Brevet FR2557295A1 — publié le 19850628

Echantillonneur d'aérosols à impaction en cascade et à dépôt uniforme. L'invention concerne un dispositif d'analy- se granulométrique d'aérosols par impaction en cascade à dépôt uniforme comportant une entrée d'air conique fixée sur une chambre cylindrique de révolution creuse et étanche constituée par la superposition de plu- sieurs étages en forme de cylindres creux parcourus par le courant d'air issu de l'entrée conique et com- portant chacun une plaque circulaire percée de trous situés sur des cercles concentriques coaxiaux à ladite plaque et de diamètre identique diminuant progressive- ment à chaque étage, et un disque de collection situé en aval de la plaque percée de diamètre inférieur au diamètre interne de l'étage, comprenant des moyens pour assurer la circulation verticale descendante de l'air et des moyens pour mettre en rotation relative chaque plaque percée par rapport au disque de collec- tion correspondant. Le mode de fonctionnement de ce dispositif connu est basé sur la séparation granulométrique des aérosols en fonction de leur énergie cinétique, donc de leur inertie. Selon l'art antérieur, un tel dispositif a pour objet la récupération d'une quantité d'aérosols suffisante pour avoir la sensibilité nécessaire à l'exploitation des résultats de pesée, d'analyse chi- mique, de comptage de la radioactivité ou encore de fluorescence X... Parmi les dispositifs d'analyse gra- nulométrique du type ci-dessus défini, on connait l'échantillonneur Andersen constitué d'un empilement d'étages cylindriques creux dans lesquels circule l'aérosol, comportant chacun une plaque percée de trous calibrés fixe et un disque de collection situé en aval de la plaque percée sur lequel se déposent les particules par inertie. Dans un premier temps on a d'abord utilisé un dispositif du type précédent dont le disaue de col- lection était fixe: le dépôt recueilli alors sur le disque de collection était localisé à une surface très limitée correspondant sensiblement à la surface proje- tée des trous situés sur la plaque percée. Sur ce mo- dèle sont apparus trois inconvénients principaux limi- tant la quantité d'aérosols à collecter: la modifica- tion des caractéristiques d'impaction d'un étage donné quand l'épaisseur du dépôt augmente, le réentrainement des aérosols d'un étage vers les étages inférieurs dans le cas d'une augmentation trop importante de l'épaisseur du dépôt, l'auto-absorption occasionnée par la superposition des particules dans le cas de comptage de la radioactivité a ou la détérioration du spectre d'émission des rayonnements. Pour remédier aux principaux inconvénients ci-dessus cités un mode de collection consistant à dé- placer les plaques de collection a déjà été envisagé: le disque de collection tourne autour de son axe, lui- même confondu avec l'axe de symétrie de révolution de l'impacteur cylindrique. Dans ce cas, on observe sur les disques de collection des dépôts circulaires de particules de largeur sensiblement égale à la surface projetée des trous situés sur la plaque percée. Un tel dépôt réduit les inconvénients cités précédemment, sans toutefois les supprimer. La présente invention a précisément pour ob- jet un échantillonneur d'aérosols à impaction en cas- cade et à dépôt uniforme qui permet, par des moyens de mise en oeuvre simples, de s'affranchir des inconvé- nients de l'art antérieur que l'on vient de rappeler. Ce dispositif du type de ceux qui comportent de façon connue une entrée d'air conique fixée sur une chambre cylindrique de révolution creuse et étanche constituée par la superposition de plusieurs étages en forme de cylindres de révolution creux parcourus par un courant d'air issu de l'entrée conique et compor- tant chacun une plaque circulaire percée de trous, situés sur plusieurs cercles concentriques coaxiaux à ladite plaque et de diamètre identique diminuant pro- gressivement à chaque étage. Un disque de collection est situé en aval de la plaque percée de diamètre in- férieur au diamètre interne de la chambre de l'impac- teur. Ce dispositif comportant des moyens pour assurer la circulation verticale descendante de l'air, et des moyens pour réaliser la mise en rotation relative, identique à chaque étage, de chaque plaque percée par rapport au disque de collection correspondant, se ca- ractérise