Brevet FR2489517A1 — publié le 19820305

L'invention est relative à un procédé, ainsi qu'un appareil, pour dénombrer des corpuscules de très petites dimensions en suspension dans l'air. Depuis peu, dans les domaines technologiques couvrant l'épuration de l'air pour la fabrication de circuits intégrés, les locaux propres ("ateliers blancs"), les techniques faisant appel à des radiations, les émissions de rejets industriels ou par des véhicules, la pollution de l'air, etc., la mesure du diamètre de corpuscules, le dénombrement, etc., de corpuscules de très petites dimensions présents dans l'air, sont apparus comme formant un thème important. Ainsi, lorsqu'il s'agit de tels sujets dans le cadre d'un contrôle ou d'une régulation, s'impose la nécessité de mesurer le diamètre de corpuscules et de dénombrer des corpuscules de trs petites dimensions, et l'on souhaite une amélioration significative de cette technique.Sur ces bases, la présente invention vise à fournir un procédé et un appareil pour dénombrer des corpuscules de très petites dimensions en utilisant un compteur de noyaux à condensation. L'invention concerne en outre un procédé et un appareil pour dénombrer des corpuscules de très petites dimensions, ou des procédés et des appareils propres à la mesure de la distribution des diamètres de corpuscules de très petites dimensions, procédés et appareils dans lesquels sont utilisés conjointement d'autres instruments qui comprennent, par exemple, des tubes à diffusion, une batterie à diffusion, un analyseur de mobilité différentiel et un analyseur électrique d'aérosol, pour effectuer les mesures des nombres de corpuscules dans des degrés différant respectivement dans leurs diamètres corpusculaires, degrés en lesquels les dimensions corpusculaires réparties largement sont divisées par niveaux. Le compteur de noyaux à condensation est conçu pour détecter le nombre de corpuscules de très petites dimensions ayant des diamètres corpusculaires inférieurs à un micron et présents dans un gaz (en particulier l'air). Etant donné que des corpuscules de diamètre inférieur à 0,1 micron sont équivalents ou plus petits que le trajet libre moyen du gaz ou les longueurs d'ondes des rayons lumineux visibles, ils ne peuvent pas être détectés optiquement à l'état en suspension dans le gaz tels qu'ils sont. Dans le compteur de noyaux à condensation, une quelconque vapeur appropriée (de la vapeur d'eau ou de la vapeur d'alcool étant employée couramment) est condensée sur les corpuscules d'aérosol en tant que "germe" ou noyaux ; les agrégats croissent et rendus suffisamment gros pour être observables optiquement, puis leur nombre est compté. Dans de nombreux types de compteurs de noyaux à condensation courants, l'air contenant des corpuscules fins est saturé de vapeur d'eau, cet air est soumis à une détente adiabatique au moyen d'un piston ou d'une soupape de régulation et dtune pompe à vide, etc., pour former une atmosphère sursaturée ; la vapeur d'eau avec laquelle l'air est sursaturé est alors condensée sur les corpuscules pour former des agrégats de plus grandes dimensions, dont le nombre est compté par un dispositif optique à lumière dispersée ou diffuse. Ces types sont opératoires seulement pour des lots ou selon un mode intermittent. L'invention fournit un compteur de noyaux à condensation qui n'a pas de telles limitations. Dans les compteurs de noyaux à condensation que l'on peut se procurer relativement depuis peu, l'aérosol satu ré due vapeur d'alcool est refroidi au moyen d'un tube de refroidissement qui fonctionne sur la base de l'effet Peltier. Par ce procédé, on ne peut pas atteindre des degrés élevés de sursaturation, et les dimensions des corpuscules sur lesquels la condensation a lieu sont limitées. Etant donné que de la vapeur ne peut pas se condenser sur des corpuscules ayant des dimensions inférieures à une valeur donnée, des corpuscules de dimensions inférieures à celle-ci ne peuvent pas être comptées. En outre, étant donné que la surface des parois du tube de refroidissement est refroidie, une