FR2745086A1 - Selecteur de particules chargees, en fonction de leur mobilite electrique et de leur temps de relaxation - Google Patents
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- G01N15/0266—Investigating particle size or size distribution with electrical classification
Abstract
L'invention concerne un sélecteur de particules chargées, comportant un premier (2) et un second (4) sélecteurs de mobilité électrique circulaires, ainsi que des moyens (28, 34) pour diriger les particules, sélectionnées par le premier sélecteur, vers l'entrée (18) du second sélecteur. Il est également possible d'associer deux sélecteurs en parallèle. Application à la mesure en ligne de la masse et/ou de la densité des particules d'aérosols, ainsi qu'à la mesure de la granulométrie et/ou de la distribution de charges électriques d'aérosols.
Description
SELECTEUR DE PARTICULES CHARGEES, EN FONCTION DE LEUR
MOBILITE ELECTRIQUE ET DE LEUR TEMPS DE RELAXATION.
MOBILITE ELECTRIQUE ET DE LEUR TEMPS DE RELAXATION.
DESCRIPTION
Domaine technique et art antérieur
L invention concerne un dispositif permettant de sélectionner des particules chargées en fonction de leur mobilité électrique et de leur temps de relaxation, et de caractériser des aérosols en termes de masse de particules, de granulométrie et de distribution de charges électriques.
Domaine technique et art antérieur
L invention concerne un dispositif permettant de sélectionner des particules chargées en fonction de leur mobilité électrique et de leur temps de relaxation, et de caractériser des aérosols en termes de masse de particules, de granulométrie et de distribution de charges électriques.
Ce type d'appareil est par exemple particulièrement bien adapté dans le domaine de la recherche sur les aérosols, pour tester l'efficacité de filtres, pour produire des particules calibrées ou pour étudier la charge électrique des aérosols. Il convient tout spécialement pour les aérosols microniques et/ou submicroniques.
On connaît diverses techniques qui permettent de mesurer en ligne la distribution en dimension d'aérosols microniques et/ou submicroniques. Par exemple, on peut citer les méthodes électriques, et notamment les analyseurs différentiels de mobilité électrique, qui fournissent une distribution en dimension basée sur la mobilité électrique des particules. Les méthodes optiques fournissent une distribution en dimension reliée aux propriétés optiques des particules. Les méthodes aérodynamiques fournissent une distribution en dimension basée sur l'inertie des particules.
Une limitation de ces méthodes de mesure est qu'elles ne font pas de distinction parmi les différentes espèces de particules. On obtient ainsi la distribution en dimension globale, mais pas la distribution suivant la nature des particules. Pour atteindre la composition et la taille, il est généralement nécessaire d'effectuer un échantillonnage qui permettra l'analyse ultérieure par microscopie électronique ou optique. Ces procédures sont longues, coûteuses et fastidieuses et ne fournissent pas les renseignements souhaités en ligne.
En particulier, pour accéder à la masse et à la densité de particules d'aérosols, une technique consiste à réaliser, dans un premier temps, un prélèvement et une collection sur un support adapté, du type membrane filtrante, grille ou lame de microscope, d'une fraction de l'aérosol ayant un diamètre bien déterminé, et, deuxièmement, à réaliser une analyse permettant d'accéder à la masse moyenne de chaque particule. Cette dernière peut être obtenue à partir de la masse totale de l'échantillon prélevé, et du nombre de particules présentes. Cette méthode a été décrite dans l'article de Barbe-Le Borgne et al., paru dans "Journal of Aerosol Science", vol. 17, n01, pp. 79-86, 1986. Dans cet article, la méthode décrite est utilisée pour caractériser les particules issues d'un feu de sodium.Cette méthode fait appel, en premier lieu, à une sélection en dimensions d'un échantillon, par tout système approprié (impacteur, centrifugeuse, batterie de sédimentation, analyseur de mobilité électrique), ledit échantillon étant ensuite observé au microscope électronique ou optique, pour compter le nombre de particules présentes. Puis, l'échantillon est analysé par les moyens les mieux adaptés, pour accéder à la masse et à la composition (par exemple par technique d'activation neutronique, par fluorescence X, ou spectrométrie d'émission) . Il apparaît clairement que cette méthode est longue, fastidieuse et coûteuse. De plus, le prélèvement avec collection peut entraîner une modification de la structure des particules.
On connaît par ailleurs deux types de dispositifs permettant d'accéder en ligne à la masse volumique des particules.
La première technique est décrite dans l'article de E.P. Emets et al., paru dans "Journal of
Aerosol Science", vol.23, n"l, pp.27-35, 1992. Cette méthode met en oeuvre la combinaison de deux analyseurs différentiels de mobilité électrique, à écoulement axial, dont l'un à son axe vertical et l'autre son axe horizontal. En aval de ce dispositif, les particules sont détectées par un compteur optique. La mesure de la masse volumique des particules repose sur le fait que la fonction de transfert de l'analyseur différentiel, placé horizontalement, est déformée par rapport à celle de l'analyseur différentiel placé verticalement. Dans ces conditions, pour un même aérosol, les comptages en aval d'un analyseur différentiel implanté soit horizont-alement, soit verticalement ne seront pas identiques.A partir de cette différence de comptage, on peut aboutir à la densité des particules moyennant un développement mathématique extrêmement complexe, notamment pour établir la forme de la fonction de transfert de l'analyseur différentiel horizontal.
Aerosol Science", vol.23, n"l, pp.27-35, 1992. Cette méthode met en oeuvre la combinaison de deux analyseurs différentiels de mobilité électrique, à écoulement axial, dont l'un à son axe vertical et l'autre son axe horizontal. En aval de ce dispositif, les particules sont détectées par un compteur optique. La mesure de la masse volumique des particules repose sur le fait que la fonction de transfert de l'analyseur différentiel, placé horizontalement, est déformée par rapport à celle de l'analyseur différentiel placé verticalement. Dans ces conditions, pour un même aérosol, les comptages en aval d'un analyseur différentiel implanté soit horizont-alement, soit verticalement ne seront pas identiques.A partir de cette différence de comptage, on peut aboutir à la densité des particules moyennant un développement mathématique extrêmement complexe, notamment pour établir la forme de la fonction de transfert de l'analyseur différentiel horizontal.
L'interprétation des résultats expérimentaux est donc délicate et réservée à des spécialistes. Cette méthode conduit à une précision sur la masse volumique des particules de l'ordre de 30%.
Une autre méthode est décrite par S.V. Hering et al. dans "Aerosol science and Technology", vol. 23, pp.155-173, 1995. Cette méthode, que les auteurs nomment "double spectrométrie en taille", mesure deux fois la dimension des particules. Une première mesure est effectuée avec un analyseur différentiel de mobilité électrique qui fournit le diamètre géométrique pour les particules sphériques. Une seconde mesure, réalisée avec un impacteur hypersonique, renseigne sur le temps de relaxation des particules. La confrontation des deux mesures permet d'accéder à la masse volumique des particules dans un domaine compris entre 3 et 50 nm. Si l'analyseur différentiel est un dispositif connu, et maintenant très répandu, l'impacteur hypersonique est en revanche un appareil récent dont l'usage délicat est limité à quelques laboratoires.En effet, cet impacteur fonctionne sous pression réduite et la mesure du temps de relaxation des aérosols s'obtient par l'établissement de la fonction de transfert de l'impacteur, pour des caractéristiques géométriques variables (notamment la variation du rapport entre la dimension de l'orifice critique, et la distance le séparant de la plaque de collection). On retrouve donc, là aussi, un système complexe, et l'interprétation des résultats est délicate et réservée là encore à des spécialistes. De plus, par son principe, la mesure du temps de relaxation ou du diamètre aérodynamique, avec un impacteur hypersonique fonctionnant à pression réduite, s'applique uniquement à des particules nanométriques dont la taille est comprise entre 3 et 50 nm.
