Brevet FR2865807A1 — publié le 20050805

DISPOSITIF PERMETTANT DE COLLECTER ET DE COMPTER DES AEROSOLS DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif permettant à la fois de collecter et de compter des aérosols. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les aérosols sont des particules solides en suspension dans l'air ou d'autres gaz. Leurs tailles s'étendent de quelques fractions de nanomètres à quelques centaines de micromètres. Pour les caractériser de façon simple, on les classe selon leur distribution en taille de particules et leur concentration par unité de volume. Ces informations sur la taille et la concentration des aérosols jouent un rôle primordial dans de nombreux domaines, et en particulier dans les environnements industriels clos. On parle alors de contaminants particulaires et de classe de propreté. Par exemple, la norme ISO 14644-1 traite de la classification de la propreté de l'air dans les salles propres et les environnements apparentés. Bien souvent, ces informations sont obtenues au moyen de compteurs de particules ou de compteurs à noyaux de condensation qui déterminent le niveau de contamination ou d'empoussièrement de l'air présent dans une salle. Typiquement, les temps de mesure sont très courts (souvent une minute). La durée de prélèvement dépend en réalité de la classe d'empoussièrement de la zone à caractériser, de la concentration volumique des particules, de leurs diamètres et du débit des compteurs, en général de 2,8 ou 28 1/min. Les compteurs de particules optiques permettent d'obtenir le nombre de particules présentes dans un certain volume de prélèvement gazeux. En effet, ces particules vont occasionner de la diffusion de lumière ou de l'absorption de lumière qui peut ensuite être reliée à la taille de particule supposée sphérique. Toutefois, dans la réalité, les particules sont rarement sphériques et leur comportement optique dépend aussi de leur nature physico-chimique. Sur le même principe que les compteurs optiques, il existe aussi des compteurs à noyaux de condensation. Ces compteurs ne sont utilisables que pour déterminer des tailles de particules inférieures au micromètre. Dans ce cas, le fluide vecteur des particules à détecter est tout d'abord saturé avec une vapeur d'eau ou d'alcool, puis refroidi de façon à sursaturer cette vapeur. Dans ces conditions, les molécules de vapeur se condensent sur les particules à détecter présentes dans le fluide vecteur. Ainsi, les particules à détecter grossissent et peuvent être détectées optiquement. La taille de la particule détectée dépend alors de la tension superficielle de la particule, c'est-à-dire si elle a un caractère hygroscopique ou non. Le problème des informations obtenues par ce biais est qu'elles se révèlent bien souvent insuffisantes. En effet, lorsqu'on recherche l'origine et le comportement des aérosols, la caractérisation morphochimique, c'est à dire la détermination de la forme et de la composition chimique des aérosols, s'avère aussi nécessaire. Pour obtenir des informations sur la forme et sur la composition chimique des aérosols, on peut utiliser un impacteur à cascade. Cet appareil permet de récupérer sur des films ou des tamis des particules de différentes tailles. Ces particules ainsi collectées peuvent ensuite être analysées pour des analyses physico-chimiques. Les impacteurs en cascade à détection électrique (ELPI pour Electrical Low Pressure Impactor en anglais) permettent de mesurer en temps réel la granulométrie pour des diamètres compris entre 30 nm et 10}gym. Par contre, pour établir la granulométrie, les particules ne sont pas analysées individuellement. De plus, la sensibilité de cet appareil est faible. En effet, il est de deux particules par cm3 pour des particules de 1 pm. En pratique, le faisceau laser est focalisé sur la cellule pour améliorer la sensibilité de la mesure. Une photodiode située perpendiculairement au rayon émis mesure la quantité de lumière diffusée par une particule individuelle traversant le faisceau laser. La lumière diffusée correspond à la résultante des rayons diffractés, réfléchis et réfractés par la particule présente dans le faisceau incident. La géométrie de la cellule et la focalisation du faiscau permettent de limiter l'erreur de coïncidence, c'est-à-dire la probabilité pour que deux particules soient au même instant au même endroit. L'intensité de la lumière diffusée étant proportionnelle à la taille des particules, on classifie en taille les particules selon