Brevet FR2718847A1 — publié le 19951020

APPAREIL POUR PRELEVER DES ECHANTILLONS DE POUSSIERES La présente invention se rapporte à un appareil de pré- lèvement d'échantillons de poussières équipé d'un filtre à voile de fibres polarisé électriquement, ainsi que d'un groupe d'aspiration. Pour évaluer le bilan d'empoussiérage de l'environne- ment, en particulier de l'environnement du travail, l'on con- naît des appareils produisant des échantillons et des appareils qui affichent ou enregistrent directement. Dans des appareils produisant des échantillons, une quantité déterminée d'air examiné est aspirée, puis les pous- sières sont séparées dans des filtres. L'échantillon de pous- sières est ensuite interprété par différentes techniques de pesage, par comptage, par traitement photométrique ou par di- vers procédés d'analyses chimiques ou cristallographiques. Ces appareils autorisent un diagnostic relatif à la concentration des masses de poussières dans l'air (mg/m3), fractionnées selon les grosseurs de grains, et concernant également la composition chimico-cristallographique des poussières. L'on connaît des appareils qui fonctionnent selon le procédé gravimétrique en deux étapes. Ainsi, d'après le brevet DD-89 496, l'on connaît un appareil pour prélever des échantil- lons de matières en suspension dans des gaz, en vue d'une déter- mination consécutive de la concentration en matières en suspen- sion et de la composition matérielle desdites matières en sus- pension. Cet appareil est équipé de deux filtres et d'un groupe d'aspiration. Dans cet appareil, la séparation de la fraction grossière des particules s'effectue tout d'abord dans un cyclo- ne remplissant la fonction d'un séparateur amont présentant une caractéristique de séparation bien définie. Ensuite, l'air est aspiré à travers un filtre à poussières fines, dans lequel la fraction fine des particules est séparée. Ce filtre est consti- tué d'un voile de fibres grossières, polarisé électri- quement. Dans l'appareil selon le brevet DD-89 496, les résistan- ces de filtration demeurant largement constantes font qu'on re- nonce à un mesurage et à une régulation du débit, ce qui, dans des cas défavorables, peut être lié à des écarts substantiels par rapport à la valeur de consigne du débit. Egalement dans d'autres appareils connus jusqu'à présent, dont l'aspirateur est constitué par des ventilateurs, il n'est pas satisfait à l'exigence d'un maintien du débit volumique de régime à une va- leur constante. Les appareils connus présentent l'inconvénient de ne pas exécuter le fractionnement granulométrique en trois étapes selon la norme DIN-EN-481, qui est actuellement exigé et qui permet une différenciation meilleure, en termes physiologi- ques, du dépôt de poussières dans les voies respiratoires. Dans les agencements connus jusque-là, l'on utilise, en tant que débitmètres, des anémomètres à roues à ailettes, des anémomètres à résistances électriques ou à boules chaudes, des diaphragmes ou des buses de Venturi qui représentent, au sens strict, des capteurs de débits massiques. Dans des conditions normalisées, c'est-à-dire lorsque la température ambiante et la pression de l'air accusent, par rapport aux conditions nor- males, uniquement un faible écart ne se traduisant par aucune variation notable de la densité de l'air, une proportionnalité est établie entre les débits massique et volumique. Le débit vo- lumique est la condition préalable à la reproduction représen- tative des voies respiratoires humaines. Des conditions norma- lisées ne sont majoritairement pas réunies dans des circonstan- ces d'utilisation concrètes. Par exemple, il en résulte des pressions notablement autres en cas d'utilisation sous terre, ou bien des écarts de température considérables dans les indus- tries céramique et métallurgique. C'est pourquoi ce mesurage du débit massique réclame une compensation de la température et de la pression, s'accompagnant d'un équipement de détection cor- respondant pour réaliser un mesurage du débit volumique, par rapport au volume de régime. L'invention a pour objet de fournir un appareil de pré- lèvement d'échantillons de poussières