo turbulento. Las perturbaciones pueden ser producidas por codos, transiciones, expansiones, contracciones, la salida hacia la atmósfera, las llamas o la presencia de instalaciones internas.  Se considera que la franja del conducto que cumple la condición de encontrarse 8 diámetros después de una perturbación y 2 diámetros antes de la siguiente es la adecuada para realizar el muestreo, ya que en esta franja se encuentra un flujo laminar PROCEDIMIENTO  Verificar, condiciones de puertos y plataformas y dimensiones del conducto.  Seleccionar y marcar en el Tubo de Pitot el número de puntos a medir.  El número mínimo de puntos por corrida esta especificado en la Tabla 1.  Para conductos no circulares se deberá calcular los diámetros equivalentes para seleccionar el total de puntos a muestrear.

8 CONDICIONES DE PUERTOS Y PLATAFORMAS  Los puertos deben ser suficientemente resistentes para soportar una fuerza cortante de 100kg (220.46lb), una fuerza radial de 25kg (55.11lb) y una fuerza lateral de 25kg (55.11lb) con un diámetro nominal de 10cm (4in) y 7.62cm (3in) de extensión con brida ciega.

9 CONDICIONES DE PUERTOS Y PLATAFORMAS  Los puertos deberán colocarse a una altura tal que conserve la relación de ocho diámetros corriente arriba de la última perturbación del flujo, ocasionado por expansión, contracción, codo, ventilación u otro; y dos diámetros a la salida,

10  PLATAFORMAS A. Las plataformas o andamios deberán ser superficies capaces de soportar una carga mínima de 200kg (400lb), con ascenso de alta seguridad y de espacio suficiente para dar facilidad de maniobra al operador, pudiendo ser fijas o desmontables. B. Se deberán contar con un contacto para suministro de corriente eléctrica monofásica ( 60Hz C.A. 127V y 15A ). C. Deberán tener suficiente iluminación y protección necesaria para evitar cortos circuitos. CONDICIONES DE PUERTOS Y PLATAFORMAS

11 Ubicación de los puntos de muestreo 1 Medir el diámetro interior de la chimenea. Nota: Para chimeneas rectangulares, calcular el diámetro equivalente: 2 Medir el numero de diámetros de la mitad del puerto de muestreo hacia la salida de la chimenea (A), y el numero de diámetros desde la ultima perturbación hasta la mitad del puerto de muestreo (B).

12 Ubicación de los puntos de muestreo En la tabla 1, ubicar los datos encontrados y determinar el número de puntos a muestrear Tabla No 1 Numero mínimo de puntos de muestreo

13 Ubicación de los puntos de muestreo La ubicación de los puntos de muestreo en ductos y chimeneas circulares (porcentaje del diámetro a partir de la pared interna) se determina a través de la tablas 2 Tabla No 2 Número de puntos de travesía sobre el diámetro. Tabla No 3 Arreglo de la sección transversal para chimeneas rectangulares. Para chimeneas rectangulares, se debe dividir la sección transversal en tantas áreas rectangulares como puntos de muestreo, con el propósito de obtener el arreglo de las matrices de la tabla 3. La relación entre la longitud y el ancho de cada área elemental debe estar entre uno y dos.

14 Ubicación de los puntos de muestreo Fig 1 Distribución de los puntos de medición para un ducto circular Fig 2 Marcado de los puntos en la sonda tomando en cuenta la longitud del puerto de muestreo

15 Ubicación de los puntos de muestreo Fig 3 Distribución de los puntos de medición para un ducto rectangular Fig 4 Localización de los puntos de muestreo para un conducto rectangular de 3 puertos Fig 5 Localización de los puntos de muestreo para un conducto rectangular de 4 puertos En donde: Lt = Longitud total del ducto Lp = Longitud del puerto L1 a L4 = Longitud de cada punto Fig 6 Localización de los centros para los puntos de muestreo para un conducto rectangular

16 Ubicación de los puntos de muestreo  Ejemplo: Una chimenea de 0.30 m de diámetro interno con una localización del punto de muestreo óptimo a 0.60 m antes de la descarga del ducto y a 2.4 m después de la ultima perturbación, cuenta con dos puertos de muestreo con una longitud de 0.13 m. Se re quiere determinar el número de puntos de muestreo y la ubicación de los puntos de travesía sobre el diámetro.  Solución: Para determinar el numero de puntos: Calculamos el numero de diámetros para A y B. A= Distancia del centro del puerto a la salida entre el diámetro interno de la chimenea. A= 0.60/0.30 A= 2 diámetros. B= Distancia del centro del puerto de muestreo a la ultima perturbación al entre el diámetro interno B= 2.4m/0.3m B= 8 diámetros.

