Brevet FR2535050A1 — publié le 19840427

La présente invention concerne des perfectionnements à la détection des poussières et, plus particulièrement, elle concerne un spectromètre d'analyse des poussières inhalables en suspension dans l'air ou dans un aérosol. L'échantillonnage des poussières de l'air constitue une aide importante à l'amélioration de l'environnement et du cadre de travail et de vie Il a été développé au cours des années un certain nombre de dispositifs qui échantillon- nent et collectent'la poussière de l'air Un exemple antérieur couronné de succès est le "MRE Gravimetric Dust Sampler" (échantilloneur gravimétrique MRE de poussières), conçu par the National Coal Bord et vendu par Casella, qui choisit la poussière de façon aérodynamique par élutriation, de manière à pouvoir collecter sur un filtre et peser de fines particules supposées être raisonnablement représentatives de celles déposées dans la région des alvéoles du poumon Ce dispositif a largement servi dans l'industrie britannique d'extraction du charbon et il a permis d'établir la relation entre la con- centration de masse cumulative de poussières respirables dans l'air d'une mine et les risques de développement d'une pneumo- coniose parmi le personnel D'autres dispositifs destinés à choisir des particules ont été conçus et utilisés à des fins-essentiellement semblables dans les industries minières et autres et ont obtenu des résultats semblables, de sorte que l'on peut en conclure quel dans de nombreuses maladies du poumon liées à des poussières, c'est l'élément respirable ou inhalable qui est le premier responsable Cependant, il existe des particules de poussière en suspension dans l'air qui, après inhalation, n'atteignent pas nécessairement les régions des alvéoles du poumon mais se déposent quelque part ailleurs dans l'appareil respiratoire, par exemple dans les régions du nasopharynx (la tête jusques et y compris le larynx) ou les régions trachéobronchiques (la trachée et l'arbre bronchique jusqu'aux bronchioles terminales), et qui sont suffisamment toxiques ou irritantes pour provoquer une maladie. Un but de la présente invention consiste donc à proposer un instrument portatif qui échantillonne tout d'abord l'air de façon analogue à celle du corps humain pendant l'inhalation et qui permette ensuite le fractionnement de la poussière ainsi échantillonnée pour donner des fractions déposées voulues pour une étude ultérieure ou plus poussée, l'instrument four- nissant des fractions de poussières ayant une signification biologique. La présente invention propose un spectromètre porta- tif pour analyse de la poussière en suspension dans l'air ou dans un aérosol, cet appareil comportant un tronçon d'entrée comprenant une entrée d'échantillonneur de poussièresinhalables ayant une efficacité d'admission de la poussière en suspension dans l'air se rapprochant de l'efficacité ou du rendement de la tête humaine pendant l'inhalation, un étage de triage pour mise en ordre et collecte qui peut efficacement enlever la quasi-totalité des particules ayant plus de 15,nm (qui sont incapables de pénétrer au-delà du larynx) et un tronçon de collecte principale comprenant un dispositif d'impacts en cascade capable de classer de façon aérodynamique des par- ticules ayant moins de 15 jum et d'en collecter des fractions sur plusieurs surfaces de collecte sans pertes importantes de particules dûes à la gravité ou à l'impact avec des sur- faces de ce dispositif qui ne sont pas destinées à constituer des surfaces de collecte, et un dispositif de pompage destiné à aspirer de l'air ou un autre gaz à travers cette entrée et ces tronçons de collecte. Une caractéristique essentielle de la présente invention est l'entrée de l'échantillonneur des poussières inhalables On ne se rend généralement pas compte du fait que, lors de la respiration, le corps humain effectue un choix aérodynamique préliminaire des particules de poussières en suspension dans l'air, et que ce choix dépend dans une large mesure de la dimension aérodynamique des particules Par exemple, on effectue couramment, actuellement, de l'échantil- lonnage de