Brevet FR2677765A1 — publié le 19921218

PROCEDE DE SURVEILLANCE DE L'ETAT DE SATURATION D'UNE MASSE DE CHARBON ACTIVE FILTRANTE D'UN DISPOSITIF DE FILTRATION ET CARTOUCHE DE MASQUE RESPIRATOIRE EN PORTANT APPLICATION La présente invention se rapporte d'une manière générale aux dispositifs de filtration de gaz toxiques à l'aide d'appareils qui utilisent à cet effet l'action d'une masse de charbon actif au travers de laquelle s'écoule le fluide gazeux à filtrer contenant les gaz toxiques. Elle trouve des applications dans de nombreux secteurs de l'industrie telle que par exemple la réalisation de filtres placés sur les circuits de ventilation d'installations industrielles ou non, ainsi que tout spécialement les cartouches utilisées dans les masques respiratoires pour protéger les individus contre les gaz toxiques que peut contenir l'atmosphère dans laquelle ils évoluent. La masse active de tels filtres est constituée de charbon actif en grains qui a la propriété d'adsorber les gaz toxiques. Malheureusement cette propriété n'est pas constante dans le temps et, au bout d'une certaine durée, se produit ce que l'on appelle le claquage du filtre, qui se sature en produits toxiques et devient donc inefficace. Lorsque les gaz toxiques ne sont pas odorants, on ne sait pas à partir de quel moment le filtre n'est plus efficace. C'est ce problème de la détection précise de la saturation du filtre que la présente demande s'attache à résoudre. On peut mentionner pour la forme certains essais effectués à l'aide de détecteurs de saturation du type colorimétrique, mais qui n'ont pas eu de suite industrielle car ces procédés se sont révélés peu fiables. La présente invention a précisément pour objet un procédé de surveillance de l'état de saturation de la masse active de charbon actif de filtre à l'aide de moyens très simples à mettre en oeuvre. Ce procédé de surveillance de l'état de saturation de la masse active filtrante (4) d'un dispositif de filtration, se caractérise en ce que l'on place au contact de cette masse deux électrodes conductrices (10) entre lesquelles on applique une différence de potentiel alternative, les deux électrodes étant conformées et situées de façon telle que le champ électrique ainsi appliqué s'étende à toute ou partie de la masse active, et en ce que l'on mesure la variation de La partie ohmique R de l'impédance Z = R+j(L-1/C) du circuit constitué par la masse active filtrante et les électrodes conductrices. On sait qu'une masse active filtrante se sature de façon progressive en ce sens que La zone saturée comporte un front qui avance dans la masse au fur et à mesure que les qualités filtrantes de celle-ci se détériorent. Il est donc nécessaire et essentiel pour la mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention, que les électrodes qui sont situées sur ou dans la masse active produisent, lorsqu'elles sont mises sous tension, un champ électrique dont la configuration soit telle qu'il s'étende à toute la masse active que l'on désire surveiller. Lorsque ceci est réalisé, la mesure de R permet d'obtenir une valeur moyenne qui est représentative de l'état de saturation globale du milieu actif. Dans chaque cas particulier, l'homme de métier saura déterminer l'emplacement et la forme respective des deux électrodes pour que cette condition soit remplie. Dans le cas particulier mais très général d'une masse active occupant le volume d'un tronc de cylindre limité par deux surfaces planes, les électrodes peuvent être disposées, conformément à l'invention, selon deux modes de mises en oeuvre spécialement intéressants. Dans le premier mode de mise en oeuvre, la masse active filtrante a la forme d'une portion de cylindre droit et les électrodes sont fixées chacune sur une des faces planes du cylindre. Dans un second mode de mise en oeuvre la masse active filtrante a toujours la forme d'une portion de cylindre droit, mais l'une des électrodes est une tige placée selon l'axe du cylindre à l'intérieur même de la masse active et l'autre est une plaque cylindrique qui enveloppe la surface latérale externe de la masse active. Il doit également être clair que cette masse active étant destinée à être parcourue par le fluide à filtrer, l'homme de métier devra dans chaque configuration particulière envisager si cela est nécessaire de perforer au moins certaines électrodes de façon à les rendre perméables au flux gazeux. Selon L'invention en particulier, les électrodes peuvent être constituées par des grilles métalliques ou des plaques également métalliques mais percées de trous. Dans ce dernier cas, la taille des trous n'a pas d'influence pratique sur le fonctionnement du procédé, mais encore faut-il que les grains de la matière active filtrante ne puissent pas trouver passage au travers de ces mêmes trous. Par ailleurs, les électrodes, le boîtier qui renferme la masse active filtrante et toutes les autres