Brevet FR2715227A1 — publié le 19950721

La présente invention procure un instrument pour la mesure en temps réel de charge d'espacé, pouvoir de condensation, concentration ou nombre et taille et la possibilité d'analyse des nuages de particules suspendues dans l'atmosphère d'origine naturelle et ou artificielle.qui ont en général une composition chimique, biologique, radiologique, complexe, une grande gamme de taille, modifiable par condensation et fréquemment des charges électriques qui ont une grande importance en influençant leur émission, transport et déposition et l'interaction avec des différents aspects de l'atmosphère comme par exemple précipitation, modification du champ électrique, coagulation etc., et c'est seulement avec un maximum d'informations préférablement obtenues par le même groupe de ces particules atmosphériqes qui permet une caractérisation fiable. L' instrument classique pour la mesure des particules suspendues dans un gaz est l'analyseur de mobilité électrique, dans lequel les particules sont préchargées et traversent un champ électrique continu, pour séparer les particules chargées conformément à leur mobilité électrique. Dans ce type d'instrument la détection des particules s'effectue en mesurant le courant qui achemine les particules chargées Dans l'instrument classique décrit ci-dessus, les charges électriques initiales amenées par les particules d'origine atmosphérique sont perdues dans le processus de pré-charge et l'information obtenue pour ce type de particules concernant leur mobilité électrique n'a pas grande importance parce que par différents processus les particules sont susceptibles de changer leur taille et par conséquent leur mobilité, la conception de 1' instrument classique fait que le champ électrique local est perturbé, influençant fondamentalement l'échantillionnage des particules atmosphériqes de telle façon que ces particules ne peuvent pas être captées de façon correcte, tout celà fait que l'erreur de mesure de l'instrument devient excessivement grande, ce qui fait qu'il est finalement impossible d'effectuer une mesure fiable. L'invention utilise des moyens originaux pour la mesure des particules atmosphériques. Ces moyens de mesure sont basés sur la correction du champ électrique perturbé par l'instrument, l'induction d'un courant de décharge par la charge d'espace générée par les particules atmosphériques aidée par un champ électrique externe, une charge déposée sur des particules et leur mesure par réduction de courant de mesure, par comptage des impulsions et opacitométriques ainsi l'interception des particules pour l'analyse. En d'autres termes, l'invention consiste en un "Instrument de mesure de Particules Atmosphériques", caractérisé en ce qu'il comprend des "Moyens d' Equilibrage Electriquew utilisant un électret, un radio isotope, etc. pour communiquer à 1' instrument une tension électrique, tel que l'échantillonnage des particules atmosphériques ne sont pas perturbées par sa présence, des "Moyens d'Observation de Charge d'Espace", constituant par une électrode centrale et un système d'électrodes parallèles ou semi cylindriqes et une source de tension variable destinée à appliquer une tension continue variable entre les deux électrodes parallèles, un système d'Aspiration de l'Air à Analysé", destiné à extraire l'atmosphère à analyser à une position proche de l'électrode centrale, le système d'aspiration de gaz analysé comprenant un chemin d'écoulement ou se trouve des "Moyens de Charge Contrôlable", utilisant une décharge couronne, un radio-isotope, etc., pour communiquer un nombre des charges variables supplémentaires aux particules atmos, des "Moyens de Mesure des Particules Atmosphériques", aussi situées dans le chemin d'écoulement de l'air constituant un système d'électrodes , un système comprenant un émetteur et un récepteur optiques et un dispositif capable de varier le taux d'humidité, et avant la pompe ou ventilateur d'aspiration du système d'aspiration de l'air analysé se trouve des "Moyens de Captage" comprenant des dispositifs capables de capter les particules atmosphériques par la méthode appelée expansion adiabatique La charge électrique est hautement responsable pour la façon de transport, déposition et l'interaction des particules atmosphériques avec des différents phénomènes atmosphériques et par conséquent le champ électrique auquel elles sont soumises. En cas de présence d'un appareil de mesure de ces particules, ce champ électique