poussièressur une base ne comportant aucune ten- tative visant à différencier des particules de poussières qui ne seraient pas inhalées et celles qui le sont L'impor- tance de cette considération peut être illustrée par le fait 253 050 qu'en considérant des particules de 30 pm de diamètre, seules environ 40 à 60 % de celles décelées sur une base de "pous- sières totales" sont inhalées par le nez et la bouche Même pour de très petits diamètres aérodynamiques comme 5 um, l'inhalation s'effectue avec une efficacité ou un rendement de l'ordre d'environ 85 à 97 % Pour parvenir à un bon fonctionnement de l'échantillonneur des poussières inhalables, il semble nécessaire que le débit volumétrique soit raison- nablement élevé, de préférence au moins égal à 2 litres par o 10 minute et, donc, le dispositif de pompage doit être réglé de manière à correspondre à la courbe d'efficacité voulue de l'échantillonnage dans l'intervalle des dimensions parti- culaires allant de O à 15 pm lorsqu'on utilise l'échantil- lonneur des poussières inhalables Un échantillonneur préféré des poussières inhalables est un développement de l'entrée ORB décrite par Ogden et Birkett dans "Annals of Occupational Hygiène" (Annales d'hygiène du travail), volume 21, 1978, pages 41 à 50 Ce dispositif a une forme essentiellement sphérique et comporte plusieurs trous d'entrée à la même latitude, de préférence à une latitude d'environ 20 De préférence,,la sphère comporte une bande annulaire plate ou "auréole", montée à une latitude supérieure à celle des trous d'entrée, de façon appropriée à une latitude d'environ 330 La configuration de l'échantillonneur préféré des pous- sières inhalables peut se comprendre et s'apprécier plus facilement par référence aux figures d'accompagnement et à la description qui leur est associée ci-après. Le dispositif d'impacts en cascade est de préférence un développement d'un instrument décrit par Lundgren dans "Journal of Air Polution Control Association", volume 17, no 4, avril 1967, page 225 Le dispositif d'impacts de Lundgren utilise des surfaces collectrices circulaires, du type tambour, revêtues, avec la caractéristique particulière- ment utile que la rotation du tambour à vitesse constante peut donner un enregistrement chronologique de la poussière collectée à sa surface Le dispositif d'impacts de Lundgren utilise quatre étages d'impacts en cascade, chacun consistant 25350 S en un ajutage présentant une fente allongée avec un tambour de collecte monté près de la fente de sorte que l'air sortant de la fente heurte le tambour de collecte Des particules grossières en suspension dans l'air tendent à se déposer sur le tambour alors que des particules fines tendent à le con- tourner par l'extérieur Lorsque l'on diminue la largeur de la fente et qu'on rapproche le tambour, on provoque l'impact de plus petites particules sur là surface de collecte La Demanderesse a cependant trouvé qu'en dépit de ses avantages, le dispositif d'impacts de Lundgren, tel qu'il est décrit sur le papier, présente de graves pertes qui déforment la valeur du renseignement que ce dispositif peut donner La Demanderesse pense que la formation de tourbillons, d'un dépôt de sédimentation dû à la gravité et d'un impact par inertie des particules sur les surfaces internes qui ne sont pas des surfaces de collecte (perte sur les parois) provoquent des pertes qui sont importantes, par exemple de l'ordre de 30 % pour des particules ayant un diamètre d'environ 8 pum On peut diminuer de façon significative les pertes sur les parois par une conformation interne soignée et, par exemple, dans la présente invention, le procédé préféré consiste à utiliser des surfaces de collecte réalisées sur un tambour rotatif et placées au sein d'un bloc configuré de manière à assurer un espace annulaire autour de chaque tambour, et le débit d'admission et les dimensions de l'espace annulaire sont choisis de manière à réaliser dans cet espace annulaire une vitesse de déplacement de l'air suffisamment élevée pour empêcher un dépôt par gravité des particules mais qui n'est pas élevé au point de provoquer d'autres heurts importants et des pertes