thermophorèse a lieu lorsque l'aérosol passe au travers du tube, provoquant le dépôt des corpuscules de l'aérosol sur la surface des parois du tube.L'invention fournit un compteur de noyaux à condensation nouveau qui ne présente pas de tels inconvénients. Une forme de réalisation de l'invention est décrite dans ce qui suit à titre d'exemple, en liaison avec les dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un schéma-bloc d'un appareil selon l'invention propre à l'explication du procédé-de mesure - la figure 2 est un diagramme sur lequel est portée la valeur H de la concentration de vapeur en fonction de la température, pour l'explication du rapport de condensation - les figures 3 et 4 représentent un croquis et un schéma pour l'explication des rôles joués par la multiplicité d'objectifs dont est muni le microscope - la figure 5 est un graphique destiné à montrer de quelle manière le plus petit diamètre corpusculaire qui peut être compté est changé par la variation des valeurs limites de S - la figure 6 est un schéma de simulation d'une forme de réalisation de l'invention comprenant des tubes à diffusion ; - la figure 7 est un schéma montrant le mode de construction d'une forme de réalisation de l'invention qui utilise un analyseur de mobilité différentiel - la figure 8 est un schéma montrant le mode de construction d'une autre forme de réalisation de l'invention qui utilise conjointement un analyseur électrique d'aérosol ;; - les figures 9a et 9b sont des vues perspectives de batteries à diffusion devant être utilisées en association avec l'appareil selon l'invention ; et - la figure 9c est un diagramme portant des cour bes représentatives de la perméabilité théorique quand la vitesse du flux d'aérosol dans la batterie à diffusion est de 6 litres par minute. La figure 1 représente un bloc-diagramme destiné à l'explication du procédé et de l'appareil selon l'invention. L'aérosol provenant de l'entrée 10 d'aérosol est conduit à la chambre 11 de vapeur saturée en passant par un clapet 27 et un débitmètre 25. Par une autre voie, l'aérosol est conduit à'la chambre 13 de vapeur à haute température. La chambre 13 de vapeur à haute température est maintenue à une température plus élevée que celle de la chambre -11 à vapeur saturée par des moyens de chauffage 14, et les deux chambres de vapeur saturée sont complètement remplies de vapeur saturée d'un solvant 31. En tant que solvant, on peut utiliser de l'eau, de l'étha- nol, etc.Ces aérosols de vapeur étant mélangés adiabatiquement dans des chambres de mélange 15, la vapeur se condense et croît sur les corpuscules d'aérosol formant noyaux jusqu'à une dimension suffisamment importante pour provoquer la diffusion de la lumière -comme décrit dans ce qui suit. Dans ce processus, les vitesses de flux et la différence de température entre la chambre 11 de vapeur saturée et la chambre 13 de vapeur à haute température, sont des éléments essentiels qui peuvent être déterminés par les équilibres thermodynamiques et les matériaux de l'ensemble. Pour cette raison, il est nécessaire que le débit correct soit contrôlé par le débitmètre 25 et, en fonction de celui-ci, le débit doit etre commandé e::actenent au moyen du clapet 27. La figure 2 donne une représentation schématique de ces relations,à fins d'explication, superposées-sur le diagramme qui représente la concentration- de vapeur H (quantité de vapeur en kilogrammes rapportée à la quantité d'air sec en kilogrammes) en fonction de la température (diagramme psychrométrique). A H inscrit sur le graphique indique la quantité de vapeur condensable par unité de masse d'air sec. Cette quantité déter mine jusqu'à quel point les corpuscules peuvent croître. Elle peut aussi être déterminée en se référant aux équilibres thermodynamiques et aux matériaux. Etant donné que la pression d-e vapeur sur les surfaces des corpuscules augmente du fait de l'effet Kelvin, lorsque les corpuscules d'aérosol deviennent critiquement petites, comme mentionné plus haut, afin de provoquer la condensation sur les corpuscules en