Exposé de l'invention
L'invention vise à proposer un nouveau sélecteur de particules chargées, de conception beaucoup plus simple que les dispositifs connus antérieurement, à la fois dans sa conception et dans son fonctionnement.
L'invention vise à proposer un nouveau sélecteur de particules chargées, de conception beaucoup plus simple que les dispositifs connus antérieurement, à la fois dans sa conception et dans son fonctionnement.
L invention a plus précisément pour objet un sélecteur de particules chargées d'une atmosphère à examiner, comportant * un premier et un second sélecteurs de mobilité
électrique circulaire, chaque sélecteur comportant
- un premier et un second disques conducteurs
coaxiaux, espacés et parallèles entre eux, une
fente annulaire d'entrée de rayon rl étant
pratiquée dans le premier disque,
- une aspiration centrale, cette aspiration
permettant de faire circuler, dans l'espace entre
les disques, un écoulement d'air, laminaire,
centripète et stable,
- des moyens pour appliquer un champ électrique
entre les deux disques conducteurs, * des moyens pour diriger les particules, sélectionnées
par une fente annulaire de sélection de rayon r2
(r2 < r1) pratiquée dans le second disque du premier
sélecteur de mobilité électrique circulaire, vers la
fente annulaire d'entrée du second sélecteur de
mobilité électrique circulaire.
électrique circulaire, chaque sélecteur comportant
- un premier et un second disques conducteurs
coaxiaux, espacés et parallèles entre eux, une
fente annulaire d'entrée de rayon rl étant
pratiquée dans le premier disque,
- une aspiration centrale, cette aspiration
permettant de faire circuler, dans l'espace entre
les disques, un écoulement d'air, laminaire,
centripète et stable,
- des moyens pour appliquer un champ électrique
entre les deux disques conducteurs, * des moyens pour diriger les particules, sélectionnées
par une fente annulaire de sélection de rayon r2
(r2 < r1) pratiquée dans le second disque du premier
sélecteur de mobilité électrique circulaire, vers la
fente annulaire d'entrée du second sélecteur de
mobilité électrique circulaire.
Ce premier objet de l'invention concerne donc un dispositif comportant deux sélecteurs de mobilité électrique circulaire (SMEC en abrégé) placés en série.
En fonctionnement, les deux SMEC sont disposés de manière à ce que la fente annulaire d'entrée du premier soit située au-dessus (respectivement au-dessous) de sa fente annulaire de sortie, tandis que la fente annulaire d'entrée de l'autre est située au-dessous (respectivement au-dessus) de son second disque. Dans ces conditions, les particules qui sont introduites dans le premier sélecteur de mobilité électrique circulaire sont entraînées vers sa fente de sélection sous l'action conjuguée de l'écoulement d'air, laminaire, centripète et stable circulant entre les deux disques, du champ électrique imposé entre les deux disques, et du champ de pesanteur.Les particules ainsi sélectionnées une première fois sont reprises et introduites dans le second sélecteur de mobilité électriqué circulaire, et sont entraînées vers le second disque de ce second sélecteur sous l'action conjuguée de l'écoulement d'air, radial et laminaire établi entre les deux disques de ce second sélecteur, du champ électrique imposé entre les deux disques et du champ de pesanteur.
Le second disque du second sélecteur peut également être muni d'une fente annulaire de sélection, de rayon r'2 < r'1. En fonctionnement, la fente annulaire d'entrée du second disque est donc située, suivant le cas, au-dessus ou au-dessous de sa fente de sélection.
Des moyens peuvent être prévus pour faire varier les champs électriques établis dans les deux disques et échantillonner les valeurs correspondant à la sélection des particules. On obtient alors des valeurs numériques auxquelles peuvent être reliés, de manière simple, la mobilité électrique et le temps de relaxation des particules.
Ces deux grandeurs sont elles-mêmes reliées au diamètre géométrique des particules, à leur état de charge ainsi qu'à leur masse volumique. Moyennant la connaissance préalable de, ou une hypothèse sur, l'une de ces trois dernières grandeurs, on peut par conséquent accéder aux deux autres. De même, il est possible de relier la masse des particules à une combinaison simple des valeurs mesurées pour les champs électriques correspondant à la sélection des particules.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, la fente d'extraction de l'un ou de l'autre des sélecteurs de mobilité électrique (ou des deux) peut se réduire à un orifice central. Par rapport au dispositif avec fente d'extraction annulaire, le sélecteur à orifice central d'extraction est plus simple à réaliser, et garantit de meilleures performances, avec un temps de transit plus court dans le circuit d'extraction des particules. Il évite éventuellement les problèmes de sédimentation dans ce circuit.
L'invention a également pour objet un sélecteur de particules chargées d'un aérosol, comportant * un premier et un second sélecteurs de mobilité
électrique circulaire, chaque sélecteur comportant
- un premier et un second disques conducteurs,
coaxiaux, espacés et parallèles entre eux,
- une aspiration centrale, cette aspiration
permettant de faire circuler, dans l'espace entre
les deux disques, un écoulement d'air, laminaire,
centripète et stable,
- des moyens pour appliquer un champ électrique
entre les deux disques, * des moyens pour introduire les particules de
l'aérosol à examiner, en parallèle dans l'un et
1 'autre sélecteurs.
électrique circulaire, chaque sélecteur comportant
- un premier et un second disques conducteurs,
coaxiaux, espacés et parallèles entre eux,
- une aspiration centrale, cette aspiration
permettant de faire circuler, dans l'espace entre
les deux disques, un écoulement d'air, laminaire,
centripète et stable,
- des moyens pour appliquer un champ électrique
entre les deux disques, * des moyens pour introduire les particules de
l'aérosol à examiner, en parallèle dans l'un et
1 'autre sélecteurs.
Dans ce second dispositif, on dispose de deux sélecteurs de mobilité électrique circulaires "en parallèle". Ce second dispositif peut être encore plus compact que le précédent. Il fonctionne sur des principes similaires à ceux évoqués ci-dessus en liaison avec le premier dispositif. En cours de fonctionnement, l'introduction des particules d'aérosol est réalisée, pour chaque sélecteur, au-dessus d'un des premier et second disques et au-dessous de l'autre disque. Dans les deux sélecteurs circulaires, les particules sont entraînées vers la fente d'extraction, sous l'action conjuguée de l'écoulement d'air, laminaire, centripète, du champ électrique et du champ de pesanteur. Là encore, les valeurs de champ électrique se trouvent reliées, de manière simple, à la mobilité électrique et au temps de relaxation des particules.De préférence, dans ce second dispositif, les seconds disques conducteurs de chaque sélecteur sont confondus, ce qui confère à l'ensemble une meilleure compacité.
Au moins l'un des sélecteurs peut comporter une fente annulaire d'extraction de rayon r1.