l'amplitude du signal généré par la photodiode. EXPOSÉ DE L'INVENTION Le dispositif selon l'invention présente 10 les avantages cumulés du compteur de particules et de l'impacteur, sans en avoir les inconvénients. Le dispositif selon l'invention est un dispositif permettant de compter et de collecter des aérosols présents dans un fluide gazeux. Ce dispositif comporte: - un moyen de prélèvement permettant de prélever une quantité connue dudit fluide gazeux, - une cellule destinée à recevoir ladite quantité connue dudit fluide gazeux, - un laser permettant d'envoyer un faisceau à travers la cellule, - un photodétecteur apte à détecter le faisceau laser après son passage dans la cellule, - un moyen de collecte des aérosols aspirés dans le 25 dispositif, ledit moyen de collecte étant placé en sortie de la cellule, - un moyen d'évacuation dudit fluide gazeux après la collecte des aérosols. Selon un mode de réalisation particulier, 30 le dispositif est caractérisé en ce que le moyen de prélèvement permettant de prélever une quantité connue du fluide gazeux, la cellule destinée à recevoir ladite quantité connue dudit fluide gazeux, le laser permettant d'envoyer un faisceau à travers la cellule, le photodétecteur apte à détecter le faisceau laser après son passage dans la cellule et le moyen d'évacuation du fluide gazeux après la collecte des aérosols sont compris à l'intérieur d'un boîtier, et en ce que le dispositif comporte: - un moyen permettant de faire circuler les aérosols 10 prélevés de la sortie de la cellule jusqu'à un premier point extérieur au boîtier, - un moyen permettant de faire circuler les aérosols prélevés d'un deuxième point extérieur au boîtier jusqu'à l'entrée du moyen d'évacuation du fluide gazeux après la collecte des aérosols, - un moyen permettant de faire circuler les aérosols prélevés du premier point jusqu'au deuxième point, ledit moyen comprenant le moyen de collecte des aérosols aspirés dans le dispositif. Avantageusement, le moyen de collecte des aérosols aspirés dans le dispositif est un filtre. Avantageusement, ledit filtre est un filtre démontable. Avantageusement, le filtre est disposé sur un porte-filtre démontable. Le filtre est ainsi facilement accessible pour effectuer la caractérisation des aérosols qu'il contient. Avantageusement, le moyen de prélèvement permettant de prélever une quantité connue du fluide 30 gazeux comprend: - un moyen de prélèvement des aérosols, - une pompe étalonnée. Le moyen de prélèvement des aérosols peut être avantageusement un tuyau. Avantageusement, le dispositif comporte en 5 outre un filtre absolu placé dans le moyen d'évacuation du fluide gazeux. Avantageusement, les moyens permettant de faire circuler les aérosols prélevés sont des tuyaux. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est un schéma illustrant les éléments constituants le dispositif selon l'invention, - la figure 2 est un schéma illustrant un mode de réalisation particulier du dispositif selon l'invention, - la figure 3 est un schéma en coupe latérale du porte-filtre tel qu'il peut être utilisé dans le mode de réalisation particulier présenté dans la figure 2, - la figure 4 est une vue du porte-filtre de la figure 3 selon l'axe AA. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le schéma de principe du dispositif 1 selon l'invention est illustré dans la figure 1. Un tuyau 2 prélève de l'air à analyser et le conduit vers une cellule 3. Puis un laser 4 envoie un faisceau laser 5 à travers la cellule. Le faisceau laser 5 peut provenir par exemple d'une diode laser. Pour diriger le faisceau laser de manière plus précise, on peut disposer sur le chemin optique du faisceau une lentille sphérique 6 suivie d'une lentille asphérique 7. Un photodétecteur 8 est placé sur le chemin optique du faisceau laser, la cellule se trouvant entre le laser et le photodétecteur. On introduit en sortie de la cellule un filtre démontable 9 qui peut être soutenu par un porte-filtre démontable. Notons que le filtre peut être remplacé par un tamis, un film ou tout autre moyen capable de capter les aérosols compris dans l'air prélevé. L'air prélevé est ensuite évacué du dispositif par un moyen 11 d'évacuation. Il peut s'agir par exemple d'un tuyau qui va diriger l'air vers l'extérieur du dispositif. Avantageusement, l'air prélevé peut passer dans une pompe étalonnée 10 avant d'être évacué. On peut également placer un filtre absolu à l'intérieur du moyen d'évacuation 11. En général, on place un filtre absolu avant