est fortement perturbé dans les environs de cet appareil, ce qui à pour conséquence que la trajectoire de ces particules est modifée en fonction de mobilité électrique de ces particules ce qui entrai ne un captage non représentatif de ces particules. Des moyens du système d'équilibrage consistent à mesurer à une certaine distance de l'instrument la force excercée par le champ électrique sur par exemple une plaque avec une surface sur laquelle un nombre de charges connues sont fixées, comme par exemple un électret, il est possible de déterminer à ce point là l'intensité du champ électrique au travers la relation: E = F / q (V/m) ou F est la force mesurée (N) et q la charge (C) concentrée sur la surface. En travers des moyens variés, piezo-électriques, capacitifs etc; il est possible de traduire cette force en tension électrique, qui quand appliquée à l'extérieur de l'instrument de mesure pour des particules atmosphériques fait que le dit instrument excerce un champ électrique du même niveau sur les particules que le champ électrique ambiant, ainsi garantissant leur captage équilibré. Un nuage de particules atmosphériques peut porter une grande quantité de charges électriques dans un volume donné, aussi appelé charge d'espace, qu' elle est capable d'induire des champs électriques tellement forts sur des objets pointus, qu'une décharge gazeuse peut être le résultat. Cette action a une grande importance dans l'atmosphère parce que les produits de la décharge seront capables de modifier les caractéristiques de ces particules atmosphériques, il est possible en utilisant l'électrode centrale pointue à l'extrémité comme des moyens d'observation de charge d'espace ou le courant résultant sera une indication de la charge d'espace présente seulement quand celà dépasse une certaine valeur seuil. En appliquant des voltages en polarisation opposée à deux électrodes plates ou demi cylindriques situées autour de l'électrode centrale, il est possible d'obtenir un courant qui varie avec la quantité de charge d'espace disponible dans l'espace entre les électrodes en regardant le voltage seuil pour déclencher un courant par décharge couronne dans l'électrode centrale. Ce voltage de seuil Vo varie avec la charge d'espace S par l'équation dVo = ( k . S ) / e (V) ou dVo est la variation de voltage seuil pour le démarrage de décharge couronne, k une constante du système, e la permitivité de l'espace libre, et une observation permanante de ce seuil est un moyen d'observation de charge d'espace présente. Les particules rentrant dans le chemin d'écoulement d'air passent par des moyens de charge contrôlable, qui contiennent une section capable de générer des ions gazeux utilisant par exemple par décharge couronne et qui est contrôlée en fonction des différents modes d'opération de l'instrument, par exemple pour avoir une impression de surface des particules atmosphériques, des moyens de charge contrôlable débitent un nombre de ions constant, qui seront collectés sur une électrode en donnant un courant électrique. Quand un nuage de particules atmosphériques passe par cette région, ils interceptent un nombre de ces charges ce qui fait diminuer le courant collecté. Supposons la méthode de charge est celle par bombardement ionique qui fait que la variation dIc est donnée par la relation dIc = fonction (dp2, N) ou dp est la taille des particules et N leur nombre, ce qui veut dire que la variation dIc nous indique la surface des particules atmosphériques ou une correction pour leur charge initiale est possible en utilisant le signal obtenu par des moyens d'observation de charge d'espace. Pour des particules atmosphériques plus grandes comme par exemple des pollens et spores qui arrivent en général en nombre réduit, la mesure de diminution de courant collecté dans des moyens de charge contrôlable ne correspond plus et leur mesure se fait dans des moyens d'observation des particules atmosphériques ou elle se trouve entre autre une électrode circulaire connectée à l'entrée d'un amplificateur travaillant dans le mode de suiveur de voltage qui est entouré par une électrode dite de garde connectée à la sortie du dit amplificateur. La charge résultant sur ces grandes particules atmosphériques après des moyens de charge contrôlable font induire une charge mirroir dans cette électrode circulaire qui provoque un voltage variable à l'entrée de l'amplificateur, le même voltage variable sera communiqué à l'électrode de garde, permettant de suivre l'évolution