FR2938649A1 - Procede et systeme d'analyse de particules solides dans un milieu - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un système (1) d'analyse de particules solides dans un milieu (2), comprenant un moyen d'illumination (3) apte à générer un champ lumineux (30) dans le milieu (2), un moyen de piégeage (4) d'au moins une partie (30') du champ lumineux (30) généré et disposé dans la direction (31) dudit champ lumineux (30), et un moyen principal de détection (5) du champ lumineux (30") diffusé par lesdites particules solides dans ledit milieu (2). Dans ce système, le moyen principal de détection (5) comprend un photodétecteur (52) du champ lumineux (30") diffusé par les particules solides dans le milieu (2) et un compteur (53) de ces particules solides dans ce milieu (2), ce moyen principal de détection (5) étant orienté dans une direction (51) formant un angle (α) sensiblement inférieur à 30° par rapport à la direction (31) du champ lumineux (30) généré. La présente invention concerne également un procédé d'analyse de particules solides dans un milieu (2) mettant en oeuvre un tel système (1) d'analyse.

Description

PROCEDE ET SYSTEME D'ANALYSE DE PARTICULES SOLIDES DANS UN MILIEU

La présente invention concerne un procédé et un système d'analyse de particules solides dans un milieu.

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine de la détection et de la mesure de la quantité de particules solides (concentration, distribution en taille, masse totale, nature, etc.) présentes dans l'atmosphère. Elle s'applique notamment pour la mesure en continu d'aérosols afin d'améliorer la qualité de l'air, par exemple l'air ambiant, un rejet industriel ou un gaz moteur.

Elle se rapporte plus particulièrement à un système d'analyse de particules solides dans un milieu, comprenant un moyen d'illumination apte à générer un champ lumineux dans le milieu, un moyen de piégeage d'au moins une partie du champ lumineux généré et disposé dans la direction de ce champ lumineux, et un moyen principal de détection du champ lumineux diffusé par ces particules solides dans ce milieu.

Elle se rapporte également à un procédé d'analyse de particules solides dans un milieu, comprenant une étape d'illumination consistant à générer un champ lumineux dans le milieu, une étape de piégeage d'au moins une partie du champ lumineux généré et disposé dans la direction de ce faisceau lumineux, et une étape de détection du champ lumineux diffusé par ces particules solides dans ce milieu. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE L'impact des particules sur la santé publique impose la mise en oeuvre d'instruments de détection et de mesure des particules solides dans l'atmosphère qui présentent une grande précision et qui puissent détecter des particules de toutes natures, y compris les particules les plus sombres comme les suies ainsi que les particules de petites dimensions, typiquement inférieures à quelques micromètres.

Une première technique de mesure des particules solides dans l'atmosphère consiste en une mesure manuelle gravimétrique, par prélèvement des particules avec un filtre puis pesée des particules filtrées. Cette technique considérée comme la référence au sens réglementaire, demeure une technique inadaptée pour faire des opérations de contrôle sur site en temps réel du fait de la nécessité d'un traitement manuel.

Une deuxième technique connue consiste à utiliser un dispositif de microbalance à élément oscillant aux fins de disposer d'une mesure automatique adaptée aux opérations de contrôle sur site. Une telle mesure présente l'inconvénient d'être dépendante des conditions ambiantes, en particulier de l'humidité, ainsi que de la composition des particules dans le cas où des composés volatiles sont présents. Pour compenser cette dépendance, des corrections empiriques sont mises en oeuvre par l'ajout de coefficients déterminés a posteriori, ce qui s'avère contraignant et peu fiable.

Une troisième technique connue consiste en l'absorption d'un rayonnement Bêta. Cette solution, dite jauge Bêta , implique l'utilisation d'une source radioactive et s'avère également inutilisable en temps réel. En effet, en fonction de la concentration en particules solides, un résultat de mesure peut être obtenu chaque heure au mieux. De plus, cette technique voit son minimum de détection se dégrader pour des particules de petites dimensions.

Pour améliorer la précision sur la mesure et éviter de détruire l'échantillon, des solutions utilisant des mesures optiques non intrusives ont été développées pour déterminer la concentration en particules du milieu ainsi que la distribution par gamme de tailles. Ces techniques sont sensibles à de fortes variations temporelles de la concentration en aérosols et peuvent permettre de détecter de très faibles concentrations.

Ces solutions consistent principalement à prélever et à canaliser les particules solides, sous forme d'aérosols, dans un conduit. Un dispositif d'émission d'un rayonnement laser éclaire ces particules solides, ce qui provoque la diffusion de ce rayonnement. Un dispositif de détection est agencé vis-à-vis du dispositif d'émission de manière à collecter une partie de la lumière diffusée. Cette lumière diffusée collectée permet de réaliser une mesure quantitative du nombre de particules (comptage) qui est ensuite convertie en concentration massique ainsi que d'avoir un classement par gamme de tailles.