Si les deux présentent une telle fente, alors l'introduction des particules d'aérosol est réalisée, en cours de fonctionnement, pour l'un des deux sélecteurs de mobilité électrique circulaires, audessus de la fente annulaire d'extraction, et pour l'autre, au-dessous de la fente annulaire d'extraction.
Un autre sélecteur selon l'invention, fonctionnant, de même que le précédent, avec une configuration "en parallèle", comporte * un premier et un second disques conducteurs,
coaxiaux, espacés et parallèles entre eux, comportant
chacun une aspiration centrale pour faire circuler,
dans l'espace entre les deux disques, un écoulement
d'air laminaire, centripète et stable, * des moyens pour appliquer un champ électrique entre
les deux disques, * des moyens pour introduire les particules d'un
aérosol entre le premier et le second disque, à
partir de la périphérie des deux disques.
coaxiaux, espacés et parallèles entre eux, comportant
chacun une aspiration centrale pour faire circuler,
dans l'espace entre les deux disques, un écoulement
d'air laminaire, centripète et stable, * des moyens pour appliquer un champ électrique entre
les deux disques, * des moyens pour introduire les particules d'un
aérosol entre le premier et le second disque, à
partir de la périphérie des deux disques.
Ce dispositif est de constitution encore plus simple que le précédent. Il fonctionne exactement sur le même principe. Les particules à analyser sont alors introduites simultanément par rapport à chacun des deux disques conducteurs, mais au-dessus de l'un des deux disques et au-dessous de l'autre disque. Leur déplacement se fait toujours sous l'action conjuguée des mêmes forces (écoulement d'air laminaire et radial, champ électrique, champ de pesanteur).
Quel que soit le dispositif employé, du type "en série" ou "en parallèle", le principe de fonctionnement est beaucoup plus simple que le principe de fonctionnement du dispositif décrit par exemple dans l'article Emets et al. déjà cité ci-dessus. Dans le sélecteur selon l'invention, l'action de la pesanteur agit linéairement avec le champ électrique, et implique uniquement un décalage de la fonction de transfert d'un des sélecteurs, par rapport à l'autre, sans déformation de cette fonction. Au contraire, dans les appareils de type "DMA" à écoulement axial, l'action de la pesanteur, qui n'agit pas linéairement avec le champ électrique, entraîne une déformation complexe de la fonction de transfert du DMA horizontal. Ceci a pour conséquence de rendre l'interprétation des résultats très délicate, ce qui n'est pas le cas pour un dispositif selon l'invention.
Dans tous les cas, des moyens peuvent être prévus pour faire varier le champ électrique appliqué dans le premier, et/ou le second, sélecteur(s) de mobilité électrique circulaire(s), ou bien entre les deux disques conducteurs permettant d'effectuer une spectrométrie.
Des moyens pour échantillonner la, ou les, valeurs de champ électrique appliquées correspondant à la sélection d'un type de particules, peuvent être prévus, ainsi que des moyens pour combiner, additionner et/ou soustraire les valeurs échantillonnées. A partir de ces valeurs, des moyens de calcul peuvent être prévus pour calculer la mobilité électrique des particules sélectionnées et/ou leur temps de relaxation, et/ou leur diamètre géométrique, et/ou leur masse, et/ou leur masse volumique.
Un sélecteur tel que décrit ci-dessus peut en outre comporter des moyens pour faire varier l'un ou l'autre des débits d'écoulement d'air.
De plus, il peut comporter des moyens de détection ou de collection des particules chargées.
Un spectromètre pour particules chargées, selon l'invention, peut comporter un sélecteur tel que décrit ci-dessus.
L'invention concerne également un dispositif pour la mesure de la granulométrie d'un aérosol comportant un spectromètre tel qu'il vient d'être décrit, et des moyens pour établir la granulométrie de 1 'aérosol.
Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière - de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels
- les figures 1 et 2 représentent deux variantes d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 3 et 4 représentent deux variantes d'un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 5 illustre un exemple de mise en oeuvre d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 6 illustre une comparaison entre des valeurs expérimentales et théoriques, mesurées avec, et calculées pour, un dispositif selon l'invention.
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière - de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels
- les figures 1 et 2 représentent deux variantes d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- les figures 3 et 4 représentent deux variantes d'un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 5 illustre un exemple de mise en oeuvre d'un dispositif selon l'invention,
- la figure 6 illustre une comparaison entre des valeurs expérimentales et théoriques, mesurées avec, et calculées pour, un dispositif selon l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
Un premier mode de réalisation d'un sélecteur selon l'invention va être décrit en liaison avec la figure 1. Sur cette figure, deux sélecteurs 2, 4 de mobilité électrique circulaires sont disposés en série, les particules sélectionnées par le premier sélecteur 2 étant introduites à l'entrée du second sélecteur 4.
Un premier mode de réalisation d'un sélecteur selon l'invention va être décrit en liaison avec la figure 1. Sur cette figure, deux sélecteurs 2, 4 de mobilité électrique circulaires sont disposés en série, les particules sélectionnées par le premier sélecteur 2 étant introduites à l'entrée du second sélecteur 4.
Le premier sélecteur comporte deux disques 6, 8, parallèles et concentriques, définissant entre eux une zone 3 de sélection. Les deux disques sont séparés par une distance 2h. Le disque supérieur 6 présente une fente annulaire 14, de rayon r1, par laquelle un aérosol est introduit avec un débit Qa. Un conduit ou tubulure d'aspiration centrale 22, ménagé dans le disque supérieur 6, extrait un débit QO de la zone de sélection 3. Dans le second disque 8 est pratiquée une ouverture annulaire 16 de rayon r2 (r2 < r1). Lorsque l'appareil fonctionne, cette fente 16 est traversée par un débit Qa de particules sélectionnées.Entre les deux disques, à la périphérie de l'espace 3 est introduit, par des moyens non représentés sur la figure 1, un gaz d'entraînement (en général de l'air filtré), au débit QO. Du fait de la structure circulaire de l'appareil, ctest un écoulement laminaire, stable et centripète qui circule entre les deux disques, avec un débit QO jusqu'à la tubulure d'aspiration 22.
Des moyens sont prévus pour imposer entre les deux disques 6, 8, un champ électrique E-. Notamment, les deux disques peuvent être conducteurs et être portés chacun à un certain potentiel, par exemple 0 pour le disque 6 et U pour le disque 8.
Par un boîtier 26, tel qu'un boîtier cylindrique, et des conduits 28, 34, les particules sélectionnées peuvent être dirigées vers le second sélecteur de mobilité électrique 4.
Ce dernier comprend des éléments similaires au sélecteur 2. En particulier, deux disques 10, 12, parallèles et concentriques, séparés par une distance 2h, définissent entre eux une zone 5 de sélection. Le disque inférieur 12 présente une fente annulaire 18, de rayon r'1, par laquelle les particules d'aérosol sélectionnées par le premier sélecteur 2 sont introduites dans le second sélecteur, avec le débit Qa
Un conduit, ou tubulure d'aspiration central 24, ménagé dans le disque inférieur 12, extrait un débit d'air Q'O de la zone de sélection 5. Dans le disque supérieur 10 est pratiquée une ouverture annulaire 20, de rayon r'2 (r'2 < r'1). Lorsque l'appareil fonctionne, cette fente 20 est traversée par un débit Qa de particules sélectionnées.Entre les deux disques 10, 12, à la périphérie de l'espace 5, est introduit, par des moyens non représentés, un gaz d'entraînement (en général de l'air filtré), au débit Q'O. Là encore, la structure circulaire de l'appareil assure entre les deux disques un écoulement laminaire, centripète et stable.