17  Una ves obtenidos el numero de diámetros de A y B, y utilizando la tabla 1 se determina el numero de puntos de muestreo, trazando una línea recta entre A y B donde se intercepte la línea con la horizontal, será el numero de puntos de muestreo, tomando siempre el numero mayor. Ubicación de los puntos de muestreo Tabla No 1 Numero mínimo de puntos de muestreo De acuerdo al ejemplo podemos observar que se requieren de un total de 12 puntos de muestreo, como para esta chimenea se cuenta con dos puertos de muestreo este valor se divide entre 2. Arrojando un total de 6 puntos por cada trayectoria o puerto de muestreo.

18  Ya determinado el numero de puntos de muestreo por trayectoria se deberá calcular la distancia de estos utilizando la tabla numero 2. Ubicación de los puntos de muestreo Numeraci ón del punto de muestreo en un diámetro Numero de puntos de muestreo en un diámetro 24681012 114,66,74,43,22,62,1 285,425,014,610,58,26,7 375,029,619,414,611,8 493,370,432,322,617,7 585,467,734,225,0 695,680,665,835,6 789,577,464,4 896,885,475,0 991,882,3 1097,488,2 1193,3 1297,9 Para ubicar las distancias en las trayectorias se toma el valor de la tabla para cada punto se multiplica por el diámetro y se le suma la longitud del puerto de muestreo. De acuerdo con la norma se deberán agregar 2.5 cm al primer y restar al ultimo punto para ductos con diámetros mayores a 0.3 m. 1).- (4.4 X 0.30) + 12.5 = 13.95 2).- (14.6 X 0.30) + 10 = 14.38 3).- (29.6 X 0.3) + 10 = 18.88 4).- (70.4 X 0.3) + 10 = 31.12 5).- (85.4 X 0.3) + 10 = 35.62 6).- (95.6 X 0.3) + 7.5 = 36.18

19  Por ultimo estos valores se marcaran en la sonda desde el centro de la boquilla hacia la parte posterior como se ve en la siguiente grafica Ubicación de los puntos de muestreo

20 METODO 2: Determinación de la velocidad del gas de la chimenea y del caudal volumétrico.  PRINCIPIO. La velocidad y el caudal del gas en la chimenea se determinan a través de la densidad del gas y de la medición de la presión de velocidad promedio (presión dinámica) con un tubo pitot tipo “S”.

21 Verificar condiciones de puertos, plataformas y dimensiones de la chimenea Conectar y nivelar el manómetro con las válvulas abiertas Anotar las lecturas del manómetro de cada uno de los puntos seleccionados Anotar el valor de la presión estática, en el punto mas representativo del promedio de las presiones de velocidad Introducir el tubo de pitot en el primer punto a medir cuidando que no haya obstrucciones en el mismo Retirar el tubo de pitot del ducto y comprobar el ajuste inicial del manómetro Asegurar que la boquilla de presión dinámica del tubo este en sentido contrario al flujo Seleccionar y marcar en el tubo de pitot el numero de puntos a medir Comprobar que las paredes del manómetro no presenten escurrimiento de aceite Tapar los claros que queden en el puerto de muestreo. Eliminar infiltraciones o fugas de gases METODO 2: Determinación de la velocidad del gas de la chimenea y del caudal volumétrico.

22  La velocidad del gas en la chimenea se relaciona con la presión de velocidad a través de la ecuación de Bernulli: En la cual: Vs = Velocidad promedio del gas en la chimenea, m/s. Kp = Constante del tubo pitot (34.97). Cp = Coeficiente del tubo pitot. ΔP = Presión de velocidad promedio del gas en la chimenea, mm H 2 O. Ts = Temperatura promedio del gas en la chimenea, ºK. Ps = Presión absoluta en la chimenea, mm Hg. Ms = Masa molar del gas en la chimenea, g/mol.

