3.2 Cas expérimental : système de génération de particules et capteurs d’aérosol
3.2.2 Métrologie des aérosols
Dans cette section, les différents appareils de mesures utilisés pour la mesure des aérosols sont présentés. Deux types de capteurs d’aérosols ont été testés :
— Une microbalance ;
— Plusieurs compteurs de particules.
Nous disposons d’un seul capteur de type microbalance (TEOM) et quatre compteurs de parti-cules. Sur les quatre compteurs de particules, trois d’entre eux sont utilisés dans le banc d’essais (APS, Lighthouses, Dataram) et le quatrième (Coulter) est un analyseur de laboratoire permet-tant d’effectuer des granulométries de poudres. Tous ces capteurs sont détaillés dans les para-graphes suivants.
3.2.2.1 Tapered Element Oscillating Microbalance (TEOM-1405 \ Thermo Scientific)
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Le TEOM est un analyseur massique de poussières atmosphériques (figure 3.14). Le prin-cipe de fonctionnement (figure 3.15) du TEOM repose sur l’utilisation d’un élément conique oscillant en verre. Amplificateur Fréquencemètre Aérosol à échantillonner Filtre TEOM Elément conique Vers le régulateur de débit
FIGURE3.15 – Schéma du principe de fonctionnement du TEOM
Sur l’extrémité de ce cône se trouve un filtre où les particules se déposent pendant l’échan-tillonnage. Cet dépôt sur le filtre provoque une décroissance de la fréquence oscillatoire de l’élément conique qui permet de calculer un différentiel de masse sur le temps d’échantillon-nage tel que :
δm=K0× 1 f12− 1 f02 , (3.3)
avec δmla différence de masse entre le début et la fin du temps d’échantillonnage eng,K0 la constante propre à l’élément oscillant en g.s−2 (valant pour notre capteur 14168g.s−2), f1 la fréquence d’oscillation du cône à la fin de l’échantillonnage en s1et f0 la fréquence en début d’échantillonnage. Le rapport entre cette masse et le volume de prélèvement durant l’échan-tillonnage nous permet de calculer la concentration massique moyenne. Ce capteur permet d’ef-fectuer une mesure sur une gamme de concentration allant de 0.1g.m−3jusque environ 1g.m−3. Nous plaçons le TEOM dans la cabine principale.
3.2.2.2 Coulter Multisizer 4
Le Coulter (figure 3.16) est un compteur de particules et de détermination de la taille de celles-ci. Cet appareil base son principe de fonctionnement sur la mesure d’un courant
élec-FIGURE3.16 – Photographie du Coulter Multisizer
trique entre deux électrodes. Lorsqu’un courant passe entre deux électrodes par le biais d’une solution aqueuse électrolytique, une résistance entre ces électrodes peut être déterminée. Il est possible de compter des particules qui passent entre ces deux électrodes en enregistrant le signal électrique de celles-ci (figure 3.17). Un volume d’électrolyte équivalent au volume immergé de
ElectrodeZA ElectrodeZB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ZoneZdeZ détection TrajectoireZdeZ laZparticule TensionZ(V) 1 9 8 7 6 5 4 3 2
FIGURE 3.17 – Schéma du principe de fonctionnement du Coulter Multisizer
la particule est déplacé de la zone de détection. Ce déplacement provoque une variation de la résistance qui peut être directement mesurée par une impulsion de tension ou de courant. Cette
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impulsion est proportionnelle au volume de la particule détectée. Il est donc possible de mesurer à partir de cet outil le nombre (système de comptage) et le volume des particules qui traversent la zone de détection entre les deux électrodes. Le volume ainsi déterminé peut être représenté par le diamètre sphérique équivalent. La réponse de cet appareil est essentiellement indépen-dante de la forme des particules ayant le même volume, une exception peut se faire dans des cas de formes extrêmes. La couleur ou l’indice de réfraction des particules n’ont pas d’incidence sur les résultats. Ce capteur permet de compter des particules ayant un diamètre volumique équivalent allant de 0.4 à 1200µmselon le diamètre d’ouverture entre les électrodes utilisées.