Un conduit, ou tubulure d'aspiration central 24, ménagé dans le disque inférieur 12, extrait un débit d'air Q'O de la zone de sélection 5. Dans le disque supérieur 10 est pratiquée une ouverture annulaire 20, de rayon r'2 (r'2 < r'1). Lorsque l'appareil fonctionne, cette fente 20 est traversée par un débit Qa de particules sélectionnées.Entre les deux disques 10, 12, à la périphérie de l'espace 5, est introduit, par des moyens non représentés, un gaz d'entraînement (en général de l'air filtré), au débit Q'O. Là encore, la structure circulaire de l'appareil assure entre les deux disques un écoulement laminaire, centripète et stable.
Des moyens sont prévus pour imposer entre les deux disques 10, 12 un champ électrique E+. Notamment, les deux disques peuvent être conducteurs et être chacun portés à un certain potentiel, par exemple 0 pour le disque 12 et U+ pour le disque 10.
Par un boîtier 30, tel qu'un boîtier cylindrique, et un conduit 32, les particules sélectionnées peuvent ensuite être dirigées vers tout type de dispositif convenant à l'application envisagée, par exemple vers un détecteur permettant de compter les particules. Ce détecteur peut fonctionner sur la base de méthodes électrique ou optique. Ce peut être en particulier un détecteur du type à diffusion de lumière, dans lequel les particules à analyser sont entraînées par le flux gazeux à travers un faisceau lumineux produit par une source lumineuse. Chaque particule diffuse alors une certaine quantité de lumière qui est ensuite analysée par un photodétecteur.
Des moyens d'analyse peuvent en outre être prévus pour recueillir les données et les traiter. Ces moyens peuvent comporter un micro-ordinateur conventionnel programmé en fonction de l'application envisagée, c'est-à-dire du type de caractéristique à calculer ou à représenter (des exemples d'application sont donnés par la suite). Les instructions de programme peuvent être stockées sur des unités conventionnelles RAM ou ROM.
Les particules sélectionnées peuvent également être dirigées vers un collecteur d'aérosols, par exemple un collecteur mécanique éventuellement relié à un électromètre, ou un collecteur électrostatique éventuellement muni d'un détecteur nucléaire pour l'analyse d'aérosols radioactifs. Un tel collecteur est, par exemple, disposé dans le boîtier 30 du second sélecteur. Un collecteur mécanique comporte une membrane poreuse, sur laquelle les particules se déposent et qui peut ensuite être analysée, par exemple par pesée.
Dans une variante de l'invention, l'un, l'autre, ou les deux sélecteurs de mobilité électrique peuvent être munis d'un conduit d'aspiration ménagé dans le disque où est disposée l'ouverture annulaire d'extraction (disque 8 du premier sélecteur, disque 10 du second sélecteur).
Sur la figure 1, le premier sélecteur circulaire présente une fente annulaire 14 d'entrée des particules située au-dessus de la fente annulaire 16 de sélection. C'est l'inverse pour le second sélecteur circulaire 4. Il est également possible de réaliser un dispositif dans lequel le premier sélecteur à sa fente annulaire~d'entrée des particules située au-dessous de la fente annulaire de sélection, tandis que le second sélecteur circulaire présente une fente annulaire d'entrée située au-dessus de sa fente annulaire de sélection. En d'autres termes, les sélecteurs circulaires, amont et aval, sont indifférents, et l'on peut échanger leur position.
Dans le premier sélecteur 2, le mouvement des particules, depuis la fente d'entrée 14 vers la fente de sélection 16, s'effectue sous l'action conjuguée - de l'écoulement d' air, au débit QO radial et
laminaire, établi entre les deux disques, - du champ électrique E-, imposé entre les deux
disques, ce champ induisant une vitesse VE- de dérive
des particules, - du champ de pesanteur (accélération g), qui induit
une vitesse de sédimentation Vs, celle-ci se
superposant à la vitesse de dérive VE-.
laminaire, établi entre les deux disques, - du champ électrique E-, imposé entre les deux
disques, ce champ induisant une vitesse VE- de dérive
des particules, - du champ de pesanteur (accélération g), qui induit
une vitesse de sédimentation Vs, celle-ci se
superposant à la vitesse de dérive VE-.
-Les particules ainsi sélectionnées une première fois sont ensuite véhiculées vers le second sélecteur, à nouveau au débit Qa ; elles y sont introduites par la fente de rayon r'1. Elles sont alors entraînées vers la fente d'extraction 20, sous l'action conjuguée - de ltécoulement d'air au débit Q'O radial, laminaire
et centripète, établi entre les deux disques 10, 12, - du champ électrique E+, imposé entre les deux disques
10, 12, et qui induit une vitesse de dérive VE+, - du champ de pesanteur, qui induit une vitesse de
sédimentation Vs qui s'oppose à la vitesse de dérive
précédente VE+.
et centripète, établi entre les deux disques 10, 12, - du champ électrique E+, imposé entre les deux disques
10, 12, et qui induit une vitesse de dérive VE+, - du champ de pesanteur, qui induit une vitesse de
sédimentation Vs qui s'oppose à la vitesse de dérive
précédente VE+.
Il est possible d'établir que, pour obtenir la sélection d'une particule de mobilité électrique Z, et de temps de relaxation x, les champs E- et E+ établis dans les deux sélecteurs circulaires sont donnés par les équations suivantes
On peut noter que l'action du champ de pesanteur n'est significative que lorsque le temps de relaxation des particules devient important.
Si, pour établir les champs E- et E+, les disques 6, 8, 10, 12 des sélecteurs sont portés respectivement au potentiel OV, U-, U+, OV, les relations (1) et (2) ci-dessus deviennent
A partir des relations (1), (1') et (2), (2') ci-dessus, on obtient donc, par une simple mesure des tensions, ou des champs, correspondant à la sélection d'un type de particules, d'une part la mobilité électrique des particules et, d'autre part, leur temps de relaxation.
L'obtention de la mobilité électrique permet d'obtenir le diamètre géométrique des particules si l'on connaît le nombre de charges électriques portées par celles-ci.
La mobilité électrique et le temps de relaxation peuvent s'obtenir aisément par combinaison (addition et soustraction) des champs ou des tension donnés par les équations ci-dessus
4hTg < 4)
U+ - U = g (4) (les équations (3) et (4) sont valables pour le cas où QO=Q'O, r1=r'l et r2=r'2 ; si ce n'est pas le cas, il suffit d'introduire un facteur de pondération approprié pour en déduire des relations équivalentes, en - d'une
Z # part et en - d'autre part).
4hTg < 4)
U+ - U = g (4) (les équations (3) et (4) sont valables pour le cas où QO=Q'O, r1=r'l et r2=r'2 ; si ce n'est pas le cas, il suffit d'introduire un facteur de pondération approprié pour en déduire des relations équivalentes, en - d'une
Z # part et en - d'autre part).
Z
Par ailleurs, les temps de relaxation et la mobilité électrique sont reliés au diamètre géométrique dp, à la masse volumique pp et au nombre de charges électriques n des particules par les équations suivantes
où p désigne la viscosité du gaz porteur, e la charge électrique élémentaire et où C(dp) désigne le coefficient de correction de Cunningham (C(d)=1+ (al/d) + (bl/d) exp(-cd/l), où a, b, c sont des constantes et e représente le libre parcours moyen des molécules de gaz).