qui présente une sépa- ration granulométrique en trois étapes, conformément à la norme DIN-EN481; qui n'exige, dans des conditions d'utilisation concrètes, aucune régulation compliquée pour maintenir le dé- bit volumique de régime à une valeur constante; qui se singula- rise par un faible volume d'encombrement; et dont le circuit pneumatique soit mis automatiquement hors fonction en cas de pannes. Conformément à l'invention, cet objet est atteint par le fait qu'un appareil de prélèvement d'échantillons de poussiè- res, équipé d'un filtre à voile de fibres polarisé électrique- ment, ainsi que d'un groupe d'aspiration, comprend trois étages de séparation, deux séparateurs centrifuges étant disposés en amont du filtre à voile de fibres polarisé électriquement, et par le fait que cet appareil présente en outre un dispositif pour mesurer le débit volumique (volume de régime) d'après le principe de l'allée tourbillonnaire de Bénard-Karman. Une ré- gulation est par ailleurs prévue, en vue d'obtenir un débit vo- lumique constant. Cet agencement permet d'atteindre une séparation en trois étapes, avec forte approximation de la caractéristique de séparation exigée. Cette dernière présuppose une séparation en trois fractions granulométriques, correspondant au site de leur dépôt dans le corps humain. La séparation de la fraction la plus grossière des poussières (fraction rhinopharyngienne) a alors lieu dans le premier séparateur centrifuge mentionné; la séparation de la fraction moyenne (fraction bronchique) s'opère dans le second séparateur centrifuge; et la séparation de la fraction fine des poussières (fraction alvéolaire) inter- vient dans le filtre à voile de fibres grossières polarisé élec- triquement. L'application du principe de l'allée tourbillonnaire de Bénard-Karman rend possible le mesurage direct du débit volumi- que de régime. A l'inverse du mesurage indirect du débit volu- mique jusqu'à présent connu, se fondant sur la proportionnalité avec le débit massique, il n'est pas nécessaire de procéder à une correction d'écarts de densité provoqués, respectivement, par des écarts de température ou de pression. Cela signifie une suppression de la compensation compliquée de l'influence de la température et de la pression. L'on obtient des signaux numéri- ques se prêtant bien au traitement, et le mesurage du débit vo- lumique ne réclame qu'un système mécanique simple. Les masses de poussières déterminées à l'aide de cet ap- pareil sont rapportées au volume de régime interprété, en vue de la détermination réglementaire de la concentration gravimétri- que en poussières. Ledit volume résulte du produit du débit vo- lumique et du temps de service. Le débit volumique régulé (volu- me de régime), nécessaire à la réalisation du volume de régime, réclame l'utilisation d'un capteur qui interprète le volume de régime. Un séparateur à lamelles est prévu en tant que premier séparateur centrifuge, un cyclone étant prévu en tant que se- cond séparateur centrifuge. Les lamelles du séparateur à lamel- les sont disposées, de préférence, dans un canal d'écoulement en forme de coude. La courbure des lamelles peut correspondre au coude du canal d'écoulement. Suite à la présence des canaux d'écoulement coudés du séparateur à lamelles, l'air parvenu, par aspiration, dans l'orifice dudit séparateur reçoit une composante radiale de mouvement impliquant un impact inertiel des particules de pous- sières de la fraction préétablie. Il conviendrait que les lamelles soient commodément hu- mectées avec un agent, comme par exemple de l'huile siliconée, permettant l'adhérence des particules de poussières sépa- rées. La séparation s'opère avec la même caractéristique que dans un dispositif d'élution à plaques présentant une géométrie déterminée. Le comportement à la séparation est déterminé par la largeur des canaux entre les lamelles, par la vitesse d'écou- lement et par l'ampleur de la variation directionnelle. Pour obtenir concrètement le guidage de l'écoulement dans le cyclone, il est par ailleurs judicieux d'installer un pseudo-tube plongeur dans la région de l'orifice d'afflux dudit cyclone. Il est commode d'installer