sur les parois. De préférence, la surface de collecte de chaque tambour de collecte, y compris celle de l'étage de triage pour mise en ordre et collecte, est revêtue d'une substance collante destinée à retenir les particules de poussières. Il existe de nombreux revêtements visqueux convenables, mais l'on préfère une graisse comme une graisse à vide Pour faciliter la manutention des échantillonneurs de poussières 2535050 collectées, on préfère que chaque tambour de collecte porte une membrane de matière plastique amovible qui est graissée de façon convenable; la membrane peut ensuite être démontée pour étude Comme cela a été suggéré, les tambours sont de préférence entraînés de manière continue et synchrone, et l'on peut y parvenir à l'aide de mécanismes d'horlogerie entraînés par des ressorts de haute qualité et comportant des engrenages ou organes d'entraînement appropriés, ou à l'aide de moteurs électriques On peut apporter des variations aux mécanismes d'entraînement pour permettre différents temps d'échantillonnage. Le dispositif de pompage est choisi de façon appro- priée pour le débit nécessaire, comme cela est classique, mais si l'instrument est destiné à des environnements dange- reux, il sera nécessaire de prendre en compte des exigences de blindage de la source d'énergie pour être à l'abri des effets d'une flamme ou déflagration et/ou tenir compte d'autres mesures de sécurité Comme indiqué, un débit volumé- trique relativement élevé est souhaitable pour garantir un fonctionnement efficace de l'échantillonneur de poussières inhalables et pour assurer des vitesses de gaz suffisamment élevées pour le bon fonctionnement du dispositif à impacts,9 et pour garantir l'existence de dépôts de poussières suffi- sants pour permettre leur étude gravimétrique Le débit dépen- dra dans chaque cas des dimensions choisies pour l'instrument dans son ensemble. Il a été trouvé que le dispositif d'impacts en cas- cade décrit n'est pas capable de collecter des particules ayant moins d'environ 1 "m etjsi celles-ci forment une partie importante de la distribution des dimensions de particules de la poussière, d'un point de vue de masse ou de toxicité, on préfère incorporer un étage de collecte finale comme un filtre fin capable de collecter des particules ayant moins d'1 um On doit se souvenir du fait que la traversée d'un tel filtre provoque une forte chute de pression et qu'il faut donc utiliser un dispositif de pompage plus puissant pour maintenir le débit voulu. L'invention sera maintenant décrite plus en détail, à titre d'exemple illustratif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue latérale d'une entrée d'échantillonneur de poussières inhalables, la figure 2 est une vue en perspective éclatée d'un dispositif d'impacts en cascade comportant un étage de triage pour mise en ordre et collecte et quatre étages principaux de collecte, et la figure 3 est un schéma d'un spectromètre selon l'invention, assemblé. En se référant à la figure 1, on voit une entrée 1 pour échantillonneur de poussières inhalables, destinée à être incorporée dans un-spectromètre portatif d'analyse de poussières en suspension dans l'air ou en aérosol selon l'invention L'entrée de l'échantillonneur comporte une première partie hémisphérique creuse 2 et une seconde partie hémisphérique creuse 3, présentant un tube 4 de raccord de sortie Les parties hémisphériques sont des pièces métalliques obtenues par emboutissage ou pressage La première partie porte trente deux trous d'entrée 5, espacés les uns des autres, centrés sur une latitude de 200, et un rebord ou lèvre annu- laire, ou "auréole", 6, est monté à une latitude de 330 On a trouvé que l'auréole améliore les caractéristiques d'échan- tillonnage de l'entrée dans le cas des poussières inhalables. Le tube de raccord est introduit dans un raccord 7 d'entrée de l'ensemble combiné d'un étage de triage pour mise en ordre et collecte et d'un dispositif d'impacts en cascade, repré- senté sur la figure 2. En se référant maintenant à la figure 2, on voit qu'un étage de triage pour mise en ordre et collecte, désigné dans son ensemble par l'indice 8, est fixé