3.2.2.3 Aerodynamic Particle Sizer (APS-3321 \ TSI)
L’APS (figure 3.18) est un compteur de particules pouvant les classer sur 52 canaux de mesures allant de 0.5 à 20µm. La concentration maximale admise pour cet appareil est de 1000 #cm−3. Cet appareil base sa mesure sur le temps de vol des particules entre deux faisceaux
FIGURE 3.18 – Photographie de l’APS
laser (très proches) situés dans la cellule de détection. Ce type de mesure permet de détermi-ner le diamètre aérodynamique des particules étudiées sans qu’il soit nécessaire d’en connaitre les propriétés optiques et morphologiques (indice optique, forme ...). En effet, le temps de vol
Faisceau 1 (F1) Faisceau 2 (F2) Accélération de la particule Mesure de la diffusion de la lumière F1 F2 Temps
mesuré de la particule et l’accélération connue de l’écoulement de l’air dans la cellule sont directement reliés au diamètre de la particule par une calibration de l’appareil en amont. Le modèle 3321 de l’APS utilise un système optique avec deux faisceaux laser se recouvrant par-tiellement pour détecter une coïncidence. Ces faisceaux génèrent un signal à deux crêtes lors du passage d’une particule au travers (figure 3.19). Le temps entre l’apparition des deux crêtes correspond au temps de vol de la particule. La figure 3.20 représente les différents évènements susceptibles de ce produire durant une mesure par l’APS.
Temps MesurePdePlaPdiffusionPdeP laPlumière ParticulesPtropP petites,PaucuneP détection SeuilPdePdétection Evénement 1 EvénementP standard,PmesureP effectuée SeuilPdePdétection Evénement 2 SeuilPdePdétection Evénement 3 SeuilPdePdétection Evénement 4 MaxP4.096µs Coïncidence:PplusieursP particulesPpassantPenP mêmePtemps,PmesureP impossible ParticulesPtropP grosses,Ptemps de détection dépassé,P mesurePimpossible
FIGURE3.20 – Evénement de mesure de l’APS
L’APS étant le capteur permettant de faire une acquisition toutes les secondes et ayant le plus de canaux de mesures, nous avons décidé de le placer dans la conduite d’extraction. La mesure est effectuée en moyennant 5 points de prélèvement isocinétiques placés en croix dans la conduite d’extraction (figure 3.21).
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APS 5 points de prélèvement
isocinétiques
FIGURE3.21 – Photographie de la mesure isocinétique avec l’APS
3.2.2.4 Lighthouse (Handheld-3016 \ Worldwide solution)
Cet appareil (figure 3.22) est un compteur de particules qui base son principe de fonction-nement sur la photométrie. Ce compteur effectue un comptage en classe (6 classes de mesure
FIGURE3.22 – Photographie d’un lighthouse
sur une plage de taille de particules allant de 0.3µmà 25µm) de particules selon leur diamètre aérodynamique. L’étalonnage de ce compteur est effectué en usine à l’aide de billes parfai-tement sphériques de latex auxquelles sont associées des réponses électriques en fonction du
diamètre. Dans notre cas des poussières de bois, celles-ci ne sont pas comparables aux billes de latex puisqu’elles ne sont pas sphériques et n’ont pas le même indice de réfraction. Par consé-quent, le Lighthouse ne mesure pas un diamètre aérodynamique mais un diamètre optique. Le lighthouse effectue un calcul de la concentration massique de chaque taille de particules. La concentration en particules d’une classe est donnée par la relation suivante :
Cni= ni
V, (3.4)
oùniest le nombre de particules comptées par classe etV est le volume prélevé sachant que le débit d’aspiration de l’appareil est de 2.81l.min−1. La concentration massique s’écrit donc :
Cm= π ρp 6 n
∑
i=1 Cnid¯p i 3 , (3.5)avec ¯dpi le diamètre médian de la classe granulométriquei.
3.2.2.5 DataRam (pDR-1500 \ Thermo Scientific)
Le personnal DataRam pDR-1500 (figure 3.23) est un néphélomètre qui permet une mesure en temps réel de la concentration massique des poussières en suspension dans l’air. Cet appareil
FIGURE 3.23 – DataRam pDR-1500
dispose de divers cyclones permettant de pré-sélectionner différentes fractions de tailles de par-ticules (poussières totales, poussières thoraciques 10 ou alvéolaires 4, poussières PM-2.5 et PM-1.0). Après le cyclonage, les particules dont le diamètre aérodynamique correspond à la fraction souhaitée pénètrent dans la cellule de mesure illuminée par une diode émettant dans le proche infra-rouge. La lumière diffusée par les particules présentes dans la cellule de mesure