tant que noyaux, une pression de vapeur plus grande que la valeur de l'augmentation de la pression doit être appliquée aux corpuscules. A cet égard, S = HI S = Hsf inscrit sur la figure 2 est désigné degré de sur- saturation. Cet S doit être suffisamment grand si de petits corpuscules doivent être accrus en volume.Si cette valeur est trop grande, la condensation apparaît même en l'absence de corpuscules devant servir de noyaux, provoquant ce que l'on nomme une nucléation homogène (homogeneous nucleation). Les degrés limites de sursaturation devraient être 4,85 pour la vapeur d'eau, alors que la vapeur d'éthanol est limitée à 2,35. En conséquence, il est extrêmement souhaitable de faire fonctionner le compteur de noyaux à condensation à ces valeurs limites. Selon le procédé de l'invention, en comraandant le degré ae sursaturation, par le réglage du débit au moyen de l'actionnement de la soupape 27, tout en réglant le changement de température grâce aux moyens de chauffage 14, la condensation sur les noyaux est destinée à avoir lieu dans les conditions optimales. Ainsi, selon le procédé de l'invention, bien qu'ils soient petits, les corpuscules peuvent croître et devenir continuellement plus gros avec une grande stabilité. Les corpuscules condensés sont, après croissance, conduits à un dispositif de mesure 20 par l'action d'une pompe à vide 29. Ils passent ainsi à travers une zone d'amenée 16 puis par un clapet 37 et un débitmètre 35, et sont évacués par la pompe à vide 29. Les procédés pour compter optiquement les corpuscules grossis de cette manière, comprennent le procédé par diffusion de la lumière et le procédé utilisant un ultra-microscope, ce dernier permettant de maîtriser un domaine de concentration pouvant être soumis au comptage plus large que le premier. De ce fait, le procédé utilisant un ultra-microscope, comme représenté à la figure 1, est adopté ici.Un rayon lumineux est projeté dans la direction transversale à partir d'une source 17 de lumière à laser hélium néon sur les corpuscules ayant cru qui pénètrent dans la zone d'amenée, de telle manière que les rayons lumineux diffusés par les corpuscules sont observés sous un microscope 19 dirigé de telle façon que son axe optique est dans la même direction que celle du flux de corpuscules. Une caméra de télévision 21 est associée à ce microscope 19 pour prendre automatiquement l'image qui s'y forme, et un dispositif est en outre prévu pour que le nombre de corpuscules puisse être compté automatiquement et en continu au moyen d'un appareil 23 analyseur d'images. Ce microscope 19 est équipé d'objectifs de différentes distances focales, par exemple A, B et C, et en correspondance à celles-ci, des espaces différents de champ visuel indiqués par A', B' et C', sont formés à l'intérieur de l'espace dans la cellule d'observation 51, comme représenté sur la figure 3. La référence 53 désigne le faisceau laser. Différentes lentilles A, B et C doivent être employées selon les concentrations de corpuscules, comme représenté à la figure 4.Comme le nombre de corpuscules vus dans le champ visuel est réduit en utilisant la lentille A à pouvoir multiplicateur élevé, pour des concentrations élevées de corpuscules, le comptage par excès ou par défaut de plus de deux corpuscules en tant que corpuscule simple apparent, dû au recouvrement des rayons lumineux diffusés par eux, peut être évité. Pour des concentrations décroissantes, le champs de vision doit être étendu jusqu B' et C', avec des pouvoirs multiplicateurs réduits en conséquence. Dans un cas, les comptages de corpuscules pour les parties de champ visuel de A', B' et C' ont été faits en 1/60ème de seconde. La vitesse du flux de l'aérosol dans la cellule d'observa tion est déterminee par la profondeur focale et par le temps de comptage.Si la concentration est assez basse pour être inférieure à un corpuscule par centimètre cube, les comptes sont intégrés sur plusieurs secondes, 1' aéro- sol passant en continu au travers de la cellule. Le volume résultant du champ visuel est celui qui est représenté