Par ailleurs, les temps de relaxation et la mobilité électrique sont reliés au diamètre géométrique dp, à la masse volumique pp et au nombre de charges électriques n des particules par les équations suivantes
où p désigne la viscosité du gaz porteur, e la charge électrique élémentaire et où C(dp) désigne le coefficient de correction de Cunningham (C(d)=1+ (al/d) + (bl/d) exp(-cd/l), où a, b, c sont des constantes et e représente le libre parcours moyen des molécules de gaz).
Ces équations signifient que, moyennant une hypothèsesur la masse volumique pp des particules, il est possible, à partir de la mobilité électrique et du temps de relaxation, d'obtenir l'état de charges et le diamètre des particules. En fait, pratiquement, il n'est en général pas très difficile de faire une telle hypothèse sur la masse volumique.
Pour des particules sphériques, la relation (4) peut également se mettre sous la forme
U±U-=4h g m/ne (7) où m représente la masse des particules. La différence de tension (ou une combinaison linéaire des tensions) appliquée aux deux sélecteurs permet donc d'accéder directement à la mesure de la masse, ce qui équivaut à réaliser une "balance électrodynamique à particules d'aérosol", fonctionnant en ligne, en particulier pour les aérosols pour lesquels le nombre n de charges électriques par particule est connu ou peut être estimé.
U±U-=4h g m/ne (7) où m représente la masse des particules. La différence de tension (ou une combinaison linéaire des tensions) appliquée aux deux sélecteurs permet donc d'accéder directement à la mesure de la masse, ce qui équivaut à réaliser une "balance électrodynamique à particules d'aérosol", fonctionnant en ligne, en particulier pour les aérosols pour lesquels le nombre n de charges électriques par particule est connu ou peut être estimé.
Le dispositif selon l'invention a été présenté avec un second sélecteur muni d'une fente de sortie.
Mais il est également possible d'utiliser, à la place du disque supérieur 10 du second sélecteur, muni d'une fente d'extraction, un disque plein. Dans ce cas, les particules sélectionnées par le premier sélecteur se déposent sur ce disque du second appareil. Le dépôt réalisé à distance r de l'axe de ce second appareil correspond à des particules de mobilité Z et de temps de relaxation T, donnés par les relations (1) et (2), en remplaçant r'2 par r. Le dépôt obtenu peut être analysé ultérieurement. On peut également, par cette méthode, produire un dépôt étalon.
Une variante du premier mode de réalisation va être décrit en liaison avec la figure 2. Le dispositif représenté ne diffère de celui de la figure 1 que par les fentes annulaires d'extraction de chacun des deux sélecteurs circulaires, qui sont en fait réduites à un orifice central d'extraction 36, 38. Les autres éléments sont identiques et portent pour cette raison les mêmes références numériques.
Le dispositif fonctionne de la même manière que celui décrit ci-dessus, en liaison avec la figure 1, et avec les mêmes avantages, bien que l'orifice central d'extraction soit un point singulier aéraulique, puisqu'il correspond au point d'arrêt de l'écoulement laminaire. Les équations déjà données ci-dessus s'appliquent également, mais en prenant r2=r'2=0.
L'avantage supplémentaire lié à cette configuration est le suivant. Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'extraction des particules par une fente annulaire nécessite de mettre en oeuvre un boîtier 26, 30, par exemple un boîtier cylindrique, entre la fente d'extraction et le conduit d'extraction 28, 32. Le transport des particules dans les circuits du système peut alors entraîner des pertes par diffusion au voisinage des parois, ainsi que des pertes par sédimentation, notamment dans les boîtiers 26, 30. De plus, le temps de transit dans les boîtiers, qui peut être long, n1 est pas le même pour toutes les particules, et il se produit, de ce fait, une certaine dispersion à travers l'appareil, ce qui peut être préjudiciable dans certaines applications. Au contraire, le dispositif à extraction centrale garantit moins de pertes des particules après leur sortie du sélecteur, ainsi qu'un temps de transit plus court dans les circuits d'extraction.
Le diamètre + de l'orifice 36, 38 est de préférence choisi de façon à assurer une bonne sélectivité des particules (si le diamètre est important, la sélectivité est faible) mais aussi de façon à ne pas perturber l'écoulement du fluide qui le travers (si le diamètre est faible, un phénomène de "jet" se produit au niveau de cet orifice).
Deux autres variantes peuvent également être réalisées : ce sont celles pour lesquelles l'un des deux sélecteurs présente un orifice central d'extraction, tandis que l'autre présente une fente annulaire d'extraction, et réciproquement.
Si, comme déjà expliqué ci-dessus, le disque 10 du second sélecteur ne présente plus ni orifice ni fente de sélection, mais est au contraire plein, c'est évidemment seul le premier sélecteur dont la fente de sortie ou d'extraction peut être réduite à un orifice 36.
Un autre mode de réalisation de l'invention va être décrit, en liaison avec les figures 3 et 4, qui en représentent deux variantes. Ce mode de réalisation correspond à la mise en oeuvre de deux sélecteurs circulaires, mais "en parallèle".
Ainsi, sur la figure 3, chaque sélecteur 42, 44 comporte deux disques 46, 48 et 50, 48 parallèles, concentriques. En fait, sur la figure 3, les deux disques centraux ont été rassemblés en un seul et même disque 48. Les deux paires de disques 46, 48 et 50, 48 définissent deux zones 51, 53 de sélection. Les deux disques extérieurs 46, 50 (qu'on peut encore appeler disque supérieur et disque inférieur) présentent chacun une fente annulaire 52, 54 d'extraction des particules, de rayon r1 autour de l'axe des disques. De même, les deux disques extérieurs 46, 50 présentent chacun un conduit ou tubulure d'aspiration centrale 56, 58 qui permet d'extraire de l'air à un débit QO de la zone de sélection 51, 53.Entre chaque paire de disques, des moyens, non représentés sur la figure, permettent d'introduire un gaz d'entraînement (en général de l'air filtré) au débit QO Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, le gaz d'entraînement est introduit par une tubulure 60, 62, dans un espace 64, 66, situé respectivement au-dessus et en-dessous des disques extérieurs 46, 50, entre ces derniers et un couvercle 68, 70. Les bords rabattus des couvercles obligent ensuite l'air à se diriger vers la zone de sélection 51, 53. L'aspiration par les tubulures 56, 58 assure l'écoulement centripète, laminaire et stable.
L'aérosol contenant les particules à sélectionner peut être introduit dans chacun des deux sélecteurs par une zone périphérique 41, 43, 45, 47 de l'appareil, à un débit Qa Les particules sont sélectionnées à travers les fentes 52, 54 et sont ensuite extraites à l'aide des moyens d'extraction constitués par des chambres 72, 74 prévues entre les disques 46, 50 et les couvercles 68, 70, ainsi que par les tubulures d'extraction 76, 78.
Dans ce dispositif, l'un des sélecteurs 42 a son entrée "aérosols" prévue dans une position inférieure par rapport à sa fente d'extraction 52, tandis que l'autre sélecteur 44 a son entrée "aérosols" prévue au-dessus par rapport à sa fente d'extraction 54. Les particules à analyser sont introduites simultanément, à la même position, dans les deux sélecteurs, à une distance r"1 de l'axe central.