de charge mirroir très proche. La variation de voltage de la sortie de l'amplificateur contient l'information sur la charge de cette particule et sa surface avec la possiblité de correction des valeurs obtenues par des moyens d'observation de charge d'espace et la fréquence des variations dépend du nombre de particules qui traverse les électrodes des moyens d'observation des particules atmosphériques. Un autre mode d'opération des moyens de charge contrôlable est l'utilisation de la méthode de charge par diffusion avec des ions en quantité variable de polarité négative, et c'est dans ce mode que l'air en traversant les moyens d'observation des particules atmosphériques est refroidi ou humidifié pour que l'humidité relative atteint une valeur proche de 100%. La présence des ions négatifs favorise la condensation de vapeur d'eau sur des particules présentes dans l'écoulement de l'air, formant ainsi un brouillard facilement détectable avec un système optique qui fait part des moyens d'observation des particules atmosphériques comprenant un émetteur et un détecteur photoélectrique. Le niveau d'ionisation nécessaire pour la formation de brouillard est une caractéristique forte interessante de l'air contenant des particules atmosphériques, il est clair qu'une telle information de cet air est aussi possible en produisant une ionisation constante dans des moyens de charge contrôlable et une variation graduelle de l'humidité relative. Des moyens de captage permettent de capter les particules atmosphériques en utilisant l'expansion adiabatique, ou l'air aspiré peut se détendre rapidement dans une atmosphère humide, ce qui provoque une diminution de la température de vapeur d'eau et une condensation autour des particules présentent modifiant alors leur mobilité mécanique et permettant alors leur captation par moyens simples comme par exemple impactation. Le liquide contenant des particules atmosphériques captées peut être analysé par différents moyens en dehors de l'instrument. L'information obtenue par des moyens d'observation de charge d'espace, moyens de charge contrôlable et moyens d'observation des particules atmosphériques peut servir pour la séparation des différentes époques de captage dans les résultats de ces analyses L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre du mode de réalisation, et en se référant aux dessins annexés sur lequels: La figure 1 montre un exemple de mode de réalisation de l'invention; et Les figures 2 et 3 montrent un mode différent de réalisation des moyens de captage qui est utilisé dans l'invention Sur la figure 1, des moyens d'équilibrage électrique précités comprennent une membrane (1) électret sur la partie extérieure soumise au champ électrique et métalisée à l'intérieur ou se trouvent face à face deux électrodes (2) et (3). Electrode circulaire (2) est mise à la masse et le coté métallique de la membrane est polarisé par source (4) de telle façon qu'il existe une force d'attraction entre le coté métallique de cette membrane et électrode (2) En utilisant un générateur de tension alternative (5) en combinaison avec un condensateur (6) et résistance (7), il est possible de moduler la force et par conséquent la distance entre le coté métallique de la membrane (1) et électrode (3), qui reçoie alors une induction électrostatique variable produisant après passage du condensateur (8) une tension variable sur résistance (9). Quand un champ électrique est présent devant le coté électret de la membrane (1), dépendant sa polarité il fait varier la force entre le coté métallique de la membrane et électrode (2), ce qui résulte en une variation de la capacité entre ledit coté et électrode (3) modifiant alors l'amplitude de la tension variable sur résistance (9) en fonction du champ électrique présent devant le partie électret de la membrane (1). Un dispositif adéquate (10) transforme cette information en une tension qui permet à l'extérieur de l'instrument de mesure des particules atmosphériques de produire un champ électrique similaire avec celui observé sur le coté électret de la membrane (1). Des moyens d'observation de charge d'espace précitée comprennent une électrode centråle(12) avec une extrémité qui comprend une ou plusieurs pointes et qui est entourée par deux électrodes plates ou semi circulaires (13) situées dans une partie du système d'aspiration de l'air à analyser précité. Le courant reçu par l'électrode centrale (12) traverse la résistance (11) ainsi dépendant sa