par C' sur la figure 4. Ainsi, selon l'invention, une mesure exacte du nombre de corpuscules peut être réalisé sur la plage extrêmement large de concentrations corpusculaires qui va de 10 corpuscule par centimètre cube jusqu'à 10 corpuscules par centimètre cube. En outre, l'invention permet de prévoir un compteur de noyaux à condensation de construction simple et facile à utiliser, qui permet d'opérer en continu, toujours pour les degrés optimaux de concentration, et qui permet de larges plages de comptage. Alors que dans la description ci-dessus, pur dénombrer les corpuscules, le degré de sursaturation est fixé aux limites, quand la valeur de S est changée en .2.... 5n' comme représenté à la figure 5, les valeurs minimales des rayons des corpuscules ayant cru sont déterminés en correspondance par rl, r2...rn. Le nombre de corpuscules ayant des dimensions plus grandes que les valeurs respectives de r peut être ainsi compté, et il est en conséquence possible de mesurer le nombre de corpuscules ayant des rayons compris entre r1 et r2 en déduisant le nombre de corpuscules ayant des rayons plus grands que r2 du nombre de corpuscules ayant des rayons plus grands que r1. De cette manière, cet appareil peut jouer le rôle d'un système de mesure de la distribution des diamètres corpusculaires.Selon l'invention, la commande de ces valeurs S limites peut être rassurée très facilement. Dans une autre application, comme représenté à la figure 6, on utilise un nombre prédéterminé de tubes à diffusion 61 ayant des longueurs de diffusion différentes pour mettre à profit le changement des vitesses de diffusion qui dépendent des diamètres corpusculaires les nombres des corpuscules d'aérosol qui sont passés dans les tubes à diffusion respectifs sont alors comptés au moyen de cet appareil ; de cette manière, cet appareil peut être utilisé en tant que système de mesure de la distribution des diamètres corpusculaires, uniquement du fait qu'il est conçu pour satisfaire cette fonction en modifiant les valeurs limites S comme décrit plus haut. La référence 62 désigne l'appareil de mesure selon l'invention. A la place des tubes à diffusion, une batterie à diffusion équipée d'une multiplicité de compartiments ayant des longueurs de diffusion différentes peut être mise en oeuvre à cette fin. La batterie à diffusion est constituée d'un certain nombre de canaux de diffusion (fentes rectangulaires allongées, groupe de tubes avec de petits trous, écrans connectés en série, etc.). En modifiant les longueurs et les nombres des canaux de diffusion et les vitesses cL'écoulement de l'aérosol dans ces canaux,les plages de diamètre corpusculaire pouvant être comptées de l'aérosol dont le dénombrement corpusculaire doit être effectué, peuvent être changées. Les corpuscules d'aérosol, lorsqu'ils circulent dans chaque canal de diffusion, diffusent vers la paroi dudit canal et sty déposent, à la vitesse calculée à partir des dimensions dudit canal et des diamètres corpusculaires et une partie seulement d'entre eux parvient alors à la sortie. Ce phénomène est mis à profit pour déterminer la distribution des diamètres corpusculaires des corpuscules d'aérosol. De telles batteries à diffusion comprennent, par exemple, le type à plaques planes parallèles représenté à la figure 9a et le type à écrans représenté à la figure 9b. Ces modes d'application permettent à cet appareil d'être utilisé non seulement pour compter le nombre de corpuscules de très petites dimensions ayant des diamètres aussi petits que 0,001 micron, mais aussi pour mesurer la distribution des diamètres corpusculaires pour une plage comprise entre 0,001 micron et 0,5 micron. La combinaison de cet appareil avec un analyseur de mobilité différentiel qui différencie des corpuscules mono-dispersés de corpuscules poly-dispersés en mettant à profit l'action mutuelle entre les particules chargées et un champ électrique, permet de progresser de la mesure du nombre de corpuscules jusqu'à son utilisation en tant qu'appareil de mesure de la distribution des diamètres