en ce que l'axe du disque présente un excen- trage par rapport à l'axe de la plaque circulaire per- cée. Différents modes de mise en oeuvre sont en- visagés pour réaliser ledit excentrage. Cet excentrage est tel que les dépôts de particules recueillies sur les disques de collection recouvrent de larges surfaces annulaires qui se juxta- posent deux à deux réalisant ainsi l'homogénéisation du dépôt sur pratiquement toute la surface du disque. Les avantages de l'invention ci-dessus ca- ractérisée consistent essentiellement en ce que le dépôt recueilli sur les disques de collection et issu de l'ensemble des trous situés sur une même circonfé- rence coaxiale à l'axe de la plaque percée recouvre uniformément une surface annulaire plus importante que les surfaces de dépôt figurant dans l'art antérieur. Sous réserve que deux cercles consécutifs constitués de trous identiquement calibrés soient suf- fisamment proches l'un de l'autre, les surfaces de dé- pot annulaires relatives à chacun d'eux se juxtapo- sent; on réalise ainsi un dépôt uniforme de particu- les sur la totalité du disque de collection. Les caractéristiques d'impaction d'un étage donné ne sont plus modifiées: en effet, du fait d'une épaisseur du dépôt sensiblement constante, la distance entre l'orifice et le point de collection ne varie pas; le réentrainement de l'aérosol d'un étage vers les étages inférieurs est de ce fait réduit; de même, le phénomène d'auto-absorption de particules (notam- ment de particules t dans le cas de comptage de la radioactivité a) est entravé par le fait que peu de particules se superposent. Selon un premier mode de mise en oeuvre de la présente invention le disque de collection excentré est fixé sur une plaque circulaire dentée de diamètre supérieur au diamètre du disque de collection compor- tant une évacuation de l'aérosol par des trous percés dans la partie de la plaque non recouverte par le dis- que de collection. Cette plaque, montée dans une gorge circulaire pratiquée à l'intérieur du corps cylindri- que de chaque étage engrène sur deux pignons dont le premier, solidaire de l'extrémité inférieure d'une ti- ge entraînée en rotation par un moteur, transmet le mouvement de rotation au second au moyen de deux er- gots montés sur sa face externe qui viennent s'emboi- ter dans les deux orifices usinés sur la face externe du second pignon lui-même solidaire de l'extrémité su- périeure d'une tige coaxiale et identique à la tige de l'étage précédent. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de la présente invention, chaque disque de collection correspondant aàun étage donné, pivote autour de son axe sur une butée à billes mobile à l'intérieur d'une cou- pelle concentrique à la chambre cylindrique de l'im- pacteur et à la plaque percée, ladite coupelle étant supportée par un croisillon à plusieurs branches dont les extrémités sont emboîtées dans le corps cylindri- que de l'impacteur. Dans ce mode de mise en oeuvre, chaque dis- que de collection, lesté avec une masselotte fixée à la périphérie de sa face inférieure est excentré par inclinaison de l'impacteur de sorte que le disque pré- sente toujours sa masselotte au point le plus bas. La mise en rotation du corps de l'impacteur à l'aide d'un moteur provoque à chaque étage la mise en rotation de la plaque percée, par rapport au disque de collection excentré et immobile. Selon un troisième mode de mise en oeuvre chaque disque de collection est monté sur une butée à billes,excentrée par rapport au corps de l'impacteur, qui pivote sur un support plan maintenu par un croi- sillon à plusieurs branches dont les extrémités sont emboîtées dans le corps cylindrique de l'impacteur. Dans ce modedemise en oeuvre, chaque disque de collection est muni de masselottes magnétiques fixées à deux extrémités ou à proximité de deux extré- mités diamétralement opposées du disque qui est en- trainé en rotation sous l'action d'un champ magnétique extérieur tournant créé par exemple par une bobine ma- gnétique située à l'extérieur de la chambre cylindri- que de l'impacteur. L'invention est exposée ci-après plus en dé- tail à l'aide de dessins représentant l'excentrage ainsi que les trois modes d'exécution. La figure 1 représente en vue de dessus et en coupe l'excentrage du disque de collection par rap- port à la plaque percée (figure la-b) ainsi