Compteurs et granulomètres

Un SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) se divise en deux composantes : un classificateur électrostatique; et un compteur de particules par condensation (CPC). Nous disposons dans cette étude d’un SMPS TSI (DMA 3080, CPC 3775) qui permet d’obtenir la distribution granulométrique des particules comprises entre 14 et 661 nm.

Classificateur électrostatique

Le classificateur électrostatique permet de sélectionner les particules selon leur taille. Ce dernier est schématisé figure 16 a).

A l’entrée du classificateur un impacteur permet d’éliminer les particules qui sont hors gamme de détection de l’appareil. Trois impacteurs sont disponibles, de diamètres d’orifice d’entrée W de 0,071 cm, 0,0508 cm et 0,0457 cm. Le diamètre de coupure correspond au diamètre aérodynamique à partir duquel 50 % des particules sont arrêtées, il est déterminé selon l’équation 29 : CQ 4 W Stk 9 D 3 50 _ρ µ π = Équation 29

avec Stk : nombre de Stokes = 0,23 µ : viscosité du gaz (g.cm-1.s-1) ρ : densité des particules (g.cm-3)

C : coefficient de correction de Cunningham Q : débit d’entrée (cm3.s-1)

a) b)

a) b)

a) b)

Figure 33 : a) Schéma de principe du classificateur électrostatique ; b) Schéma de principe du Differential Mobility Analyzer (DMA). Source : TSI 3080 et TSI 3081L.

Le tableau 8 présente les débits d’utilisation optimaux des différents impacteurs, ainsi que les diamètres de coupure correspondant, en considérant ρ = 1 g.cm-3.

W (cm) Débit d’entrée de

l’aérosol (L/min) D50 (nm)

0,071 0,6 - 2,1 979 - 491

0,0508 0,3 – 1,0 812 - 413

0,0457 0,2 - 0,8 850 - 320

Tableau 8 : Débits d’utilisation caractéristiques et diamètres de coupure correspondant aux différents impacteurs utilisés en amont du SMPS.

Ainsi plus l’orifice d’entrée est étroit plus le diamètre de coupure des particules sera petit. De même une augmentation du débit d’entrée conduit à une diminution du diamètre de coupure.

Dans un premier temps les particules sont neutralisées à travers une source radioactive de Krypton 85Kr. Cette neutralisation assure une répartition bipolaire des charges de type distribution de Boltzmann.

Le flux d’aérosol est ensuite acheminé dans le DMA (Differential Mobility Analyzer) au sein d’un flux de garde (sheath flow) filtré dont le débit d’utilisation conseillé est dix fois supérieur au flux d’aérosol. Un schéma du DMA est présenté figure 16 b). Celui-ci est un cylindre dans lequel est appliquée une tension entre les parois de la colonne et l’électrode centrale, créant ainsi un champ électrostatique. Il permet de classer les particules selon leur mobilité électrique Zp (cm2.V-1.s-1). Zp représente la capacité d’une particule chargée à traverser un champ électrique. La mobilité électrique correspond alors au rapport entre la vitesse de la particule et l’amplitude du champ électrique

m p p p D 3 eC n E v Z πµ =

= (voir partie 1.1.6.2). Ainsi la trajectoire des particules sera déviée en fonction de l’intensité du champ et de leur mobilité électrique. Selon la tension appliquée aux bornes des électrodes, seules les particules d’une certaine tranche granulométrique seront extraites. Les autres seront emportées dans le flux de garde puis filtrées. En utilisant le classificateur, on peut effectuer un balayage de cette tension entre 0 et 10 kV et sélectionner des particules de 14 à 661 nm de diamètre.

L’appareil dispose alors de 64 canaux par décade, ces 64 tranches granulométriques sont réparties de façon logarithmique.

Afin de comptabiliser les particules, le classificateur est couplé à un compteur de particules à condensation.

Compteur de particules à condensation

Un schéma de cette appareil est présenté figure 34.

Le flux d’aérosol entrant est mélangé à du butanol gazeux dans une chambre de saturation porté à 39 °C. Ce flux est ensuite refroidi à 14 °C pour permettre la condensation du butanol sur les particules. Ceci a pour but d’augmenter la taille des particules afin de les rendre optiquement détectables. Les particules traversent alors le trajet optique d’une diode laser. Un photodétecteur mesure les impulsions de la lumière diffusée par les particules et permet ainsi d’accéder à leur nombre.

Le CPC TSI 3775 utilisé détecte des particules de tailles comprises entre 4 nm et 3 µm, dans des concentrations inférieures à 107 particules/cm3. Cet appareil utilise deux débits de fonctionnement : 0,3 ou 1,5 L/min qui vont influencer la gamme de taille de particules triée par le classificateur (cf tableau 8).

La mesure de la distribution granulométrique d’un aérosol avec un SMPS prend entre 1 et 3 min. Selon la précision souhaitée. Dans notre étude nous utiliserons fréquemment le CPC seul pour avoir accès à la concentration en particules toutes les secondes.

L’Aerodynamic Particle Sizer (APS)

L’APS est basé sur une technique de mesure de temps de vol des particules et permet de déterminer la distribution granulométrique de particules comprises entre 0,523 et 20 µm avec une résolution de 32 canaux par décade (52 au total). Le schéma de fonctionnement de l’APS est présenté figure 35. Les particules sont accélérées à travers l’orifice d’entrée, à l’aide d’un système de pompes internes. Une des pompes est placée en sortie de l’APS (Total-Flow Pump) et prélève un flux total de 5 L/min. Une autre (Sheath-Flow Pump), disposée en entrée, aspire 4 L/min, ce qui permet de générer un flux d’aérosol de 1L/min à travers un orifice de prélèvement.

Une fois accélérées à travers l’orifice de prélèvement, les particules entrent dans la zone de détection. Le principe consiste à séparer un faisceau laser en 2 faisceaux spatialement distants (entre 90 et 100 µm). La séparation est assurée par la traversée d’un cube polarisateur (prismes de Wollaston).

Chaque particule traverse donc successivement 2 faisceaux laser. La lumière diffusée est collectée par un miroir ellipsoïdal qui focalise la lumière sur une photodiode à avalanche. La quantité de lumière diffusée est alors mesurée par la photodiode qui convertit les impulsions lumineuses en impulsions électriques. Le signal électrique enregistré sera donc une succession de paires d’impulsions, comme on peut le voir figure 36.

La taille aérodynamique d'une particule est déterminée par sa vitesse (les particules les plus grosses étant moins accélérées en raison de leur inertie). Ainsi la mesure de la durée entre deux impulsions successives (∆t compris entre 400 et 800 ns) permet de remonter à la vitesse puis à la taille de la particule (en supposant les particules sphériques de densité constante de 1 g/cm3). Un traitement du signal permet de repérer les signaux issus d’une même particule et de ne pas les confondre avec ceux issus d’autres particules en coïncidence.