23  La presión de velocidad promedio del gas en la chimenea se obtiene de la siguiente forma: METODO 2: Determinación de la velocidad del gas de la chimenea y del caudal volumétrico. En la cual: ΔP = Presión de velocidad promedio del gas en la chimenea, mm H 2 O. ΔPi = Presiones de velocidad en cada punto de muestreo, mm H 2 O. n = Número de puntos de muestreo. La presión absoluta del gas en la chimenea es igual a: En la cual: Ps = Presión absoluta en la chimenea, mm Hg. Pa = Presión barométrica, mm Hg. Pe = Presión estática promedio en la chimenea, mm H 2 O.

24  El caudal de gases en la chimenea se puede calcular multiplicando la velocidad de los gases por el área transversal del ducto, así: METODO 2: Determinación de la velocidad del gas de la chimenea y del caudal volumétrico. El caudal de gas en la chimenea en base seca corregido a condiciones de referencia es: En la cual: Qs = Caudal de gases en la chimenea a condiciones de chimenea, m 3 /h. Vs = Velocidad promedio del gas en la chimenea, m/s. As = Área transversal de la chimenea, m 2. En la cual: Qsref = Caudal de gas en la chimenea en base seca corregido a condiciones de referencia, m 3 /h. Bws = Fracción volumétrica de vapor de agua en la corriente gaseosa. Vs = Velocidad promedio del gas en la chimenea, m/s. As = Área transversal de la chimenea, m 2. Tref = Temperatura de referencia, 298 ºK. Ps = Presión absoluta en la chimenea, mm Hg. Ts = Temperatura promedio del gas en la chimenea,ºK. Pref = Presión de referencia, 760 mm Hg.

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26 METODO 3: Determinación del Peso Molecular del Gas Seco de una Chimenea. PRINCIPIO. Una muestra de gas se extrae de la chimenea. Se analiza en la muestra de gas los porcentajes de dióxido de carbono (CO2), oxígeno (O2) y monóxido de carbono (CO). Si se requiere la determinación de la masa molar seca y el aire en exceso se debe usar para el análisis un analizador Orsat o un analizador específico, (analizador Fyrite o un equipo de medición por celdas electro químicas) Aplicabilidad: Este método es aplicable para determinar las concentraciones de CO, CO2 y O2, aire en exceso y la masa molar seca de la muestra de una corriente de gas de un proceso de combustión de un combustible fósil. El método puede también aplicarse a otros procesos en los cuales se ha determinado que otros compuestos diferentes a CO2, O2, CO, y Nitrógeno (N2) no están presentes en concentraciones suficientes para afectar los resultados.

27 METODO 3: Determinación del Peso Molecular del Gas Seco de una Chimenea.  Procedimiento para el analizador FYRITE. Se introduce la solución de absorción del gas a analizar: Hidróxido de sodio o potasio para CO 2 (Sol’n de color rojo) Solución de Pirogalato para O 2 (Sol’n de color azul) Solución acida de cloruro cuproso para CO

28 METODO 3: Determinación del Peso Molecular del Gas Seco de una Chimenea.  Ajustar la escala procurando que el cero quede exactamente en el menisco de la solución.

29 METODO 3: Determinación del Peso Molecular del Gas Seco de una Chimenea.  Para capturar el gas que se someterá a prueba, colocar la sonda del analizador Fyrite dentro de la chimenea, procurando que esta este en la zona donde exista mayor flujo de gas, tomara la perilla de hule y accionar por 18 ocasiones.

30 METODO 3: Determinación del Peso Molecular del Gas Seco de una Chimenea.  Se retira la sonda de muestreo del equipo, y se mezclan la solución y el gas invirtiendo el equipo en tres ocasiones, al terminar mantener el equipo en un ángulo de inclinación de 45 grados para asegurar que la solución baje completamente

31  Finalmente se coloca el equipo en posición vertical y se toma la lectura directamente de la escala METODO 3: Determinación del Peso Molecular del Gas Seco de una Chimenea.  Este procedimiento se realiza para cada uno de los gases a analizar

32  Se determina el porcentaje de nitrógeno presente METODO 3: Determinación del Peso Molecular del Gas Seco de una Chimenea.  Se determina el peso molecular de los gases en base seca