à un dispositif d'impacts en cascade désigné dans son ensemble par l'indice 9 L'étage de collecte consiste en un bloc de métal, 10, usiné pour y former une cavité circulaire, 11, et présentant une fente, 12, reliée à l'admission 7 Le bloc 10 est fermé à une extrémité par une plaque métallique de base 13, commune à l'étage de collecte et au dispositif d'impacts, et ce bloc comporte une plaque supérieure 14 sur laquelle est montée une tige 15, qui traverse la plaque 14 et porte un cylindre 16 de collecte et une roue dentée 17 d'entraînement La cavité présente une fente de sortie 18 reliée à une fente d'entrée 18 ' dans le premier étage du dispositif d'impacts en cascade. Ce dispositif d'impacts en cascade a une structure analogue et comporte quatre étages Chaque étage présente un bloc séparé 10 a, 10 b, etc, boulonnés ensemble avec le bloc 10 de l'étage de triage pour mise en ordre et collecte Ce mode de construction a été utilisé pour faciliter la fabrication du prototype et, bien qu'il soit possible de concevoir un seul bloc pour l'étage de triage et de mise en ordre et pour le dispositif-d'impactson n'a pas décelé de fuites lorsque l'on a boulonné les blocs ensemble, sans que cela nécessite de garniture d'étanchéité On observera que les cavités des étages du dispositif d'impacts ont une forme différente du fait que ces cavités présentent un bord aplati qui comporte la fente d'entrée dans chaque étage Les fentes sont progres- sivement plus étroites, et les cylindres de collecte sont placés progressivement plus près des fentes, afin de collecter des particules progressivement plus petites, On choisit la dimension des fentes, la position relative du cylindre et la vitesse de l'air de manière à obtenir des dimensions nomi- d nales de fractionnement ( 50 ae) de 12 >m 11 er étage), 6 Um ( 2 e étage), 3 um ( 3 e étage) et 1 pm ( 4 e étage) Il serait en principesouhaitable que le dispositif d'impacts comporte un plus grand nombre d'étages mais, au moins dans l'instrument prototype, des facteurs comme la dimension et le poids de l'ensemble de l'instrument pour garantir la possibilité d'un trans- port facile dans les mines souterraines de charbon ont en fait limité le nombre des étages à quatre Chaque cylindre est entraîné de façon synchrone, par l'intermédiaire d'un dispositif de transmission mécaniques à l'aide d'un moteur d'horlogerie 28. Une sortie 19 du dispositif d'impacts est reliée par un tube 20 de matière plastique, à large lumière, de façon 2532 È 5 O appropriée par l'intermédiaire d'un dispositif de mesure de débit tel qu'un "Rotamètre", 21, à une pompe 22 Un débit de litres par minute, convenant pour l'instrument prototype, a été obtenu à l'aide du bloc d'alimentation par piles ou batterie et ventilateur centrifuge, à sécurité intrinsèque, provenant de l'échantillonneur de poussières "TB 50 " vendu par Mollider et Muller, Cologne (République Fédérale d'Allemagne). Pour fonctionner, chaque cylindre, y compris celui de l'étage de triage pour mise en ordre, comporte une mince pellicule de polycarbonate portant un revêtement uniforme d'une graisse de silicone qui lui est appliqué, la graisse servant également d'adhésif pour fixer de manière amovible la pelli- cule sur le cylindre Après une période d'échantillonnage, par exemple une période de relève de 8 heures, l'instrument ayant été monté en une position convenable, de préférence au -voisinage de la hauteur moyenne de la tête des personnes, on retire les pellicules pour examen. On peut utiliser un certain nombre de méthodes différentes pour analyser les résultats obtenus sous forme de dépôts de poussières sur la pellicule Parmi ces méthodes, il y a la microscopie optique (on peut facilement voir des bandes de différents dépôts colorés de poussières, correspon- dant à des périodes de taillage de roche, ce qui contraste avec le taillage ou havage de charbon dans les mines souter- raines), une pesée directe pour obtenir les masses collectées (bien que cela ne donne pas facilement des renseignements con- cernant les masses collectées pendant de plus courtes périodes de temps dans le cadre de la longue période globale