corpusculaires. L'adoption de telles combinaisons, telles que représentées aux figures 7 et 8, permet ainsi à cet appareil d'aller plus loin que la mesure du nombre de corpuscules, et d'être utilisé en tant qu'appareil pour la mesure de la distribution des diamètres corpusculaires. La figure 7 représente une réalisation comprenant un analyseur de mobilité différentiel combiné à l'appareil de mesure selon l'invention. Se référant à cette figure, l'aérosol, ayant été chargé à la source de radiation 71, est conduit dans l'analyseur 72. L'analyseur 72 a une forme cylindrique et présente en son centre, une tige centrale 73 à laquelle est appliquée une haute tension continue, l'analyseur présentant, au sommet du cylindre, des entrées 75 et 76 formées par une cloison 74. Par 11 entrée 75 est introduit de l'aérosol et par l'entrée 76 de l'air propre. En fonction de l'intensité du champ électrique produit par la tige centrale 73 et de la vitesse de flux d'air axial, les corpuscules de dimensions inférieures à la dimension spécifiée se déposent sur la tige centrale 73, et des corpuscules plus gros que cette dimension sont évacués par le fond de l'analyseur 79, alors que les corpuscules de dimensions spécifiée sont évacués par un petit trou 77 ménagé dans le fond du cylindre ; ces corpuscules sont alors amenés à l'appareil de mesure 78 selon l'invention. La figure 8 représente un mode de réalisation combinant un analyseur électrique d'aérosol avec l'appareil selon l'invention. En se référant à cette figure, l'aérosol et de l'air de protection (gaine d'air) sont introduits dans l'analyseur. L'analyseur 81, de forme cylindrique, présente, au sommet du cylindre, une admission 82 pour l'introduction de l'aérosol et une autre admission 83 pour l'admission de l'air de protection et il présente, au centre et en-dessous de celui-ci, des zones de chargement 84 auxquelles est appliquée une haute tension. A la zone de charge 84, est assurée une décharge corona par un noyau 85 afin que les corpuscules d'aérosol en circulation soient chargés à travers l'air de protection.Les corpuscules chargés sont alors conduits dans le côté extérieur de cylindre de l'espace annulaire, qui est soumis à un champ électrique, entre le cylindre intérieur 86 et le cylindre extérieur 87, alors que de l'air propre de protection (gaîne d'air) est introduit autour de la tige centrale 86 à partir de l'intérieur du cylindre interne 87. Ensuite, en fonction de la vitesse d'écoulement gavial de l'aérosol et de i'intensité du champ électrique, les corpuscules plus petits que la dimension prédéterminée se déposent sur la surface extérieure 86 du cylindre interne, mais ceux qui sont plus grands que cette dimension sont évacués par le petit trou 88 ménagé au fond du cylindre. Ces corpuscules sont alors amenés à l'appareil 89 selon l'invention. Comme décrit ci-dessus, en utilisant des ensembles selon les figures 7 et 8, l'appareil de mesure selon l'invention a des effets encore plus remarquables. REVENDICATIONS 1. - Procédé pour mesurer le nombre de corpuscules de très petites dimensions, caractérisé en ce qu'il comprend les mesures consistant à introduire un aérosol d'air contenant les petits corpuscules, d'une part, dans une chambre à vapeur saturée et, d'autre part, dans une chambre à vapeur saturée à haute température, respectivement pour produire des aérosols de vapeur saturée, à introduire les deux aérosols de vapeur saturée à différentes températures, produits comme mentionné ci-dessus, dans une chambre de mélange, de sorte que la vapeur mentionnée plus haut se condense sur les corpuscules d'aérosol en tant que germes ou noyaux, assurant ainsi la croissance desdits petits corpuscules, et à mesurer le nombre de ces corpuscules à volume accru par condensation. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure prévue pour dénombrer les petits corpuscules à volume accru consiste à mesurer l'intensité de la lumière diffusée, selon le procédé par diffusion de la lumière. 3. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dénombrement des petits corpuscules à volume accru est assuré par une mesure dans laquelle la lumière diffusée provenant des corpuscules à volume accru, lorsqu'un faisceau lumineux est projeté sur lesdits corpuscules à volume accru, est observée pour compter leur nombre sous un microscope associé à une caméra de télévision. 4. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la mesure destinée à produire lesdits aérosols de vapeur saturée, au moins l'une des chambres de vapeur saturée ou la chambre de vapeur saturée à haute température, est munie de moyens pour ajuster la vitesse de flux, et ladite chambre de vapeur saturée à haute température est équipée de moyens de chauffage. 5. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la mesure pour produire lesdits aérosols de vapeur saturée, le degré de sursaturation est modifié de sorte que dans la mesure pour dénombrer les corpuscules à volume accru, la distribution des diamètres corpusculaires peut être mesurée en dénombrant les corpuscules pour les degrés respectifs de sursaturation. 6. - Appareil pour dénombrer des corpuscules de très petites dimensions, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de vapeur saturée et une chambre de vapeur saturée à haute température dans lesquelles est introduit un aérosol d'air contenant les petits corpuscules, une chambre de mélange pour mélanger les deux aérosols de vapeur saturée produits comme décrit ci-dessus, qui est respectivement en communication avec lesdites chambres de vapeur saturée, et un dispositif de mesure-pour dénombrer les corpuscules d'aérosol à volume accru par ladite vapeur qui sty condense dans la chambre de mélange. 7. - Appareil de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que, afin de permettre l'ajustement du débit et de la différence de température des aérosols dans les deux chambres de vapeur saturée, pour effectuer la régulation du degré de sursaturation dans ladite chambre de mélange, au moins l'un des conduits pour les aérosols menant aux deux chambres de vapeur saturée est équipé d'un dispositif propre à ajuster le débit, et en ce que des moyens de chauffage sont prévus dans la chambre de vapeur saturée à haute température. 8. - Appareil de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit dispositif de mesure comprend une zone de fourniture située dans une partie de ladite chambre de mélange, un microscope pour observer les corpuscules d'aérosol dans ladite zone de fourniture, et une source de lumière pour illuminer ladite zone de fourniture dans la direction transversale. 9. - Appareil de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit microscope est équipé d'une multiplicité d'objectifs ayant différentes distances focales. 10. - Procédé pour dénombrer des corpuscules selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il permet, en mettant conjointement en oeuvre différents types de tubes à diffusion présentant différentes longueurs, ou une batterie à diffusion, l'exécu- tion simultanée de mesures de diamètres corpusculaires et la détermination de leur distribution. 11. - Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il lui est adjoint différents types de tubes à diffusion ayant différentes longueurs, ou une batterie à diffusion, pour l'exécution simultanée de mesures de diamètres corpusculaires et la détermination de leur distribution. 12. - Procédé de dénombrement de corpuscules selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre conjointement un analyseur de mobilité différentiel ou un analyseur électrique d'aérosol, pour permettre d'exécution simultanée de mesures de dénombrement de corpuscules et de diamètres corpusculaires ou de distribution de diamètres corpusculaires. 13. - Appareil selon l'une quelconque des revendications 6 à 9 pour le dénombrement de corpuscules, caractérisé en ce qu'il lui est adjoint un analyseur de mobilité différentiel ou un analyseur électrique d'aérosol, pour l'exécution simultanée de dénombrement de corpuscules et de détermination de diamètres corpusculaires ou de distribution de diamètres corpusculaires.