pièces au contact de cette même masse, doivent être réalisés en des matériaux qui ne présentent aucune interaction chimique, ni avec le charbon actif, ni avec les produits toxiques que l'on veut absorber. En ce qui concerne maintenant le phénomène physique qui est à la base du procédé objet de l'invention, on précisera ce qui suit. Des études systématiques ont montré que dans un filtre en fonctionnement mais qui n'a pas atteint L'état de saturation, la partie ohmique R de L'impédance Z augmentait au fur et à mesure de l'absorption du gaz par le filtre. Puis, lorsque l'état de saturation est atteint, cette résistance conserve la valeur atteinte et reste alors stable sans évolution ultérieure dans le temps. Pour mettre en évidence l'état de saturation d'une telle masse fi It rante, il suffit donc de détecter par tout moyen connu, l'instant où la résistance R n'évolue plus. On peut par exemple à cet effet mesurer périodiquement cette résistance R en comparant chaque mesure à la mesure précédente.Tant que l'écart entre les deux mesures n'est pas nul, on est certain que le charbon actif continue à jouer son rôle de filtre, mais dès que l'écart précédent est nul, on sait de la même façon que l'état de saturation est atteint. Il faut alors régénérer ou changer la masse de charbon actif. Pour la mise en oeuvre du procédé, objet de l'invention, iL suffit d'utiliser un générateur de courant alternatif que l'on branche aux bornes des deux électrodes conductrices et de mesurer l'intensité du courant alternatif qui parcourt le circuit et la différence de potentiel aux bornes des électrodes. La loi d'Ohm appliquée en courant alternatif permet de déterminer facilement la partie réelle R de l'impédance complexe R+j(L -1/C ) du circuit constitué par la masse active des électrodes conductrices. De toute façon l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre, exemple- qui -sera- décrit à titre illustratif et non limitatif en se référant aux figures 1 à 4 ci-jointes sur lesquelles - la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de mise en oeuvre de l'invention dans lequel la masse active filtrante a la forme d'une portion de cylindre droit ; - la figure 2 est un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention dans le cas où la masse active filtrante a également la forme d'une portion de cylindre droit ;; - La figure 3 est une coupe schématique d'une cartouche filtrante de masque respiratoire - la figure 4 est un schéma électrique de principe destiné à la mise en oeuvre du procédé de surveillance de l'état de saturation de la masse active. Sur la figure 1, on a représenté une masse active filtrante de charbon 4 qui occupe le volume d'une portion de cylindre droit à base circulaire dont les faces supérieure et inférieure sont planes. Dans le cas particulier de la figure 1, les deux électrodes nécessaires à la mise en oeuvre du procédé sont référencées 10 et sont constituées d'une plaque métallique circulaire couvrant complètement l'une des faces planes de la masse de charbon actif. Dans une structure de ce genre, si le flux gazeux traverse la masse active 4 selon la direction de la flèche F, il faut alors prévoir de rendre les grilles 10 perméables à ce flux, soit en les perforant, soit en les constituant à l'aide de grilles métalliques.Il est clair en tout cas et ceci est essentiel que le champ électrique créé par la différence de potentiel imposée entre les deux plaques 10 concerne l'intégralité de la masse de charbon actif et permet par conséquent de recueillir une information globale sur l'état de saturation de celle-ci. Dans l'exemple de la figure 2, on retrouve une masse de charbon actif 4 qui a les mêmes caractéristiques que celle de la figure 1, mais équipée d'électrodes dont la forme et l'emplacement sont différents. En effet, l'une des électrodes 10a est constituée d'une tige disposée selon l'axe de La matière filtrante 4 et l'autre électrode 10b, est une plaque cylindrique qui entoure latéralement la surface de cette même masse active 4. Dans ce cas, le champ électrique a une structure radiale par rapport à l'axe du cylindre mais, comme dans l'exemple précédent, il est clair qu'il se développe à travers l'intégralité de la masse filtrante, ce qui garantit la validité de la mesure ainsi réalisée. Sur la figure 3 on a représenté dans une enveloppe 2 en matière inerte électriquement, une cartouche filtrante de masque respiratoire. Cette cartouche comprend essentiellement une masse active 4 composée de charbon sous forme granulaire, située au centre de l'enveloppe 2 laquelle possède une ouverture d'entrée des gaz éventuellement pollués 6 et une ouverture de sortie 8 des gaz purifiés. Sur chacune des faces de la masse de charbon actif 4 se trouve située une électrode conductrice 10 constituée dans l'exemple décrit par une grille métallique. Sur chaque électrode 10 se trouve située une plaque