le tube plongeur dans le fond du cyclone, de manière à pouvoir agencer les unités de sé- paration les unes à la suite des autres dans la direction du groupe d'aspiration. Le boîtier du filtre attenant à poussières fines, revêtant habituellement la forme d'un cylindre aplati, est accouplé au tube plongeur du cyclone de façon telle que l'air afflue tangentiellement et parcourt, de ce fait, le fil- tre avec répartition uniforme sur le pourtour de l'anneau de filtration des poussières fines. En d'autres termes, le tube plongeur du cyclone est de préférence fixé tangentiellement au boîtier du filtre. Pour mesurer le débit volumique, le canal d'aspiration renferme de préférence, en amont du groupe d'aspiration, un corps perturbateur en aval duquel se trouve un dispositif mesu- reur conçu pour détecter les tourbillons détachés dudit corps perturbateur. En tant que dispositif mesureur conçu pour détec- ter les tourbillons détachés, il peut par exemple être prévu un dispositif mesureur pour compter les tourbillons détachés et/ou pour mesurer la fréquence tourbillonnaire. Un dispositif mesureur d'ultrasons peut être prévu en tant que dispositif mesureur de la fréquence tourbillonnaire. Pour obtenir une forme de réalisation compacte, il est judicieux que le séparateur à lamelles, le cyclone et le filtre à poussières fines soient disposés dans une première partie compacte de l'appareil, dont ils peuvent être aisément enlevés après prélèvement d'échantillons. Un module à haute tension, prévu pour le filtre, se trouve dans l'espace libre restant entre ces groupes structurels. L'intégration du module à haute tension dans la tête de filtration a pour résultat de supprimer le danger que représentent des détériorations de conduc- teurs. Le séparateur à lamelles, le cyclone et le filtre sont logés dans le boîtier, avec faculté de remplacement aisé et sont conçus indépendamment les uns des autres, pour le transport des échantillons et en tant que récipients de pesage. Conformément à l'invention, les deux étages séparateurs amont, le boîtier du filtre, ainsi qu'une coiffe supplémentaire du module à haute tension, servant originellement à protéger ce module d'un effet des poussières, sont semblablement réalisés sous la forme d'une cage de Faraday qui protège le support de l'appareil vis-à-vis de l'effet néfaste de la haute tension. Pour obtenir une forme de réalisation compacte, il est par ailleurs judicieux de loger les groupes de composants élec- troniques, nécessaires pour faire fonctionner ledit appareil, dans une seconde partie de cet appareil dans laquelle se trouve également le groupe d'aspiration. En cas d'utilisation d'un ventilateur radial muni d'un manchon d'aspiration associé, il est judicieux que les plaquettes à circuits imprimés, destinées aux composants électroniques, soient agencées tout autour du- dit manchon d'aspiration, les composants électroniques de deux plaquettes respectives à circuits imprimés étant alors situés en vis-à-vis. Un microprocesseur assure la régulation du débit volu- mique par excitation du moteur avec modulation de la fréquence ou des largeurs d'impulsions, au moyen d'un organe de manoeu- vre. Pour détecter des états de perturbation dans le circuit pneumatique de l'appareil préleveur d'échantillons, comme par exemple un coudage ou une rupture de la liaison par flexible entre la tête de filtration et le groupe d'aspiration, un inter- rupteur à valeurs de seuil est prévu pour détecter la tension du moteur en tant que mesure de la plage de vitesses angulaires ad- missible, ledit interrupteur actionnant un interrupteur prin- cipal par l'intermédiaire d'un microprocesseur. Cet interrup- teur principal assure la mise hors fonction de l'appareil en cas de perturbation. L'invention va à présent être décrite plus en détail, à titre d'exemple nullement limitatif, en regard des dessins an- nexés sur lesquels: la figure 1 illustre schématiquement l'agencement structurel de l'appareil conforme à l'invention, pour prélever des échantillons de poussières; la figure 2 est une coupe du séparateur centrifuge selon la figure 1; la figure 3 est une coupe du groupe d'aspiration; la