l'évacuation de l'air dans les zones à empoussièrement contrôlé de façon à épurer l'air des quelques particules présentes dans les aérosols et non retenues par le moyen de collecte. La pompe étalonnée 10 permet de connaître le volume d'air prélevé ; on peut ainsi connaître la concentration d'aérosols dans l'air, c'est-à-dire le nombre de particules par unité de volume de gaz considéré (ce gaz peut être différent de l'air). L'ajout du filtre absolu permet de traiter l'air évacué du dispositif afin d'éliminer tout risque de pollution par les particules des aérosols concentrées dans le compteur. Le photodétecteur 8 recueille le faisceau laser après son passage dans la cellule 3. On obtient alors des informations sur les interactions qui ont eu lieu entre le faisceau laser 5 et les aérosols 12 présents dans la cellule. La diffusion ou l'absorption de la lumière laser par les particules supposées sphériques pour un volume d'air pompé connu permet de remonter à l'information souhaitée du nombre de particules de taille définie par unité de volume de gaz. On rappelle que le volume de gaz prélevé dans le dispositif est connu grâce à la présence de la pompe étalonnée. La référence 13 représente le flux d'air circulant de la cellule au filtre, puis à la pompe. Ce flux d'air peut par exemple être transporté par des tuyaux. Le schéma illustré dans la figure 2 représente un compteur de particules standard que l'on a modifié pour qu'il soit capable de collecter les particules des aérosols analysés sur des membranes avant identification et études spécifiques. Le compteur de particules est un compteur de particules discret photométrique disponible dans le commerce (par exemple, un compteur de marque METONE ou Lighthouse), comportant, à l'intérieur d'un boîtier 21, un tuyau de prélèvement de l'air à analyser 22, un laser 23, une cellule 24 et un photodétecteur, et un moyen d'évacuation de l'air 26. Dans cet exemple, une pompe étalonnée 25 a été placée avant le moyen d'évacuation de l'air 26. Le moyen d'évacuation de l'air 26 peut éventuellement être équipé d'un filtre absolu. Le compteur de particules comporte, en sortie de la cellule 24 et avant la pompe d'étalonnage 25 un porte-filtre 27 démontable comprenant un filtre. Il est plus aisé de disposé le porte-filtre 27 à l'extérieur du compteur de particules, car il y a plus d'espace et le filtre pourra plus facilement être retiré pour étudier les aérosols qu'il contient. La dérivation de l'air sortant de la cellule 24 pour aller sur le filtre de prélèvement peut être réalisée à l'aide de tuyaux. Un tuyau 28 est utilisé pour transporter l'air de la cellule jusqu'à un orifice dans la paroi du compteur de particules, un autre tuyau 29 pour aller de cet orifice jusqu'au porte-filtre, un tuyau 30 pour transporter l'air du porte-filtre jusqu'à un orifice dans la paroi du compteur de particules, et un tuyau 31 allant de cet orifice à la pompe étalonnée. Au niveau de la connexion des tuyaux avec les orifices dans la paroi du boîtier 21, on préfère utiliser des clapets avec une connexion male et femelle car ils permettent une fermeture instantanée et étanche dès déconnexion, évitant de ce fait toute pollution soit de l'intérieur du compteur, soit du porte-filtre. Après déconnexion des parties 29, 27 et 30, la membrane présente dans le porte-filtre 27 peut être recueillie pour analyse complémentaire surfacique. Par ailleurs, il est possible de remplacer 30 l'ensemble 40 constitué du tuyau 29, du porte-filtre 27 et du tuyau 30, par un seul tuyau permettant d'effecteur un comptage de particules seul, sans collecte en vue d'une analyse. Le porte-filtre 27 démontable possède deux parties 50 et 51 entre lesquelles est placé le filtre 52. Avantageusement, les parties 50 et 51 ont une structure particulière qui permet une circulation homogène de l'air sur toute la surface collectrice du filtre 52. Par exemple, les parties 50 et 51 peuvent avoir un fond indenté, c'est-à-dire présenter des zones creuses 53 et des zones pleines 54 (voir les figures 3 et 4). La nature du filtre utilisé pourra être adaptée aux besoins des méthodes d'analyses et des informations que l'on souhaite recueillir. La nature physico-chimique du filtre de collecte peut être modifiée à loisir pour représenter les caractéristiques physico-chimiques de surface des matériaux à contrôler. Par exemple, on peut utiliser un filtre en polycarbonate ou en téflon à différents seuils de coupure, un filtre métallique ou un filtre céramique. Ces