que la répartition du dépôt sur le disque de collection (fi- gure la). La figure 2 représente en coupe et en pers- pective le premier mode d'exécution comportant un sys- tème d'engrenages entraînant les disques de collection en rotation. La figure 3 représente en coupe et en pers- pective le deuxième mode d'exécution comportant une butée à billes sur laquelle est monté le disque de collection lesté par une masselotte fixée à la péri- phérie de sa face aval. La figure 4 représente en coupe le troisième mode d'exécution caractérisé par le montage de masse- lottes magnétiques à proximité de deux extrémités dia- métralement opposées du disque de collection, et d'une bobine magnétique à l'extérieur de l'impacteur. Comme indiqué plus haut, la présente inven- tion exploite la mise en rotation du disque de collec- tion 1 excentrée par rapport à la plaque circulaire percée 2 illustrée dans les cas de figures la et lb. La zone hachurée 3 représente le dépôt de particules impactées sur le disque de collection 1, tournant se- lon la figure lb sur sofi axe 33, après leur passage au travers des orifices identiquement calibrés 4 situés sur l'une des circonférences 5 coaxiales à l'axe 30 de la plaque percée 2. Cette zone 3 recouvre une surface annulaire de largeur sensiblement égale à deux fois l'excentricité e plus le diamètre de l'orifice 4. La juxtaposition de chaque surface annulaire 3 issue de chacun des trous 4 d'une même circonférence du type 5 conduit, en fixant correctement la distance entre deux circonférences du type 5, à l'homogénéisation du dépôt sur toute la surface du disque 1. La figure 2 représente un impacteur à casca- de comportant un cône d'admission de l'aérosol à emba- se cylindrique 6 venant se caler sur un embrèvement circulaire 7 situé sur la partie supérieure d'une chambre cylindrique de révolution creuse et étanche constituée par la superposition de plusieurs étages en forme de cylindres creux 8 de révolution parcourus par le courant d'aérosols issu du cône d'admission 6 et comportant chacun une plaque circulaire 2 percée de trous 4, situés sur des cercles 5 concentriques co- axiaux à ladite plaque et de diamètre identique dimi- nuant progressivement à chaque étage, emboîtée de façon étanche par un joint torique 9 dans le corps cylindrique de l'étage 8 et un disque de collection 1 situé en aval de la plaque percée 2 de diamètre infé- rieur au diamètre interne du corps cylindrique de l'étage 8 sur lequel se déposent les particules par impaction. Du fait de leur inertie, les particules les plus lourdes tombent sur le premier disque de collec- tion 1, les autres particules s'écoulent tout autour du disque atteignant ainsi l'étage consécutif 8. Selon l'art connu, la catégorie dimensionnelle des particu- les recueillies à chaque étage dépend de la vitesse du jet à travers les orifices de l'étage considéré, de la distance entre le disque de collection 1 et desdits orifices 4, enfin des caractéristiques de collection de l'étage précédent. Par ailleurs, le maintien d'un débit constant dans l'impacteur à travers des orifices au diamètre de plus en plus réduit augmente la vitesse de l'air au fur et à mesure qu'il descend dans l'im- pacteur, ce qui conduit à l'impaction progressive de particules de plus en plus fines aux étages infé- rieurs; le dernier étage constitue un filtre à haute efficacité qui collecte l'ensemble des particules ul- trafines non captées dans les étages précédents. L'évacuation de l'air épuré est assurée par une canalisation 18 usiné dans le cylindre de base 17 à fond plat et dont la partie supérieure possède un embrèvement circulaire 19 sur lequel s'emboîte de façon étanche la partie inférieure du dernier étage. Sur la canalisation 18 est placée une pompe (non re- présentée) qui assure l'écoulement de l'air au travers du dispositif. Chaque étage comporte en sa partie in- férieure une encoche circulaire 21 dans laquelle s'em- boite l'embrèvement circulaire 7 usiné sur la partie supérieure de l'étage suivant. L'assemblage des étages s'effectue à l'aide d'un système du type serre-joint 24. De simples joints toriques 16 assurent l'étanchéité entre les étages. Dans un premier mode de réalisation de l'in- vention, la mise en rotation excentrée du disque de collection 1 par rapport à l'axe de la plaque percée 2 est réalisée par l'utilisation d'un