Il peut être prévu des moyens pour appliquer aux différents disques 46, 48, 50 des potentiels différents, afin d'établir un champ électrique E dans chacun des deux sélecteurs. Une configuration respectant la symétrie de l'appareil consiste à porter la plaque intermédiaire 48 à un potentiel nul, et à porter chacune des plaques 46, 50 à des potentiels U+ et U-, Dans la configuration de la figure 3, il est possible de travailler sur des particules de même signe dans les zones de sélection 51 et 53.
Le mouvement des particules dans les zones 51 et 53 se fait sous l'action conjuguée - de l'écoulement d'air radial et laminaire, au débit Qov - des champs électriques E+ et E-, imposés entre les
disques, et qui induisent des vitesses de dérive VE+
et VE-, - du champ de pesanteur, qui induit une vitesse de
sédimentation Vs, qui se superpose à la vitesse VE
dans le sélecteur 44 inférieur, et qui s'oppose à la
vitesse de dérive VE+ dans le sélecteur 42 supérieur.
disques, et qui induisent des vitesses de dérive VE+
et VE-, - du champ de pesanteur, qui induit une vitesse de
sédimentation Vs, qui se superpose à la vitesse VE
dans le sélecteur 44 inférieur, et qui s'oppose à la
vitesse de dérive VE+ dans le sélecteur 42 supérieur.
De même que dans le cas du premier mode de réalisation (sélecteurs disposés en série) il est possible- de montrer que, pour une particule de mobilité
Z et de temps de relaxation 1, les champs électriques de sélection E-, E+ dans les deux sélecteurs sont donnés par
Z et de temps de relaxation 1, les champs électriques de sélection E-, E+ dans les deux sélecteurs sont donnés par
De ces relations, il est possible de déduire la mobilité électrique et le temps de relaxation des particules sélectionnées. Là encore, et de la même manière que ce qui a déjà été décrit ci-dessus, il est possible d'accéder à la masse volumique, au diamètre, à la masse, et au nombre de charges électriques par particules.
Une variante de ce second mode de réalisation est illustrée sur la figure 4. Cette variante se distingue de celle de la figure 3 par le fait que la plaque centrale 48, qui servait initialement de second disque circulaire pour chacun des sélecteurs 42, 44, est supprimée. Le mode de fonctionnement de cette variante est exactement le même que celui décrit cidessus en liaison avec la figure 3. Avantageusement, on applique aux disques 46, 50 des tensions U+ et U identiques en valeur absolue, mais de signes opposés, par exemple positive sur la partie supérieure et négative sur la partie inférieure, de façon à avoir un potentiel voisin de 0 dans l'axe de symétrie du dispositif, qui correspond sensiblement à la zone d'introduction des particules.
Si les particules portent des charges positives et négatives, les particules sélectionnées par la fente 52 seront de charge négative, tandis que celles sélectionnées par la fente 54 seront de charge positive.
Le mouvement des particules dans la zone 55 se fait sous l'action conjuguée - de l'écoulement d'air radial et laminaire, au débit 2Qot - du champ électrique E imposé entre les disques et qui
induit une vitesse de dérive VE dont le sens dépend
du signe de la charge des particules, - du champ de pesanteur, qui induit une vitesse de
sédimentation Vs, qui se superpose à la vitesse VE
pour les particules sélectionnées par la fente 54 et
qui s'oppose à la vitesse de dérive VE pour les
particules sélectionnées par la fente 52.
induit une vitesse de dérive VE dont le sens dépend
du signe de la charge des particules, - du champ de pesanteur, qui induit une vitesse de
sédimentation Vs, qui se superpose à la vitesse VE
pour les particules sélectionnées par la fente 54 et
qui s'oppose à la vitesse de dérive VE pour les
particules sélectionnées par la fente 52.
De même que dans le cas du premier mode de réalisation et la première variante du second mode de réalisation, il est possible de montrer que, pour une particule de mobilité Z et de temps de relaxation T, les champs électriques de sélection E- et E+ pour l'extraire respectivement par les fentes 54 et 52 sont données par les équations (8) et (9).
Dans le cas de l'exemple décrit ci-dessus comme dans le cas du premier mode de réalisation, les particules sélectionnées peuvent être dirigées vers tout dispositif approprié, par exemple un dispositif de collection des particules, ou de détection pour compter les particules. De même, peuvent également être prévus des moyens d'analyse des données, du type microordinateur spécialement programmé.
Enfin, les deux variantes exposées ci-dessus en liaison avec les figures 3 et 4 peuvent fonctionner, avec non plus des disques 46, 50, munis de fente de sortie, mais avec des disques pleins sur lesquels sont réalisés des dépôts. A toute distance r, les propriétés de ces dépôts sont régies par les équations (8) et (9), en remplaçant r1 par r.
Quel que soit le mode de réalisation envisagé, des moyens peuvent être prévus pour faire varier le champ électrique dans l'un ou l'autre des sélecteurs, et/ou le ou, les, débit(s) Q,, Q'O des gaz de balayage.
Lorsqu'un tel dispositif est couplé à un détecteur de particules pour les compter, on obtient alors un spectromètre de particules qui permet, si on connaît par exemple la masse volumique des particules, d'établir un spectre en charge et en dimension des particules.
On a déjà vu que, à partir de la mobilité électrique Z et du temps de relaxation 1, il était possible de réaliser un dispositif donnant - la masse des particules sélectionnées, en particulier
dans le cas où elles sont sphériques, avec des
diamètres supérieurs ou égaux à 0,1 um (pour une
taille inférieure, la masse est très faible, les
forces de gravitation ne jouent quasiment plus aucun
rôle dans le dispositif), - la masse volumique des particules, là encore pour des
particules sphériques de diamètres supérieurs ou
égaux à 0,1 um.
dans le cas où elles sont sphériques, avec des
diamètres supérieurs ou égaux à 0,1 um (pour une
taille inférieure, la masse est très faible, les
forces de gravitation ne jouent quasiment plus aucun
rôle dans le dispositif), - la masse volumique des particules, là encore pour des
particules sphériques de diamètres supérieurs ou
égaux à 0,1 um.
De même, à partir des équations ci-dessus, pour des particules de masse volumique à peu près connues, il est possible de calculer un couple de tensions ou de champs électriques à appliquer, afin de sélectionner des particules de diamètre dp et de charge n fixé.
Réciproquement, la donnée des tensions, ou des champs électriques, et du débit Q,, détermine le diamètre dp et l'état de charge n des particules qui seront sélectionnées. Par conséquent, le dispositif est non seulement un sélecteur, mais également un générateur de particules de caractéristiques (dp, n) fixées ou bien encore de caractéristiques (Z, T) fixées.
Si, en outre, on dispose de particules portant un nombre de charges élémentaires fixées, il suffit de déterminer les couples de tension ou de champ électrique à appliquer à l'appareil pour sélectionner des particules d'un diamètre dp donné.