filtres pourront alors, outre la caractérisation particulaire, être utilisée pour caractériser les molécules gazeuses potentiellement adsorbées à leur surface. Rappelons que les membranes ou filtres sont répertoriés suivant leurs seuils de coupure exprimés soit en taille de particules retenues, soit par le poids moléculaire. Pour un classement par taille de particules, plus le seuil est bas, plus la taille des particules prélevées est petite, et plus l'efficacité de la filtration est grande. L'avantage du dispositif selon l'invention est qu'il permet d'obtenir la concentration en volume des particules prélevées et de collecter sur un filtre ces particules qui ont été effectivement comptées de façon instantanée. Ainsi, on peut décider de prélever le filtre au vu des données instantanées de comptage sans perturber ledit comptage. Ces filtres de collecte peuvent ensuite être analysés et observés pour une caractérisation physico-chimique des particules. Cette analyse peut être réalisée en associant le dispositif selon l'invention à des moyens de caractérisation physico-chimique (MEB-EDS, FTIR...). Il est à noter que les particules prélevées sont comptées si elles ont un diamètre compris entre 0,5 et 15 m en moyenne. Les applications industrielles de ce dispositif sont nombreuses. Le dispositif selon l'invention fabriqué à partir d'un compteur de particule normalisé répond aux exigences de la norme ISO 14644-1. Il peut donc être introduit de la même façon dans des environnements ultra propre sans polluer l'environnement. Il peut aussi être utilisé dans la science et l'industrie des aérosols, dans les salles à empoussièrement contrôlé, les salles à filtration de l'air, en optique, dans les lasers, l'aérospatial, l'électronique, les circuits intégrés, l'agroalimentaire, la pharmacie et dans les nanotechnologies des poudres. t REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) permettant de compter et de collecter des aérosols (12) présents dans un fluide gazeux, le dispositif comportant: - un moyen de prélèvement permettant de prélever une quantité connue dudit fluide gazeux, - une cellule (3) destinée à recevoir ladite quantité connue dudit fluide gazeux, - un laser (4) permettant d'envoyer un faisceau (5) à travers la cellule (3), - un photodétecteur (8) apte à détecter le faisceau laser (5) après son passage dans la cellule (3), - un moyen de collecte (9) des aérosols aspirés dans le dispositif (1), ledit moyen de collecte (9) étant placé en sortie de la cellule (3), - un moyen d'évacuation (11) dudit fluide gazeux après la collecte des aérosols. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que: le moyen de prélèvement permettant de prélever une quantité connue du fluide gazeux, la cellule (3,24) destinée à recevoir ladite quantité connue dudit fluide gazeux, le laser (4,23) permettant d'envoyer un faisceau (5) à travers la cellule (3,24), le photodétecteur (8) apte à détecter le faisceau laser après son passage dans la cellule (3,24) et le moyen d'évacuation (11,26) du fluide gazeux après la collecte des aérosols sont compris à l'intérieur d'un boîtier (21), - le dispositif comporte: un moyen (28) permettant de faire circuler les aérosols prélevés de la sortie de la cellule (3) jusqu'à un premier point extérieur au boîtier (21), - un moyen (31) permettant de faire circuler les aérosols prélevés d'un deuxième point extérieur au boîtier jusqu'à l'entrée du moyen d'évacuation (11) du fluide gazeux après la collecte des aérosols, - un moyen (40) permettant de faire circuler les aérosols prélevés du premier point jusqu'au deuxième point, ledit moyen comprenant le moyen de collecte (9,52) des aérosols aspirés dans le dispositif. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de collecte (9,52) des aérosols aspirés dans le dispositif est un filtre. 4. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit filtre est un filtre démontable. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le filtre est disposé sur un porte-filtre (27) démontable. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen 30 de prélèvement permettant de prélever une quantité connue du fluide gazeux comprend: - un moyen de prélèvement (2,22) des aérosols, - une pompe étalonnée (10,25). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un filtre absolu placé dans le moyen d'évacuation (11,26) du fluide gazeux. 8. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (28,31,40) permettant de faire circuler les aérosols prélevés sont des tuyaux.