figure 4 est une coupe du dispositif conçu pour mesu- rer le débit volumique; la figure 5 est une coupe du dispositif mesureur du débit volumique, décalée de 900 par rapport à la coupe de la figure 4; et la figure 6 est un schéma synoptique d'un circuit de mise hors fonction de l'appareil de prélèvement d'échantillons lors d'une panne affectant le circuit pneumatique. Dans l'appareil conforme à l'invention, conçu pour pré- lever des échantillons de poussières, l'air chargé de poussiè- res est aspiré par l'intermédiaire d'un manchon d'aspiration 1 et parvient, tout d'abord, dans un séparateur 2 & lamelles dans lequel s'opère une première séparation des poussières. Cette première étape implique la séparation de poussières d'une gros- seur de grains comprise entre 100 im et 10 pm, qui se déposent dans le corps humain, plus précisément dans le nez et dans le pharynx. La séparation a lieu sur des lamelles, dont on a repré- senté deux lamelles 15, 16 prévues dans un coude du séparateur 2. L'air aspiré reçoit, dans le coude, une composante radiale de mouvement qui provoque un impact de particules de poussières présentant la grosseur de grains précitée. Au sortir du séparateur 2 à lamelles, l'air afflue tan- gentiellement dans un cyclone 3 dans lequel une deuxième frac- tion des poussières est séparée sous l'effet des forces centri- fuges. Il s'effectue alors une séparation de poussières dont la grosseur de grains est comprise entre 10 pn et 4pm, et qui sont désignées par "poussières bronchiques". L'air pénètre alors tangentiellement en partie haute dans le cyclone et en sort, en partie basse, par l'intermédiaire d'un tube plongeur 18. Les poussières séparées sont collectées latéralement par rapport au tube plongeur, dans une zone 19 de sédimentation des poussières. L'air sortant du tube plongeur 18 parvient tangentiel- lement dans une capsule filtrante 4, dans laquelle se trouve un filtre 5 polarisé électriquement. Du fait de l'afflux tangen- tiel de l'air, le filtre est sollicité uniformément par de l'air sur son pourtour. L'on peut commodément utiliser, en tant que matériau filtrant, un voile filtrant constitué par des fibres de polypropylène emmêlées, ce matériau possédant un degré de séparation élevé moyennant une faible chute de pression, ainsi qu'un fort pouvoir d'accumulation des poussières. Il s'opère, dans ce filtre, une séparation de la troisième fraction des poussières comprenant des grosseurs de grains inférieures à 4 upm. Les poussières présentant cette grosseur de grains sont désignées par "poussières alvéolaires". L'air pénètre dans le filtre 5 à partir de l'extérieur, il parcourt ce dernier, est aspiré intérieurement et parvient, en empruntant un canal, dans un canal d'aspiration 6 relié, par l'intermédiaire d'une liaison par flexible, à la partie de l'appareil renfermant le groupe d'aspiration. Dans cette par- tie de l'appareil, le mesurage du débit volumique s'effectue d'après le principe tourbillonnaire de Bénard-Karman. Il est prévu à cette fin, dans le canal d'aspiration de ladite partie, un corps perturbateur 7 ayant pour effet de séparer des tourbil- lons. Le nombre des tourbillons ou, respectivement, la fréquen- ce tourbillonnaire constitue une mesure du volume ou du débit volumique. L'on a prévu dans le présent exemple de réalisation, pour mesurer la fréquence tourbillonnaire, un émetteur d'ul- trasons 8 revêtant la forme d'une paire d'éléments piézoélec- triques à laquelle, par l'intermédiaire de conducteurs d'arri- vée 10, est appliqué un signal d'entrée d'une fréquence d'en- viron 150 kHz, auquel est superposé un signal de basse fréquence de 300 Hz résultant de la fréquence des tourbillons d'écoule- ment continus. Par l'intermédiaire d'un récepteur d'ultrasons 9 se présentant comme un élément piézoélectrique, un signal de sortie à fréquence modulée est appliqué, par des conducteurs 11, à une unité 26 génératrice de signaux. Dans celle-ci, la fréquence porteuse de 150 kHz est filtrée. Les signaux reçus sont convertis, après amplification et démodulation, en des si- gnaux électriques numériques dont la fréquence est propor- tionnelle au débit volumique. Un