Réciproquement, en mesurant, pour différents couples de tensions ou de champs électriques appliqués au dispositif, la concentration des particules qui sortent du sélecteur (notamment pour un sélecteur "en série", c'est-à-dire du type représenté sur les figures 1 et 2), il est possible de remonter à la granulométrie de l'aérosol, c'est-à-dire à la distribution en taille de l'aérosol. A cette fin, il faut tenir compte de l'état de charge de l'aérosol à analyser (qui est, on l'a vu, connu), de la fonction de transfert du sélecteur et de ses différents paramètres (paramètre géométrique et paramètre de débit). Cette opération peut être effectuée pour différents nombre de charges élémentaires fixées, et on arrive ainsi à caractériser l'aérosol en dimension et en charge.
Les grandes lignes du traitement mathématique, pour accéder à la fonction de distribution en dimension inconnue de l'aérosol échantillonné, peuvent être résumées de la façon suivante. Pour un couple de tensions V1, V2 appliqué à deux sélecteurs disposés en série, la réponse R(V1,V2) d'un détecteur placé en aval du deuxième sélecteur est donnée par la relation
où Qa représente le débit d'injection des aérosols, Fn < dp) la fraction, supposée connue, des particules de diamètre dp portant n charges élémentaires, P(dp,n,V1,V2) la fonction de transfert des deux sélecteurs en série, c'est-à-dire la probabilité de sélection des particules de diamètre dp portant n charges lorsque l'on applique le couple V1, V2 et enfin
N(dp)ddp la fonction de distribution inconnue.Si on applique plusieurs couples V1, V2, on obtient différentes réponses R(V1,V2) et ainsi un système d'équations qui permet de déterminer la fonction N(dp) ddp par des techniques mathématiques d'inversion classiques.
où Qa représente le débit d'injection des aérosols, Fn < dp) la fraction, supposée connue, des particules de diamètre dp portant n charges élémentaires, P(dp,n,V1,V2) la fonction de transfert des deux sélecteurs en série, c'est-à-dire la probabilité de sélection des particules de diamètre dp portant n charges lorsque l'on applique le couple V1, V2 et enfin
N(dp)ddp la fonction de distribution inconnue.Si on applique plusieurs couples V1, V2, on obtient différentes réponses R(V1,V2) et ainsi un système d'équations qui permet de déterminer la fonction N(dp) ddp par des techniques mathématiques d'inversion classiques.
Dans le cas du sélecteur fonctionnant "en parallèle" (du type de celui décrit sur les figures 3 et 4), pour chaque valeur de la tension établie entre les différents disques, on sélectionne, respectivement dans les parties inférieure et supérieure, des particules ayant des valeurs déterminées pour la mobilité électrique et le temps de relaxation. Ainsi, en mesurant, pour chaque tension, les concentrations des particules qui sortent par les parties inférieure et supérieure du dispositif, il est possible de remonter à la granulométrie de l'aérosol, en tenant compte, là encore, de l'état de charge de l'aérosol, des fonctions de transfert et des différents paramètres de l'appareil.
Enfin, quel que soit le mode de réalisation envisagé, si la loi de charge est inconnue, il est possible, pour un diamètre de particule dp fixé, de déterminer les tensions ou les champs électriques qu'il faut appliquer pour sélectionner différentes charges élémentaires. On mesure ensuite la concentration de particules qui sortent du sélecteur, pour les tensions ou champs électriques ainsi déterminés. On obtient donc, pour un diamètre fixé, la répartition des particules en fonction de leur charge, c'est-à-dire leur distribution de charges. Si ceci est réalisé pour différents diamètres dp, fixés, on peut alors caractériser les particules en charge et en diamètre.
Un exemple de mise en oeuvre d'un dispositif selon l'invention va être décrit en liaison avec la figure 5. Le dispositif choisi est du type "en série", avec orifice d'extraction central, c'est-à-dire du type de celui qui est représenté sur la figure 2. On désigne respectivement par les références 82 et 84 les deux sélecteurs circulaires ainsi mis en oeuvre. Des moyens 86 de génération des particules permettent, d'une part, la mise en suspension des particules que l'on cherche à caractériser (ces moyens peuvent comporter par exemple un système de pulvérisation de poudre ou de liquide par méthode pneumatique) et, d'autre part, de conférer un état de charge donné en particules pulvérisées, de façon à pouvoir associer à l'aérosol obtenu une certaine loi statistique de distribution des charges en fonction du diamètre.Un échantillon de gaz contenant les particules est alors introduit en continu, avec un débit Qa' par la fente annulaire 88 du disque supérieur 90 du sélecteur 82. L'introduction des particules peut se faire, par exemple, par un étage intermédiaire défini par le disque 90 et un autre disque 92 situé audessus de ce disque 90. Le flux laminaire, centripète et stable, au débit Q,, est établi dans le sélecteur 82 par un circuit comprenant une pompe 94, un filtre 96 et un régulateur de débit 98. En fait, ce circuit de circulation du gaz ne se referme pas sur l'entrée du sélecteur 82, mais sur l'entrée du sélecteur 84, le circuit d'aspiration pour ce second sélecteur étant, lui, relié à l'entrée du sélecteur 82. Les particules sélectionnées par le premier sélecteur 82 sont envoyées, par l'intermédiaire d'une conduite 100, vers le sélecteur 84. Elles traversent la fente annulaire 102 du disque inférieur 104. L'introduction des particules peut se faire par exemple par un étage intermédiaire défini par le disque 104 et un autre disque 106 situé en-dessous. Le flux laminaire, centripète et stable de gaz, au débit Q,, est établi par le circuit comportant la pompe 112, le filtre 110 et le régulateur de débit 114. Les particules sélectionnées par l'orifice de sortie du sélecteur transitent en direction d'un système de détection 108.
Les particules initiales ayant un état de charge donné, les particules comptées par le détecteur 108 sont celles ayant un diamètre déterminé par les tensions, ou champs électriques, et par les caractéristiques géométriques et de débit des appareils 82, 84.
Dans le cas d'un sélecteur fonctionnant "en série" (du type de celui décrit en liaison avec la figure 2), l'expérience suivante a été réalisée. Un champ électrique E- a été appliqué, au premier sélecteur, pour sélectionner des particules sphériques de polystyrène "Latex" de diamètre parfaitement connu.
Par ailleurs, on a recherché le champ électrique E+ qui permet d'extraire, du second sélecteur, ces particules issues du premier. Les différences de tensions U+ et U correspondant aux champs E+ et E- doivent alors satisfaire à la relation (7) ci-dessus.
La figure 6 représente la comparaison entre les valeurs des différences de tension prévues selon la relation (7), et celles déterminées expérimentalement, pour des particules ayant des diamètres compris entre 0,107 um et 0,966 un, et donc des masses comprises entre 5.10-16 grammes et environ 5.10-13 grammes. Les droites I et II correspondent respectivement aux états de charge n=1 et n=2, les valeurs expérimentales étant données respectivement par des carrés et des points noirs. Il est constaté un très bon accord entre les prédictions théoriques et l'expérience, avec une incertitude sur les masses inférieure à 5% pour les particules les plus grosses.
Le dispositif selon l'invention est donc un nouveau type d'analyseur différentiel de mobilité électrique qui, par son principe, permet d'accéder à la granulométrie de particules, en particulier de particules supermicroniques (taille des particules supérieure ou égale à 1 pm, notamment comprise entre 2 et 5 un) . Les systèmes classiques, connus, commercialisés, sont en général limités à des particules de taille inférieure à 1 um. En effet, ces appareils ne permettent d'obtenir qu'une information, qui est la mobilité électrique. Or, les particules supermicroniques peuvent porter des charges multiples importantes, et la déconvolution du signal devient alors impossible. Il est donc nécessaire d'avoir une information sur le nombre n de charges portées par les particules sélectionnées, ce que permet le système selon l'invention, grâce à ces deux informations provenant d'une double sélection effectuée en série ou en parallèle.