jeu d'engrenages. Chaque disque de collection 1 est fixé au moyen de vis 23 sur une plaque circulaire dentée 10 de plus grand diamètre caractérisée en ce qu'elle compor- te sur sa face amont non recouverte par le disque des orifices d'évacuation 11 des particules d'un étage vers l'étage inférieur. Chaque roue dentée 10 est montée dans une gorge circulaire 25 pratiquée à l'intérieur du corps cylindrique de l'échantillonneur. Elle engrène sur deux pignons 12a et 12b qui lui communiquent son mou- vement de rotation excentré par rapport à l'axe de la plaque percée 2. Le pignon 12a, solidaire de l'extré- mité inférieure d'une tige 13a entraînée en rotation par un moteur 14, transmet son mouvement de rotation au pignon 12b au moyen de deux ergots 15a, montés sur sa face externe, venant s'emboîter dans les deux ori- fices 15b situés sur la face externe du pignon 12b lequel est lui-même solidaire de l'extrémité supérieu- re d'une tige 13b, propre à l'étage consécutif 8b, coaxiale et identique à la tige 13a de l'étage précé- dent 8a. Ainsi, tous les disques de collection 1 tour- nent à une même vitesse autour d'un même axe 33 excen- tré par rapport à l'axe 30 de la plaque percée 2. Ce mode d'exécution présente l'avantage d'avoir des étages facilement démontables car indépen- dants les uns des autres; selon l'utilisation, le nombre d'étages pourra être variable. D'autre part, un dispositif du même type aurait pu être envisagé pour la mise en rotation des plaques percées, les plaques de collection restant fixes. La figure 3 représente un second mode d'exé- cution de la mise en rotation des plaques de collec- tion. Il consiste à utiliser une butée à billes 27 sur laquelle est monté le disque de collection 1, posi- tionné grâce à une gorge 1', de telle sorte que le disque de collection 1 et la butée à billes 27 soient concentriques. La butée à billes 27 peut se déplacer latéralement à l'intérieur d'une coupelle 29 à fond plat. Le diamètre intérieur de la coupelle est égal au diamètre extérieur de la butée augmenté de deux fois l'excentrage désiré. La coupelle 29 est soutenue par un croisillon à trois branches 28 dont les extrémités s'appuient sur la plaque circulaire percée de trous 2 et contre la paroi de la chambre cylindrique creuse 8 de l'étage inférieur. La coupelle 29, la plaque percée 2 et la chambre 8 sont concentriques. Le disque de collection 1 est lesté avec une masselotte 26 fixée à la périphérie de sa face infé- rieure. En inclinant légèrement le corps de l'impac- teur 8, le disque de collection 1 se positionne de telle sorte que la masselotte 26 reste au point le plus bas, ce qui provoque l'excentrage désiré entre la plaque percée 2 et le disque 1. On entraîne alors en rotation le corps de l'impacteur par tout moyen connu, tel que moteur par exemple. Ce deuxième mode d'exécu- tion est de réalisation plus simple, mais suppose la mise en rotation de l'ensemble du corps de l'impac- teur, dont l'axe de révolution sera incliné par rap- port à l'axe vertical. La figure 4 représente un troisième mode d'exécution qui est une variante de la précédente. La butée à billes 27 pivote dans une gorge 34' taillée sur un support cylindrique plan 34 soutenu par un croisillon à trois branches 28 comme monté précédem- ment. La gorge 34' est taillée de sorte que l'axe de rotation 33 de la butée 27, donc de la plaque de col- lection 1, soit excentré par rapport à l'axe de symé- trie 30 de l'ensemble de l'impacteur. Le disque de collection 1 préalablement aimanté par des masselottes magnétiques 31 fixées à deux extrémités diamétralement opposées est mis en rotation sous l'action d'un champ magnétique extérieur tournant créé par exemple par une bobine magnétique 32 située à l'extérieur de la cham- bre cylindrique 8. Ce troisième mode d'exécution est aussi de réalisation plus simple que le premier mode, toute- fois, il ne convient pas pour collecter des aérosols magnétiques. Il suppose aussi que les autres compo- sants de l'impacteur soient non magnétiques comme c'est le cas avec l'impacteur ANDERSEN en alliage d'aluminium. Les deux derniers modes d'exécution sont préférés au premier car ils peuvent être mis en oeuvre sur tout dispositif d'impaction en cascade du type de celui utilisé, sans d'autre modification que d'ajouter les éléments décrits, de sorte que l'impacteur peut être