polarité d'une des diodes (14). Ce courant va charger la capacité correspondante (15) jusqu'à un niveau déterminé par un dispositif (16) qui devient conducteur quand un certain seuil appliqué sur ces bornes est dépassé. L'énergie stockée dans le condensateur (15) sera dissipée dans le dispositif (17) qui le transforme par exemple en impulsion optique et ce signal sera reçu par capteurs (18) Un tel couplage augmente la sécurité de l'instrument parce qu'il y a régulièrement des occasions que la charge d'espace atmosphérique est capable d'induire de très forts courants dans l'électrode centrale (12). Pour éviter les problèmes dans ce cas là, ces courants sont envoyés vers la terre à travers un éclateur (19). Les signaux obtenus par capteurs (18) sont utilisés pour la mesure et le contrôle (40) mais aussi pour piloter des alimentations (20) et (21) de telle façon que même une charge d'espace trop faible pour produire un courant mesurable dans électrode (12) sera mesurée par la modification qu'elle produit dans le niveau de voltage nécessaire à appliquer (20), (21) entre une des électrodes (13) et l'électrode centrale (12) pour dépasser le seuil de décharge couronne Des moyens de charge contrôlable précitée comprennent une électrode centrale (22) dans la forme d'un fil, pointu ou autre, branché sur une alimentation de haut voltage (23) variable en tension et en polarité, protégé par un déflecteur (24) contre le flux de l'air se trouve une électrode cylindrique trouée ou en forme de grille (25) qui est entourée à une certaine distance par une autre électrode cylindrique (26), qui à son tour est entourée par le conduit du système d'aspiration de gaz à analyser (27) qui contient à la partie supérieure un chapeau (28) pour le protéger contre les intempéries. Les particules atmosphériques qui rentrent avec le flux d'air (29) dans des moyens de charge contrôlable sont guidées par déflecteur (24) de telle façon qu'elles passent entre électrode (25) et électrode (26). En appliquant une tension suffisante entre électrode (22) et (25) qu'une décharge couronne est formée proche de l'électrode (22) des ions ainsi produits passent pour une partie au travers électrode (25) qui devrait avoir une certaine tranparence ionique,permettant de charger des particules traversant l'espace entre électrode (25) et (26). Dépendant du potentiel et de la polarité existants entre ces deux lesdites électrodes les particules seront chargées par diffusion , par bombardement ou les deux, cette tension est controlée par dispositif (40) Electrode (30) controlera alimentation (23) pour une génération ionique constante au travers dispositif (40) au cas ou ce mode de contrôle est demandé, au cas ou une génération ionique variable serait démandée, le niveau de celà peut être observé par électrode (30) et indicateur (32). Electrode (31) observe le courant traversant l'électrode transparente (25) et observe ainsi la quantité de courant intercepté par les particules atmosphériques traversant l'espace entre les électrodes. L'information obtenue est envoyée vers un contrôleur central (40). le courant de l'air sortant des moyens de charge contrôlable emportant les particules atmosphériques est recentré dans conduit (27) par déflecteur (33) Ce ledit air rentre dans les moyens de mesure des particules atmosphériques ou se trouve, dans le conduit, une électrode cylindrique (34) connectée à 1' entrée d'un amplificateur (35) fonctionnant dans le mode suiveur, ladite électrode est entourée par une autre électrode (36) connectée à la sortie de l'amplificateur. Des particules atmosphériques relativement grandes seront capables d'induire une charge mirroir dans l'électrode (34) produisant une tension à l'entrée de l'amplificateur (35). La même tension sera appliquée à électrode (36), réduisant ainsi l'effet capacitif interélectrode et améliorant le e temps de réponse du signal sortant de l'amplificateur (37) qui contient l'information concernant le nombre de particules et leur charge, des corrections sur ce signal sont possibles en utilisant dispositif (40) Dans le même conduit du système d'aspiration de l'air à analysé se trouve un dispositif (38) capable de modifier le degré d'humidité relatif dans le conduit par exemple en changeant la température et ou l'humidité absolus, proche de ce dispositif se trouve un émetteur de lumière (39) situé dans la paroi du conduit. Opposé dans ladite paroi se trouve un récepteur de lumière (41) connecté à amplificateur (42) qui quand