-1- Procédé de mesure instantanée et continu de particules ou de pollens dans l'air et dispositif associé -1- Method for instantaneous and continuous measurement of particles or pollens in the air and associated device
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. The subject of the present invention is a process for instantaneous and continuous measurement of particles or pollens in the air with a view to preventing frail persons, in particular asthmatics and people suffering from cardiovascular diseases, from the risks incurred if they occur. expose to too polluted air and its associated device.
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. Said method is suitable, as will be apparent from its description, to detect in the immediate environment of a person and instantly, the particulate pollutants in the air that we breathe, which would be beyond a threshold deemed dangerous by health services, and to warn these individuals individually. It is known that people with respiratory problems, such as asthmatics and people with cardiovascular diseases, in the presence of particularly particulate pollutants, must limit their exits if certain pollutants are exceeded and even limit their physical activity. . Until now, when these people wanted to know if they could leave their homes without risk vis-à-vis pollutants such as particles, they had to inquire (television, radio ...) without being sure of this information in terms of location or that a peak of pollution occurs sporadically during the day. In addition, when the person is far from any source of information, she has no other prevention solution. If there are devices for measuring particles in the air, especially based on optical processes, they are not very autonomous, bulky and can not work for too many different particles or too many. In addition, their high price (> 5,000 Euro) and their complexity would make their use unsuitable for children. There are also small sampling devices for analysis, but the result is available far too late because you have to send the sample to a laboratory.
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.Finally, there are many devices using micro balances based on the principle of resonance frequency change of piezoelectric elements, but these devices operate on the principle of the accumulation of particles on a filter disposed on a piezoelectric element or on a resonance rod (Tapered Element Oscillating Microbalance) and therefore can not give an instantaneous and continuous value. For example, patents US 3926271, US 4294105, US 6972841 or WO / 1994 / 007121A1 describe such devices. Patashnick and Rupprecht describe TEAP (Tapered Element Oscillating Microbalance) as a very promising method (see: continuous PM 10 measurements using the Tapered Element Oscillating Microbalance published in Journal Air Waste Management Association 41: 1079, 1991). According to this TEOM method, the air taken is heated to 50 ° C to remove moisture and the particles are collected on a Teflon filter at the end of a long rigid rod resonant. The amplitude of this oscillation then decreases with the mass collected on the filter. Although this method is very sensitive, its detection limit is of the order of 1 nanogram / cm 2 of filter area, which implies that the measurement must be made over a period long enough for a sufficient quantity of material to be measured. deposits on the filter. However, the particle contents that must be measured in the air are of the order of one nanogram per liter of air and a particle of diameter 1 m weighs less than one picogram. This method therefore does not allow instantaneous and continuous measurement of such small particles with such a low concentration. In addition, this method is subject to many interferences which lead to an underestimation of the number of particles in the air: * A large part of the semi-volatile compounds is not taken into account, 15 * Similarly with the unstable compounds such as ammonium nitrate, an important part of the PM 2.5 that goes to the lower respiratory tract, * As the measurement is done over a long period (up to a week), many desorptions take place as well as some reactions with the components of the particles and the air which in this period is not itself constant (in humidity, quantity of pollutants, etc.). This method can not absolutely give an instantaneous value of the particulate concentration in the air, essential information for fragile people such as asthmatics or cardiovascular patients so that they can take shelter and / or adapt their activity (not to run, to calm down ...) 25 in order to avoid a serious crisis. In addition, these devices are expensive and bulky. The present invention makes it possible to eliminate the main problem of the lack of knowledge of the presence of a risk for frail persons, by a method and a miniature device that is simple, reliable and inexpensive and which will warn them with certainty in case of exceeding the threshold. particulate pollutants.
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.The method which is the subject of the present invention makes it possible to know instantaneously and continuously the mass of the particles in the air by measuring the variation of the frequency (of the current or of the impedance) of at least one piezoelectric element put into resonance. due to the impact of said particles on said piezoelectric element. According to a preferred arrangement of the present invention, two resonant piezoelectric elements are used which are arranged parallel to a distance of between 10 mm and 0.001 mm. Preferably, air is circulated whose particle content is to be measured between the two piezoelectric elements by means of a fan or an air pump. The two piezoelectric elements are sufficiently close together so that the impact of a piezoelectric element on the particles leads to projecting the particles towards the second piezoelectric element which does the same, and so on so that there is thus a an increased number of impacts which will make it possible to amplify the kinetic energy absorbed by the piezoelectric elements thus allowing an amplified measurement of the variation in frequency, impedance or current of the signal produced. According to another preferred arrangement of the present invention, said piezoelectric elements are resonated in longitudinal or transverse mode or a combination of the two modes so that the particles receive an impact perpendicular to the surface of the piezoelectric elements. The said piezoelectric elements may also be coated with a hydrophobic material to prevent their fouling and / or be periodically resonated at a different frequency and adapted to the detachment of the particles in order to operate a cleaning. According to another preferred arrangement of the present invention, said piezoelectric elements are in the form of a cylinder or part of a cylinder and are arranged in concentric circular arc around the air flow sent by the fan and thus set in rotation. FIG. 1 shows the view of an exemplary device according to the invention with two piezoelectric elements (1) and (2) in the form of thin blades connected by the connectors (3) to the resonance and analysis circuit. signal (4) and between which flows the air to be analyzed (8). These piezoelectric elements are judiciously arranged with respect to the rotational air flow (9) sent by the fan (5) so that an accurate granulometric slice passes through them in order to be able to provide, in addition to the information on the mass of the particles, a information on their size: for example particles smaller than 2,511m (PM2.5), between 1 and 10 gin (PM10) or greater than 10 gm (some pollen). This arrangement is based on a spacing between the axis (7) of the fan (5) and the axis (6) of the arcuate piezoelectric elements (1) and (2) Moreover, given the highly centered character of pollen granulometry (2411m for example for that of birch) the arrangement of these elements can be set so that particles of a particular diameter pass between two piezoelectric elements which allows to measure specifically this particle size range and therefore of measure pollen. Indeed, considering that the particle size distribution in the air is usually very slack, if a large number of particles of the same diameter and identical to that of a specific pollen is measured then it is very likely that it is the pollen of the corresponding diameter. The device for implementing the method that is the subject of the present invention also implements an electronic circuit making it possible to analyze the frequency, current or impedance change of said piezoelectric elements due to the impact of the particles. , in order to compare the values of particulate concentrations with the regulatory thresholds of pollutants and to alert individuals individually to an air pollution threshold that is harmful to health.
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. A visual alarm (a light-emitting diode, a liquid crystal display), audible (buzzer) or vibrating (vibrator), reliable can then be given via an electronic circuit managing the levels of alerts. A first application is an individualized wrist or belt warning device which alerts asthmatics or cardiovascular patients to the presence of a particle pollution peak or pollen so that they adapt their activity and thus avoids an asthma attack or an infarction.