réutilisé dans sa version originale pour des usages courants ne nécessitant pas le dépôt uniforme que permet la présente invention. Un dernier mode d'exécution consiste à uti- liser l'écoulement d'air dans l'impacteur pour entrai- ner en rotation des disques excentrés munis d'aubages à leur périphérie. L'utilisation de ces différents modes d'exécution qui permettent l'obtention d'un dépôt de particules homogène sur les disques de collection et l'utilisation maximale de ces mêmes disques peut être étendue aux applications connues de l'impacteur à cas- cades à savoir: la granulométrie d'aérosols radioac- tifs en vue d'analyse par comptage a ou spectrométie a (Pu02, poussière de minerai), d'aérosols de combustion à très forte concentration et d'aérosols en vue d'une analyse par gravimétrie, par microscopie, par fluores- cence X, par analyse chimique. REVENDICATIONS 1. Dispositif du type échantillonneur d'aérosols à impaction en cascade et à dépôt uniforme comportant une entrée d'air conique (6) fixée sur une chambre cylindrique de révolution creuse et étanche constituée par la superposition de plusieurs étages en forme de cylindres de révolution creux (8) parcourus par le courant d'air issu de l'entrée conique (6) et comportant chacun une plaque circulaire (2) percée de trous (4) situés sur des cercles concentriques (5) coaxiaux à ladite plaque (2) et de diamètre identique diminuant progressivement à chaque étage, et un disque de collection (1) situé en aval de la plaque percée (2) de diamètre inférieur au diamètre interne de la chambre de l'impacteur, comportant des moyens pour as- surer la circulation verticale descendante de l'air et des moyens pour mettre en rotation relative chaque plaque percée (2) par rapport au disque de collection (1) correspondant, caractérisé en ce qu'à chaque étage l'axe du disque (1) présente un excentrage par rapport à l'axe de la plaque circulaire percée (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le disque de collection (1) excen- tré est fixé sur une plaque circulaire dentée (10) de diamètre supérieur au diamètre du disque de collection (1) comportant une évacuation de l'aérosol par des trous (11) percés dans la partie de la plaque (2) non recouverte par le disque de collection (1), montée dans une gorge circulaire (25) pratiquée à l'intérieur du corps cylindrique de l'étage impacteur engrenant sur deux pignons (12a et 12b) dont le premier (12a) solidaire de l'extrémité inférieure d'une tige (13a) entraînée en rotation par un moteur (14) transmet le mouvement de rotation au second (12b) au moyen de deux ergots (15a) montés sur sa face externe venant s'em- boîter dans les deux orifices (15b) usinés sur la face externe du second pignon (12b) lui-même solidaire de l'extrémité supérieure d'une tige (13b), élément cons- titutif de l'étage consécutif (8b), coaxiale et iden- tique à la tige (13a) de l'étage précédent (8a). 3. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que chaque disque de collection (1) est monté sur une butée à billes (27), mobile à l'in- térieur d'une coupelle supportée par un croisillon à plusieurs branches (28) dont les extrémités sont em- boîtées dans le corps cylindrique de l'impacteur (8). 4. Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que chaque disque de collection (1) est lesté avec une masselotte (26) fixée à la périphé- rie de sa face inférieure. 5. Procédé de mise en oeuvre du dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque disque de collection (1) est excentré par inclinaison de l'impacteur et mise en rotation de ce dernier. 6. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que chaque disque de collection (1) est monté sur une butée à billes (27) excentrée pivo- tant sur un support (34) maintenu par un croisillon à plusieurs branches (28) dont les extrémités sont em- boitées dans le corps cylindrique de l'impacteur (8). 7. Dispositif selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce que chaque disque de collection (1) muni de masselottes magnétiques (31) fixées à deux extrémités diamétralement opposées du disque (1) ou à proximité de ces deux extrémités est entraîné en rota- tion autour de son axe (33) sous l'action d'un champ magnétique extérieur tournant créé par une bobine ma- gnétique (32) située à l'extérieur de la chambre cy- lindrique de l'impacteur (8).