Brevet FR2935490A1 — publié le 20100305

-1- Procédé de mesure instantanée et continu de particules ou de pollens dans l'air et dispositif associé La présente invention a pour objets un procédé de mesure instantanée et continu de particules ou de pollens dans l'air en vue de prévenir les personnes fragiles, notamment les asthmatiques et les personnes atteintes de maladies cardio-vasculaires, des risques encourus si elles s'exposent dehors à un air trop pollué et son dispositif associé. Ledit procédé convient, comme cela va ressortir de son descriptif, pour détecter dans l'environnement immédiat d'une personne et instantanément, les polluants particulaires dans l'air que l'on respire, qui seraient au delà d'un seuil jugé dangereux par les services de santé, et pour avertir ces personnes individuellement. Il est connu que les personnes présentant des gênes respiratoires, comme les asthmatiques et les personnes atteintes de maladies cardio-vasculaires, en présence de polluants notamment particulaires, doivent limiter leurs sorties en cas de dépassement de seuils de certains polluants et même limiter leur activité physique. Jusqu'à présent, lorsque ces personnes souhaitaient savoir si elles pouvaient sortir de chez elles sans risque vis-à-vis des polluants tels que les particules, elles devaient s'informer (télévision, radio...) sans être sûr de cette information sur le plan localisation ou qu'un pic de pollution ne survienne sporadiquement dans la journée. De plus, lorsque la personne est loin de toute source d'information, elle ne dispose d'aucune autre solution de prévention. S'il existe des appareils de mesure des particules dans l'air, notamment à base de procédé optiques, ils sont peu autonomes, encombrants et ne peuvent pas fonctionner pour des particules trop différentes ou en nombre trop élevé. De plus, leur prix élevé (>5 000 Euro) et leur complexité rendraient leur utilisation inadaptée aux enfants. Il existe aussi des petits appareils de prélèvement en vue d'une analyse, mais le résultat est disponible bien trop tard car il faut envoyer l'échantillon à un laboratoire. Enfin, il existe bien des appareils utilisant des micro balances basés sur le principe du changement de fréquence de résonnance d'éléments piézoélectriques, mais ces appareils fonctionnent sur le principe de l'accumulation de particules sur un filtre disposé sur un élément piézoélectrique ou sur une tige mise en résonance (Tapered Element Oscillating Microbalance) et ne peuvent donc pas donner une valeur instantanée et en continu. Par exemple les brevets US 3926271, US 4294105, US 6972841 ou WO/1994/007121A1 décrivent de tels dispositifs. Patashnick and Rupprecht décrivent bien le TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance) comme une méthode trés prometteuse (voir: � continuous PM 10 measurements using the Tapered Element Oscillating Microbalance � paru dans Journal Air Waste Management Association 41 :1079, 1991). 2935490 -2- Suivant cette méthode TEOM, l'air prélevé est chauffé à 50°C pour enlever l'humidité et les particules sont collectées sur un filtre en Téflon à l'extremité d'une longue tige rigide mise en résonnance. L'amplitude de cette oscillation diminue alors avec la masse collectée sur le filtre. Bien que cette méthode soit trés sensible, sa limite de 5 détection est de l'ordre de 1 nanogramme/cmz de surface de filtre ce qui implique que la mesure doit être faite sur une période assez longue pour qu'une quantité suffisante de matière se dépose sur le filtre. Or les teneurs en particules qu'il faut mesurer dans l'air sont de l'ordre du nanogramme par litre d'air et une particule de diamètre 1 �m pèse moins de un 10 picogramme. Cette méthode ne permet donc pas de mesurer instantanément et en continu des particules aussi petites avec une concentration aussi faible. De plus, cette méthode est sujette à beaucoup d'interférences qui conduisent à une sous estimation du nombre de particules dans l'air: * Une grande partie des composés semi-volatiles n'est pas prise en compte, 15 * De même avec les composés instables comme le nitrate d'ammonium, part importante des PM 2.5 qui vont jusqu'aux voies respiratoires inférieures, * La mesure se faisant sur une longue période (pouvant aller jusqu'à une semaine), de nombreuses désorptions ont lieu ainsi que certaines réactions avec les composants des particules et l'air qui sur cette période n'est pas lui même constant (en humidité, 20 quantité de polluants...). Cette méthode ne peut donc absolument pas donner une valeur instantanée de la concentration particulaire dans l'air, information essentielle pour les personnes fragiles comme les asthmatiques ou les malades cardio-vasculaires afin qu'elles puissent se mettre à l'abri et/ou adapter leur activité (ne pas courrir, se calmer...) 