33  Se calcula el peso molecular de los gases en base húmeda METODO 3: Determinación del Peso Molecular del Gas Seco de una Chimenea.  Se calcula la densidad normal de los gases Donde: Dn: densidad normal de los gases base húmeda a 273 ºK y 101 325 Pa. Y 22.4: volumen molar en m 3 /kg-mol

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35 METODO 4: Determinación del contenido de humedad de un ducto Principio: Una muestra de gas es extraída de la fuente a una velocidad constante, la humedad es removida de la muestra de la corriente y determinada volumétrica o gravimétricamente. Aplicabilidad: Este método es aplicable para determinar el contenido de humedad del gas de chimenea. Existen dos procedimientos: a) método de referencia; b) método aproximado. El método de referencia consiste en tomar una muestra de los gases que circulan por la chimenea, succionándolos con una bomba que los hace pasar a través de un filtro para retener las partículas y por unos burbujeadores, que se encuentran en un baño de hielo, para condensar la humedad. De acuerdo con el volumen de gases muestreado y el volumen de agua recolectada se determina el porcentaje de humedad de los gases.

36  Procedimiento 1. Colocar 100 ml de agua destilada en el impactor 1 con terminación de plato, y pesarlo anotar como peso 1. METODO 4: Determinación del contenido de humedad de un ducto

37  Procedimiento 2. Colocar 100 ml de agua destilada en el impactor 2 con terminación recta, y un tercero terminación recta vacío, pesarlos anotar como peso 1. METODO 4: Determinación del contenido de humedad de un ducto

38  Procedimiento 3. En el impactor 4 con terminación recta, colocar 200 gr de silica gel y pesarlo anotar como peso 1. METODO 4: Determinación del contenido de humedad de un ducto

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40  Armar el tren de muestreo y realizar la corrida preliminar, al termino de esta pesar nuevamente los impactores y anotar como peso 2 METODO 4: Determinación del contenido de humedad de un ducto

41  Determinar el contenido de humedad que existente en el aire que fluye por el ducto. METODO 4: Determinación del contenido de humedad de un ducto Donde: Vwref = Volumen de vapor de agua corregido a condiciones de referencia, m 3. Pf = Peso final de agua en todos los burbujeadores, g. Pi = Peso inicial de agua en todos los burbujeadores, g. R = Constante de los gases ideales, 0.06236 mm Hg m 3 /mol ºK. Tref = Temperatura de referencia, 298 ºK. Pref = Presión de referencia, 760 mm Hg. Mw = Masa molar del agua, 18.0 g/mol.

42 METODO 5: Determinación de emisiones de partículas en un ducto El material particulado es succionado isocinéticamente de la fuente y colectado sobre un filtro de fibra de vidrio que se mantiene a una temperatura de 120 ± 14 ºC. El material particulado, que incluye cualquier material que se condensa a la temperatura de filtración, es determinada gravimétricamente después de la remoción del agua no combinada. Principio

43 METODO 5: Determinación de emisiones de partículas en un ducto  Armar el tren de muestreo con la siguiente configuración: 1. Caja caliente; colocar un filtro de fibra de vidrio en el porta filtro previamente acondicionado.

44 Procedimiento para el acondicionamiento de filtro Inicio Pesar en la balanza analítica el filtro y anotar el peso como P1 Llevar el filtro al horno de secado previamente calentado a 100 ±5C, manténgalo por dos horas Transcurrido el tiempo sacar el filtro y colocarlo en el desecador por 2 HORAS Restar el P1 al P2 si la diferencia es menor o igual a 0.005 g, el peso es constante Pesar en la balanza analítica y anotar el peso como P2 La diferencia es de 0.005 g Fin No Si 1

45 METODO 5: Determinación de emisiones de partículas en un ducto  Armar el tren de muestreo con la siguiente configuración: 2. Caja fría o caja de condensación colocar A. Impactor modificado con 100 ml de agua B. Impactor recto con 100 ml de agua C. Impactor recto vacío D. Impactor recto con 125 gr de silica gel Pesar todos lo impactores al inicio y al final de la corrida Si se requiere en caso de realizar un muestreo de óxidos de azufre, los líquidos contenidos en los burbujeadores cambian CORRIDA PRELIMINAR