d'échan- tillonnage) et, de préférence, on peut utiliser des systèmes fondés sur le pouvoir de réflexion des rayonnements ou leur atténuation Encore mieux, on analyse par atténuation de parti- cules à faible énergie les pellicules portant des dépôts de poussière. La technique est connue et elle utilise de façon appropriée une source de rayonnement comme le carbone 14 ( C) et un détecteur de particules, par exemple un détecteur vendu par Nuclear Enterprises Limited et qui utilise un scintillateur à cristal d'anthracène On peut explorer les pellicules à l'aide d'un 253510 O agencement mécanique convenable, et l'on obtient ainsi des renseignements intéressants sur les dépôts de poussières obtenus au cours de la période d'échantillonnage Un avantage important d'un tel système est la possibilité de conserver facilement l'enregistrement de l'atténuation des particules F 1 ce qui permet une analyse subséquente à une date plus éloignée, et l'on pense qu'en même temps la classification des poussières sur les diverses pellicules d'échantillonnage, à l'aide de leur diamètre aérodynamique moyen ( 50 dae) donne tous les renseignements nécessaires pour une recherche épidémiologique. Une version prototype de l'instrument selon la présente invention a subi avec succès des essais de labora- toire, et, plus tard, dans deux mines souterraines de charbon présentant des environnements assez différents. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'inven- *tion, de nombreuses modifications peuvent être apportées au spectromètre portatif, décrit et -représenté, pour la collecte et l'analyse des poussières en suspension dans l'air. REVENDICATIONS 1 Spectromètre pour analyse des poussières en sus- pension dans l'air ou dans un aérosol, cet appareil comprenant un dispositif d'impacts en cascade capable de classer par voie aérodynamique les particules de poussières en suspension dans l'air et d'en collecter des fractions sur plusieurs tambours rotatifs formant des surfaces de collecte, et une pompe pour aspirer dans le spectromètre l'air ou un autre gaz dans lequel la poussière est en suspension, appareil caractérisé en ce qu'il comporte une entrée ( 1) d'échantil- lonneur permettant d'échantillonner l'air-ou le gaz et ayant approximativement la même efficacité d'entrée que la tête humaine, un étage ( 8) de triage pour mise en ordre en vue de la collecte, destiné à enlever les particules de poussières ayant plus de 15 um, et un dispositif d'impacts en cascade comportant une série de cavités ( 11) sensiblement cylindriques présentant une fente d'entrée ( 12) et dans chacune desquelles est monté un tambour rotatif collecteur ( 16), le débit d'air nominal et le conduit de passage de l'air ou du gaz dans l'étage d'impacts étant tels que la perte de particules de poussières, par gravité ou impacts avec des surfaces qui ne sont pas des surfaces de collecte, est réduite à son minimum. 2 Spectromètre pour étude de poussières selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cavités du dispo- sitif d'impacts ont un côté aplati dans lequel la fente d'entrée est placée. 3 Spectromètre pour étude de poussières selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'entrée ( 1) de l'échantillonneur est constitué d'un corps creux ( 2,3) sensi- blement sphérique présentant au moins un trou ( 5) d'entrée. 4 Spectromètre pour étude de poussières selon la revendication 3, caractérisé en ce que le corps creux présente plusieurs trous d'entrée à la même latitude et comporte une lèvre annulaire externe ( 6) placée à une plus grande latitude que les trous d'entrée. Spectromètre pour l'étude des poussières selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les surfaces de collecte des tambours rotatifs sont des pellicules de matière plastique amovibles revêtues d'une matière collante destinée à retenir les particules de pous- sières. 6 Spectromètre pour étude de poussières selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en-ce qu'il comporteen aval du dispositif d'impacts en cascade, un étage de filtration capable d'enlever les particules de poussières dont la dimension est inférieure à 1 lm.