25 afin d'éviter une crise grave. De surcroît, ces appareils sont chers et encombrants. La présente invention permet d'éliminer le problème principal de la méconnaissance de la présence d'un risque pour les personnes fragiles, par un procédé et un dispositif miniature simple, fiable et peu onéreux qui les avertira de façon certaine en cas de dépassement de seuil des polluants particulaires. 30 Le procédé objet de la présente invention permet de connaître instantanément et en continue la masse des particules dans l'air en mesurant la variation de la fréquence (du courant ou de l'impédance) d'au moins un élément piézoélectrique mis en résonnance, due à l'impact des dites particules sur le dit élément piézoélectrique. Suivant une disposition préférée de la présente invention, on utilise deux éléments 35 piézoélectriques mis en résonnance qui sont disposés parallèlement à une distance comprise entre 10 mm et 0,001 mm. Préférentiellement, on fait circuler l'air dont on veux mesurer la teneur en particules entre les deux éléments piézoélectriques gràce à un ventilateur ou une pompe à air. 2935490 -3- Les deux éléments piézoélectriques sont suffisamment rapprochés afin que l'impact d'un élément piézoélectrique sur les particules conduise à projeter les particules vers le deuxième élément piézoélectrique qui fait de même et ainsi de suite pour qu'il y ait ainsi un nombre accru d'impacts qui permettront d'amplifier l'énergie cinétique 5 absorbée par les éléments piézoélectriques permettant ainsi une mesure amplifiée de la variation en fréquence, en impédédance ou en courant du signal produit. Suivant une autre disposition préférée de la présente invention, les dits éléments piézoélectriques sont mis en résonnance en mode longitudinal ou transversal ou une association des deux modes afin que les particules recoivent un impact 10 perpendiculaire à la surface des éléments piézoélectriques. Les dits éléments piézoélectriques peuvent également être revêtus d'un matériau hydrophobe pour éviter leur encrassement et/ou être mis en résonnance périodiquement à une fréquence différente et adaptée au détachement des particules afin d'opérer à un nettoyage. Suivant une autre disposition préférée de la présente invention, les dits éléments 15 piézoélectriques ont la forme d'un cylindre ou d'une partie de cylindre et sont disposés en arc de cercle concentrique autour du flux d'air envoyé par le ventilateur et donc mis en rotation. La figure 1 montre la vue d'un exemple de dispositif selon l'invention avec deux éléments piézoélectriques (1) et (2) sous forme de fine lames reliées par les 20 connecteurs (3) au circuit de mise en résonnance et d'analyse du signal (4) et entre lesquels circule l'air devant être analysé (8). Ces éléments piézoélectriques sont judicieusement disposés par rapport au flux d'air rotationel (9) envoyé par le ventilateur (5) pour qu'une tranche granulométrique précise les traverse afin de pouvoir fournir en plus de l'information sur la masse des particules, une information 25 sur leur dimension : par exemple les particules inférieure à 2,511m (PM2.5), comprises entre 1 et 10 gin (PM10) ou supérieures à 10 gm (certains pollens). Cette disposition est basée sur un espacement entre l'axe (7) du ventilateur (5) et l'axe (6) des éléments piézoélectriques en arc de cercle (1) et (2) De plus, compte tenu du caractère trés centré de la granulométrie des pollens (2411m 30 par exemple pour celui du bouleau) la disposition de ces éléments peut être fixée pour que les particules d'un diamètre particulier passent entre deux éléments piézo-électriques ce qui permet de mesurer spécifiquement cette tranche granulométrique et donc de mesurer les pollens. En effet, compte tenu que la répartition granulométrique des particules dans l'air est habituellement trés étale, si un grand nombre de particules 35 de même diamètre et identique à celui d'un pollen spécifique est mesuré alors il est fort probable qu'il s'agit du pollen du diamètre correspondant. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention met en oeuvre également un circuit électronique permettant d'analyser le changement de 2935490 -4- fréquence, de courant ou d'impédance des dits éléments piézoélectriques dû à l'impact des particules, afin de comparer les valeurs de concentrations particulaires avec les seuils réglementaires des polluants et d'alerter individuellement les personnes d'un dépassement d'un seuil de pollution de l'air, nuisible pour la santé. 5 Une alarme visuelle (une diode électroluminescente, un affichage à cristaux liquides), sonore (buzzer) ou vibrante (vibreur), fiable pourra ensuite être donnée via un circuit électronique gérant les niveaux d'alertes. Une première application est un dispositif d'alerte individualisée au poignet ou à la ceinture, qui alerte les asthmatiques ou les malades cardio-vasculaires de la présence 10 d'un pic de pollution au particules ou de pollens afin qu'ils adaptent leur activité et évite ainsi une crise d'asthme ou un infarctus.