46 3. Realice la prueba de infiltraciones como se indica a continuación: A. Registre la lectura del gasómetro antes de iniciar. B. Cierre totalmente la válvula de succión grueso y abra la válvula de succión fino. C. Coloque un tapón en la boquilla buscando que no ingrese aire. D. Encienda la bomba de vacío y abra y cierre las válvulas respectivamente hasta obtener la presión deseada (15 in Hg) E. En este punto la aguja indicadora del gasómetro deberá mantenerse totalmente quieta durante 1 minuto por lo menos. F. En caso de que la aguja del gasómetro no se mantenga inmóvil durante un minuto, el medidor no deberá marcar mas de 0.02 ft 3 /m, o el volumen marcado por el gasómetro no deberá ser mayor del 4% del volumen total muestreado. G. Registre la lectura del gasómetro al terminar la prueba. H. Para finalizar la prueba de infiltraciones, se deberán cerrar la válvulas y apagar la bomba de succión, posteriormente retirar lentamente el tapón de la boquilla para evitar que se regrese el agua de los burbujeadores al filtro. METODO 5: Determinación de emisiones de partículas en un ducto

47 4. Haga una corrida por un tiempo no menor a 30 minutos por lo menos en un puerto de muestreo obteniendo los siguientes valores. ΔP = Presión de velocidad del gas en la chimenea, inH 2 O. Tm = Temperatura en el medidor de gas seco, ºK. Ts = Temperatura del gas en la chimenea, ºK. ΔH = Caída de presión en el medidor de orificio, inH 2 O. Pe = Presión estática en la chimenea, in H 2 O. METODO 5: Determinación de emisiones de partículas en un ducto

48 5. Toma de la muestra A. Armar el equipo de muestreo y todas sus conexiones (como se menciono anteriormente). B. Realizar la prueba de fugas. C. Conectar el sistema de calentamiento de la sonda y la caja caliente. La temperatura de la caja caliente debe permanecer en 120 ± 14 ºC. D. Nivelar la consola y colocar en cero (0) los manómetros (para muestreadores de chimenea manuales). E. Colocar la sonda en el interior de la chimenea en el primer punto de muestreo. F. Definir el tiempo de muestreo para cada punto. El tiempo total de muestreo no debe ser menor de 1 hora. G. Calcular la caída de presión en el medidor de orificio con la siguiente ecuación (para muestreadores de chimenea manuales).

49 METODO 5: Determinación de emisiones de partículas en un ducto H. Encender la bomba de succión simultáneamente con el cronómetro e inmediatamente ajustar el caudal con las válvulas de control hasta que el valor de ΔH coincida con el valor calculado. I. Mantener la temperatura del gas en el último burbujeador en 20 ºC. J. Para cada punto se lee la presión de velocidad, la temperatura del gas en la chimenea y la temperatura en el medidor de gas. Donde: ΔH = Caída de presión en el medidor de orificio, mm H 2 O. K = Factor de proporcionalidad que relaciona ΔP y ΔH para el muestreo isocinético Tm = Temperatura en el medidor de gas seco, ºK. Ts = Temperatura del gas en la chimenea, ºK. ΔP = Presión de velocidad del gas en la chimenea, mm H 2 O.

50 METODO 5: Determinación de emisiones de partículas en un ducto K. Una vez obtenida la caída de presión en el orificio, se efectúa el muestreo durante 3 a 5 minutos por punto (dependiendo del número de puntos) y se registran los siguientes datos (para muestreadores de chimenea manuales): ΔP = Presión de velocidad del gas en la chimenea, mm H 2 O. Tm = Temperatura en el medidor de gas seco, ºK. Ts = Temperatura del gas en la chimenea, ºK. ΔH = Caída de presión en el medidor de orificio, mm H 2 O. Pe = Presión estática en la chimenea, in H 2 O. Determinar constante de isocinetismo K en cada punto

51 METODO 5: Determinación de emisiones de partículas en un ducto L. Para terminar el muestreo se cierra la válvula de control grueso, se apaga la bomba de succión y así como los demás suiches. Registrar el volumen final del medidor de gas seco (para muestreadores de chimenea manuales). M. Al final del muestreo se debe realizar nuevamente la prueba de fugas, al máximo vacío utilizado durante el muestreo.

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53 GRACIAS POR SU ATENCIÓN