Claims (21)
1. Sélecteur de particules chargées d'une atmosphère à examiner, comportant * un premier (2, 82) et un second (4, 84) sélecteurs de
mobilité électrique circulaire, chaque sélecteur
comportant
- un premier et un second disques (6, 8, 10, 12, 90,
104) coaxiaux, espacés et parallèles entre eux,
une fente annulaire d'entrée (14, 18, 88, 102), de
rayon r1 (r'1) étant pratiquée dans le premier
disque,
- une aspiration centrale (22, 24), cette aspiration
permettant de faire circuler, dans l'espace (3, 5)
entre les disques, un écoulement d'air, laminaire,
centripète et stable,
- des moyens pour appliquer un champ électrique
entre les deux disques, * des moyens (28, 34, 100) pour diriger les particules,
sélectionnées par une fente annulaire (16, 36) de
sélection, de rayon r2 (r2 < r1) pratiquée dans le
second disque du premier sélecteur de mobilité
électrique circulaire, vers la fente annulaire
d'entrée (18, 102) du second sélecteur de mobilité
électrique circulaire.
2. Sélecteur selon la revendication 1, le second disque (10, 104) du second sélecteur (4, 84) étant muni d'une fente annulaire (20, 38) de sélection de rayon r2 (r'2 < r'1).
3. Sélecteur selon la revendication 2, la fente annulaire de sélection de l'un ou de l'autre (ou des deux) sélecteur(s) de mobilité électrique circulaire se réduisant à un seul orifice d'extraction central (36, 38).
4. Sélecteur de particule chargées d'un aérosol comportant * un premier (42) et un second (44) sélecteurs de
mobilité électrique circulaire, chaque sélecteur comportant
- un premier (46, 50) et un second (48) disques,
coaxiaux, espacés et parallèles entre eux,
- une aspiration centrale (56, 58), l'aspiration
permettant de faire circuler, dans l'espace (51,
53) entre les deux disques, un écoulement d'air,
laminaire, centripète et stable,
~ des moyens pour appliquer un champ électrique
entre les deux disques, * des moyens pour introduire les particules de
l'aérosol à examiner, en parallèle dans l'un et
1 'autre sélecteurs.
5. Sélecteur selon la revendication 4, le premier disque d'au moins un des deux sélecteurs de mobilité électrique circulaire comportant une fente annulaire (52, 54) d'extraction, de rayon r1.
6. Sélecteur de particules chargées d'un aérosol; comportant * un premier (46) et un second disques (50), coaxiaux,
espacés et parallèles entre eux, comportant chacun
une aspiration centrale (56, 58) pour faire circuler,
dans l'espace entre les deux disques, un écoulement
d'air laminaire, centripète et stable, * des moyens pour appliquer un champ électrique entre
les deux disques, * des moyens pour introduire les particules de
l'aérosol entre le premier et le second disque, à
partir de la périphérie des deux disques.
7. Sélecteur selon la revendication 6, au moins l'un des deux disques comportant une fente (52, 54) d'extraction annulaire de rayon r1.
8. Sélecteur de particules selon l'une des revendications 1 à 5, comportant en outre des moyens pour faire varier le champ électrique appliqué dans le premier -et/ou le second sélecteur de mobilité électrique circulaire.
9. Sélecteur selon l'une des revendications 6 ou 7, comportant en outre des moyens pour faire varier le champ électrique appliqué entre les deux disques conducteurs.
10. Sélecteur selon l'une des revendications 8 ou 9, comportant en outre des moyens pour échantillonner la, ou les, valeur(s) de champ électrique appliquée(s).
11. Sélecteur selon la revendication 10, comportant en outre des moyens pour additionner et/ou soustraire les valeurs échantillonnées des champs électriques.
12. Sélecteur selon l'une des revendications 1 à 11, comportant en outre des moyens pour calculer la mobilité électrique des particules sélectionnées, et/ou leur temps de relaxation et/ou leur diamètre géométrique, et/ou leur masse, et/ou leur masse volumique.
13. Sélecteur selon l'une des revendications 1 à 5, comportant en outre des moyens pour faire varier le débit d'écoulement d'air dans le premier (2, 42, 82) et/ou le second (4, 44, 84) sélecteurs de mobilité électrique circulaire.
14. Sélecteur selon l'une des revendications 6 ou 7, comportant en outre des moyens pour faire varier le débit d'écoulement d'air entre les deux disques (46, 50).
15. Sélecteur selon l'une des revendications 2, 3, 5 ou 7, comportant en outre des moyens de détection (108) des particules chargées.
16. Sélecteur selon l'une des revendications 2, 3, 5 ou 7, comportant en outre au moins un collecteur mécanique ou électrostatique des particules sélectionnées.
17. Spectromètre pour particules chargées comportant un sélecteur selon l'une des revendications 1 à 16.
18. Dispositif pour la mesure de la granulométrie d'un aérosol comportant un spectromètre selon la revendication 17 et des moyens pour établir la granulométrie de l'aérosol.
19. Procédé de sélection de particules chargées mettant en oeuvre un sélecteur selon l'une des revendications 1 à 3, le premier (2) sélecteur de mobilité électrique circulaire ayant sa fente annulaire d'entrée (14) disposée au-dessus de sa fente de sélection (16), tandis que l'autre (4) a sa fente annulaire d'entrée (18, 102) disposée au-dessous de son second disque (10, 104).
20. Procédé de sélection de particules chargées mettant en oeuvre un sélecteur selon l'une des revendications 4 ou 5, l'introduction des particules ayant lieu, pour chaque sélecteur, au-dessus d'un des premier et second disques et au-dessous de l'autre disque.
21. Procédé de sélection de particules chargées mettant en oeuvre un sélecteur selon l'une des revendications 6 ou 7, l'introduction des particules ayant lieu au-dessus de l'un (50) des deux disques et au-dessous de l'autre disque (46).
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9601868A FR2745086B1 (fr) | 1996-02-15 | 1996-02-15 | Selecteur de particules chargees, en fonction de leur mobilite electrique et de leur temps de relaxation |
| US08/795,795 US6012343A (en) | 1996-02-15 | 1997-02-05 | Charged particle selector as a function of particle electrical mobility and relaxation time |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| FR9601868A FR2745086B1 (fr) | 1996-02-15 | 1996-02-15 | Selecteur de particules chargees, en fonction de leur mobilite electrique et de leur temps de relaxation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2745086A1 true FR2745086A1 (fr) | 1997-08-22 |
| FR2745086B1 FR2745086B1 (fr) | 1998-03-13 |
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ID=9489221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9601868A Expired - Lifetime FR2745086B1 (fr) | 1996-02-15 | 1996-02-15 | Selecteur de particules chargees, en fonction de leur mobilite electrique et de leur temps de relaxation |
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|---|---|
| US (1) | US6012343A (fr) |
| FR (1) | FR2745086B1 (fr) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112698116A (zh) * | 2020-11-12 | 2021-04-23 | 中山大学 | 一种环境参数可调的气溶胶荷电量检测装置及其工作方法 |
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|---|---|---|---|---|
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