microprocesseur 27 a pour objet de régler numérique- ment le groupe d'aspiration sur la valeur de consigne prééta- blie du débit volumique, par activation d'un organe de manoeu- vre 29 avec modulation de la fréquence ou des largeurs d'impul- sions. En vue de détecter des états de perturbation survenant dans le circuit pneumatique de l'appareil de prélèvement d'échantillons, comme par exemple un coudage ou une rupture de la liaison par flexible entre la tête de filtration et le groupe d'aspiration, le microprocesseur 27 interprète additionnelle- ment la tension du moteur par l'intermédiaire d'interrupteurs 28 à valeurs de seuil, lorsque l'organe de manoeuvre 29 est ouvert, en tant que mesure de la plage de vitesses angulaires admissible; et l'appareil est mis hors fonction, en cas de panne, par l'intermédiaire d'un interrupteur principal 30. Un ventilateur radial 20, entrainé par un moteur 14, est prévu pour aspirer l'air. Cet air est aspiré par l'entremise d'un manchon d'aspiration 12 et d'un interstice annulaire 13. En vue d'obtenir un mode de réalisation compact de l'ap- pareil de prélèvement d'échantillons de poussières, le module à haute tension, conçu pour faire fonctionner le filtre 5, est logé dans l'espace situé entre le manchon d'aspiration 1, le sé- parateur 2 à lamelles, le cyclone 3 et la capsule filtrante 4. Il est ainsi commodément tiré parti de cet espace, présent de toute façon dans l'appareil. Le mode de réalisation compact est en outre favorisé grâce au fait qu'une nécessaire carte 21 à circuits imprimés analogique, et une carte 22 à circuits imprimés numérique, sont prévues au voisinage du manchon d'aspiration 12 du ventilateur radial 20. La carte 22 présente une échancrure 24 correspondant aux dimensions extérieures du manchon d'aspiration 12, de sorte qu'elle peut être enfilée sur ce dernier. La carte 21 comporte une échancrure 25 qui correspond aux cotes extérieures du mo- teut 14, si bien qu'elle peut être enfilée sur celui-ci. Les cartes à circuits imprimés sont disposées de telle sorte que des composants électroniques 23 qui s'y trouvent soient situés en vis-à-vis, c'est-à-dire occupent des positions intérieures. Des accumulateurs ou des éléments primaires peuvent être prévus en tant que source de courant. Grâce aux mesures conformes à l'invention, il est pour la première fois possible de disposer d'un appareil portatif de prélèvement d'échantillons de poussières qui répond aussi bien: aux exigences en matière de diagnostic de mesures, c'est-à- dire - une séparation en trois étapes avec forte approxima- tion d'une caractéristique de séparation, qui avoisi- ne celle des voies respiratoires humaines et est éga- lement exposée dans la norme DIN-EN-481, - un débit volumique suffisamment grand, permettant une utilisation également dans le cas de faibles concen- trations, - une forte capacité d'accumulation, - une obtention aisée d'échantillons lors d'analyses, qu'aux exigences en matière d'ergonomie, c'est-à-dire - visant à atteindre une forme de réalisation petite, légère et ergonomique. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. -REVENDICATIONS- -R E V E N D I C A T I 0 N S- 1. Appareil de prélèvement d'échantillons de poussières équipé d'un filtre (5) à voile de fibres polarisé électrique- ment, ainsi que d'un groupe d'aspiration, appareil caractérisé par le fait que trois étages de séparation sont prévus, deux sé- parateurs centrifuges (2, 3) étant disposés en amont du filtre (5) à voile de fibres polarisé électriquement, et par le fait qu'un dispositif est prévu pour mesurer le débit volumique d'après le principe de l'allée tourbillonnaire de Bénard- Karman. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un séparateur (2) à lamelles est prévu en tant que pre- mier séparateur centrifuge, un cyclone (3) étant prévu en tant que second séparateur centrifuge. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les lamelles (15, 16) du séparateur (2) à lamelles sont prévues dans un canal d'écoulement en forme de coude. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la courbure des lamelles (15, 16) correspond au coude du canal d'écoulement. 