le signal sur récepteur (41), diminue du à la présence de particules atmosphériques, augmente l'intensité de l'émetteur (39) de telle façon que la lumière reçue sur récepteur (41) reste constante. Ce sont les variations du signal (43) qui indiquent la présence des particules atmosphériques et peuvent être connectées au dispositif de contrôle (40) En sortant des moyens de mesure des particules atmosphériques les particules sont captées dans des moyens de captage ou l'air entre par entrée (44) et est compressé dans tube (45), à la sortie (46) l'air est expansé provoquant une décompression qui fait que liquide (47) ou dispositif (48) contrôle le niveau est aspiré par tube (49) et atomisé par le fort écoulement de l'air. Les particules atmosphériques contenues dans cet air servent quand elles sont petites comme noyaux de condensation une action qui fait augmenter fortement leur taille, qui sera dans le même ordre de grandeur de celui des particules atmosphériques grandes. En utilisant un système simple de captage comme par exemple un impacteur (50) il est possible d'intercepter les particules atmosphériques grandes et petites, qui se trouvent au fond de la cuve (51) ou elles peuvent sortir par capilair (52) et collecter par exemple sur un disque rotatif (53) laquellé position est contrôlée par exemple par un moteur pas-a-pas et ou par des moyens d'observation de champ électrique en travers le dispositif de contrôle (40). Le système d'aspiration de l'air à analyser utilise un ventilateur ou pompe (54) pour l'introduction d'écoulement. Le figure 2 montre le cas ou l'écoulement de l'air est trop important pour le système précité ou il est possible d'utiliser un autre dispositif. Ici les moyens de captage se forment avec un nombre de profils (55) arrangés de telle façon que l'air passe au travers. Les parois de ces profils sont humidifiées par réservoir (56) en travers distributeur (57) et l'humidification est contrôlée par dispositif (59), le liquide contenant des particules atmosphériques est collecté par réservoir (60) d'ou il sort par exemple pour l'analyse par tube (60). La figure 3 montre l'action d'expansion adiabatique dans la section profilée. ou l'air rentre par ouvertures (61) qui se trouvent entre les profils (62). L'air comprimé dans section (63) est expansé dans volume(64) créé par un autre profil (65) ou l'humidité est de tel que la condensation transforme les particules atmosphériques en fines goutelettes qui seront déposées sur les parois dans partie (66) par impaction et interception ou l'écoulement de liquide avec la force de gravité fait leur évacuation. L'air sort des moyen de captage par (67) REVENDICATIONS 1. Instrument de mesure de particules atmosphériques, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'équilibrage électrique utilisant une membrane électret (1), destinée à communiquer un champ électrique à l'instrument, des moyens d'observation de charge d'espace constituant une électrode centrale(12) et un système d'électrodes parallèles (13) comportant un passage de l'air dans son espace interélectrode en utilisant le système d'aspiration de l'air à analyser et de sources de tension variable (20), (21), un système de mesure de courant (14),(15),(16),(17) un couplage optique (18), un dispositif de contrôle général (40), des moyens de charge contrôlable constituant une source d'ions (22), une électrode cylindrique avec une transparence pour des ions (25), une électrode cylindrique (25) pour le contrôle de mode de charge , des électrodes (30), (31) pour le contrôle de niveau de charge par le dispositif de contrôle général (40), des moyens de mesure des particules atmosphériques, constituant de deux électrodes (34),(36) observant la charge emportée par des grosses particules atmosphériques, un système capable de varier l'humidité relative (38), un système optique (41), (39), pour la mesure des particules atmosphériques, des moyens de captage constituant un système de détente adiabatique (46), un système d'humidification(47),(48), un système de captage de particules (50), un système permettant l'analyse des particules atmosphériques(51),(52),(53). 2 Instrument de mesure des particule atmosphériques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de captage consistent en un nombre de profils (55), (61),(65) entraînent l'expansion adiabatique de l'air ,un système d'humidification (56), (57), (59), un système de captage des particules (66) et un système de collection des particules(60)