de feutre 12, puis finalement une grille 14 en matière plastique. Dans l'exemple décrit, la masse de charbon actif est de l'ordre de 150 grammes et les électrodes conductrices 10 ont une surface égale à la section de la cartouche de manière à recouvrir complètement les surfaces du charbon actif 4. Les flèches F1 et F2 montrent respectivement l'entrée de l'air pollué en gaz toxiques et la sortie de l'air filtré. Le procédé de surveillance de l'état de saturation du charbon actif 4 d'une telle cartouche repose comme on l'a déjà dit sur l'enregistrement de l'impédance du circuit électrique constitué par le charbon actif 4 entre les deux électrodes de mesure 10. Pour éviter un éventuel problème de polarisation des sites de charbon actif, les produits toxiques qui circulent pouvant être eux-mêmes polaires, il faut appliquer un courant alternatif à la cartouche. La fréquence et l'amplitude du signal doivent être également modulables. La mesure de la résistance R du circuit est déterminée à partir de la mesure de la différence de potentiel aux bornes de la cartouche 4 et de l'intensité du courant selon un schéma conforme à celui de la figure 4 dans lequel la cartouche est schématisée en 16 et se voit appliquer à l'entrée une tension V alternative à l'aide d'un générateur 18 par l'intermédiaire du circuit 20. Un ampèremètre 22 situé sur ce circuit 20 permet de connaître l'intensité alternative qui circule effectivement dans la cartouche 16 alors qu'un voltmètre 24 permet de connaître la différence de potentiel aux bornes de la cartouche. Dans le cas général le circuit est de type RLC, l'impédance est alors égale comme on le sait à Cependant Le plus souvent, on cherche à travailler dans des conditions de fréquence et d'amplitude telles que la partie imaginaire soit négligeable devant la partie réelle. Dans ce cas le rapport de La tension efficace lue en 24 et de l'intensité efficace lue en 22 donne une mesure directe de la résistance R. Le tableau qui suit donne les valeurs de la différence de potentiel en millivolts et de l'intensité en milliampères conduisant à celle de la résistance en ohms pour du charbon vierge d'une part et du charbon saturé avec du trichloro 1,1,1 éthane de l'autre. On constate que le rapport des valeurs de résistance est de 1,82 entre le substrat vierge et le substrat saturé, ce qui indique bien que la mesure de la résistance est significative de l'état de saturation. TABLEAU 1 Type de DDP Intensité Résistance charbon (mv) (mA) (Ohms) Vierge 26 33 0,79 j 1 50 1 65 1 0.77 1 Saturé 89 63 1.41 t 1 58 j 41 1 1.41 1 36 26.5 1.40 REVENDICATIONS 1. Procédé de surveillance de l'état de saturation de la masse active filtrante (4) d'un dispositif de filtration, caractérisé en ce que l'on place au contact de cette masse deux électrodes conductrices (10) entre lesquelles on applique une différence de potentiel alternative, les deux électrodes étant conformées et situées de façon telle que le champ électrique ainsi appliqué s'étende à toute la masse active, et en ce que l'on mesure la variation de la partie ohmique R de l'impédance Z = R+j(L-1/C) du circuit constitué par la masse active filtrante et les électrodes conductrices. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse active filtrante (4) ayant la forme d'une portion de cylindre droit, les électrodes (10) sont fixées chacune sur une des faces planes du cylindre. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse active filtrante (4) ayant la forme d'une portion de cylindre droit, l'une des électrodes (10a) est une tige placée selon l'axe du cylindre et l'autre (10b) est une plaque cylindrique enveloppant la surface latérale externe de la masse active. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 précédentes, caractérisé en ce que les électrodes sont constituées par des grilles métalliques. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 précédentes, caractérisé en ce que les électrodes sont constituées par des plaques métalliques percées de trous. 6. Cartouche de masque respiratoire de protection contre les gaz toxiques pour la surveillance de l'état de saturation de la masse active (4), caractérisée en ce qu'elle comporte, sur la face d'entrée et sur la face de sortie de cette masse active (4) une électrode conductrice (10) percée d'orifices pour le passage des gaz. 7. Cartouche de masque respiratoire selon la revendication 6, caractérisée en ce que la masse active (4) étant du charbon actif enfermée dans un boîtier (2) en matière inerte électriquement, chaque face du charbon actif est recouverte, depuis le charbon vers l'extérieur, d'un empilement comportant une électrode métallique perforée(10), une couche de feutre (12) et une grille de matière plastique (14). 8. Cartouche de masque respiratoire selon la revendication 2, caractérisée en ce que les électrodes métalliques (10) sont constituées de grilles métalliques.