5. Appareil selon au moins l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que les lamelles (15, 16) sont humectées avec un agent permettant l'adhérence des particules de poussières séparées. 6. Appareil selon au moins l'une quelconque des revendi- cations 2 à 4, caractérisé par le fait que les lamelles sont hu- mectées avec de l'huile siliconée. 7. Appareil selon au moins l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que le canal d'as- piration renferme, en amont du groupe d'aspiration, un corps perturbateur (7) en aval duquel se trouve un dispositif mesu- reur (26, 27) conçu pour détecter les tourbillons détachés dudit corps perturbateur (7). 8. Appareil selon au moins l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait qu'un dispositif mesureur est prévu pour compter les tourbillons détachés et/ou pour mesurer la fréquence tourbillonnaire. 9. Appareil selon au moins l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait qu'un dispositif mesureur d'ultrasons est prévu en tant que dispositif mesureur de la fréquence tourbillonnaire. 10. Appareil selon au moins l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait qu'un pseudo- tube plongeur (18) est prévu dans la région de l'orifice d'af- flux du cyclone (3). 11. Appareil selon au moins l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait que le tube plongeur (18) du cyclone (3) est fixé tangentiellement au boî- tier du filtre. 12. Appareil selon au moins l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait que le tube plongeur (18) est prévu dans le fond du cyclone (3). 13. Appareil selon au moins l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait que le sépara- teur à lamelles (2), le cyclone (3) et le filtre (5) sont dispo- sés dans une première partie compacte dudit appareil; et par le fait qu'un module à haute tension, prévu pour le filtre, se trouve dans l'espace libre restant entre ces groupes struc- turels. 14. Appareil selon au moins l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait que le sépara- teur (2) à lamelles, le cyclone (3) et le filtre (5) sont logés, dans le boîtier, avec faculté de remplacement aisé. 15. Appareil selon au moins l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait que le sépara- teur (2) à lamelles, le cyclone (3) et le filtre (5) sont conçus, indépendamment les uns des autres, pour le transport des échan- tillons et en tant que récipients de pesage. 16. Appareil selon au moins l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait que les deux séparateurs centrifuges (2, 3), le boîtier du filtre, ainsi qu'une coiffe supplémentaire du module à haute tension, servant originellement à protéger ce module d'un effet des poussières, sont réalisés sous la forme d'une cage de Faraday. 17. Appareil selon au moins l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait que les groupes de composants électroniques, nécessaires pour faire fonction- ner ledit appareil, sont logés dans une seconde partie de cet appareil dans laquelle se trouve également le groupe d'aspira- tion (20). 18. Appareil selon la revendication 12, caractérisé par le fait que, en cas d'utilisation d'un ventilateur radial (20) muni d'un manchon d'aspiration associé, les plaquettes (21, 22) à circuits imprimés, destinées aux composants électroniques, sont agencées tout autour dudit manchon d'aspiration (12), les composants électroniques (23) de deux plaquettes respectives à circuits imprimés étant alors situés en vis-à-vis. 19. Appareil selon au moins l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait qu'un micropro- cesseur (27) et un organe de manoeuvre (29) sont installés pour la régulation du débit volumique par excitation du moteur (14) avec modulation de la fréquence ou des largeurs d'impul- sions. 20. Appareil selon au moins l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé par le fait qu'un interrup- teur (28) à valeurs de seuil est prévu pour détecter la tension du moteur en tant que mesure de la plage de vitesses angulaires admissible, interrupteur auquel est affecté un interrupteur principal (30) activé par l'intermédiaire d'un microproces- seur.