Plusieurs moyens de mesure optique sont connus. Un premier moyen est un photomètre permettant de mesurer de manière instantanée les variations de flux liées aux variations de concentration en particules solides. On peut alors déduire des mesures de photométrie la variation de la concentration en particules solides par unité de temps. Un deuxième moyen est un compteur d'aérosols pour analyser la présence de particules par un détecteur d'impulsions. Cette technique permet d'estimer la concentration en particules entre un seuil de taille minimale et un seuil de taille maximale. II peut également mesurer la taille des particules par l'intensité du flux lumineux détecté. II est également possible de combiner ces deux moyens pour obtenir des résultats hybrides.

Une solution fondée sur une mesure optique est présentée dans le document de brevet US 2003/0054566. Dans ce document, un aérosol contenant des particules solides est introduit dans une cellule de mesure. Un faisceau laser traverse une fenêtre d'entrée jusqu'à l'intérieur de la cellule de mesure et intercepte le flux d'aérosol. Le faisceau laser est diffracté sur les particules de l'aérosol, ces dernières constituant un obstacle à la lumière. La lumière diffusée qui est générée par la diffraction du faisceau laser traverse ensuite une fenêtre de sortie, puis est focalisée au moyen d'une lentille vers un détecteur. On obtient ainsi une mesure de la lumière diffusée par les particules.

Cette solution présente toutefois un inconvénient majeur. La collection de la lumière diffusée par les particules solides ne permet pas d'obtenir une précision de mesure acceptable. Ainsi cette technique souffre d'imprécision sur les résultats fournis, notamment lors de la présence de particules de petites dimensions et sombres, comme les suies.

Une autre solution est décrite dans le document de brevet CA 2 017 031. Dans ce document, une source lumineuse génère un faisceau lumineux en direction du milieu à analyser. Un collecteur de la lumière diffusée comprend en outre un matériau transparent et fluorescent. Des photorécepteurs sont disposés de manière à être couplés optiquement à certaines régions du collecteur par lesquelles la lumière diffusée peut sortir.

L'inconvénient de cette solution réside dans la position des détecteurs et la complexité de mise en oeuvre. Cette disposition des détecteurs ne fournit pas toujours une quantité de lumière diffusée suffisante en vue d'obtenir une précision élevée sur les résultats de mesure, en particulier pour des particules sombres et/ou absorbantes et celles de petite taille.

Une autre solution est décrite dans le document de brevet US 5,043,591. Dans ce document, un système d'analyse de particules comprend une première chambre de diffusion, des moyens pour fournir un échantillon de fluide sous la forme d'un flux laminaire dans la première chambre de diffusion, ainsi qu'un faisceau lumineux ù par exemple généré par un laser ù agencé pour intercepter l'échantillon à des angles droits par rapport à la direction du flux de l'échantillon au niveau d'un point focal d'un premier miroir concave. Ce premier miroir concave est utilisé pour diriger la lumière diffusée par les particules individuelles dans l'échantillon vers au moins un collecteur de lumière. Le système comprend également des moyens de conversion de la lumière collectée en des signaux électriques en vue de leur traitement et de leur analyse, ainsi que des moyens de piégeage de la lumière non diffusée. Il est ainsi possible de collecter un flux lumineux diffusé plus important, ce qui améliore la précision sur les mesures de lumière diffusée par les particules.

Toujours dans ce document, il est également prévu de pratiquer une ouverture dans le premier miroir concave pour mener jusqu'à une deuxième chambre de diffusion comprenant un deuxième miroir concave et un collecteur de lumière disposé au niveau de son point focal proche et positionné de sorte que son point focal lointain soit au point d'interception du faisceau lumineux et de l'échantillon.

Le but de cette deuxième chambre de diffusion est de permettre la détection et l'analyse de la lumière diffusée à de faibles angles par des particules individuelles. Cette partie du faisceau lumineux fournit en effet des informations en vue de déterminer les dimensions des particules.

Cette solution permet alors, en temps réel, à la fois de compter les particules individuelles dans un échantillon afin de distinguer différentes formes de particules ù sphériques ou non sphériques ù et de les compter séparément, ainsi que de classer les particules par catégories de dimensions.

Néanmoins, cette solution présente l'inconvénient d'être coûteuse et complexe à mettre en oeuvre. En effet, les chambres de diffusion, les optiques de collimation et les miroirs concaves, bien que fournissant plus de lumière diffusée en direction des collecteurs, s'avèrent relativement coûteux et difficiles à assembler.

Par ailleurs, avec les techniques connues de mesures optiques, des situations très différentes sur la taille et la nature des particules peuvent conduire à des flux lumineux similaires à certains angles de diffusion, ce qui en fait des techniques considérées comme peu fiables pour l'identification de la nature des particules.

Ainsi aucune solution de l'état de la technique ne permet d'effectuer un comptage précis et en temps réel afin de déterminer la concentration des particules de petites dimensions et une mesure photométrique afin d'estimer la taille des particules et leurs différentes natures, en particulier dans le cas de particules sombres et/ou de petites dimensions, tout en étant simple de mise en oeuvre et peu coûteux.

OBJET DE L'INVENTION

Le but de la présente invention est de remédier à ces complexités techniques ; elle propose pour cela de disposer d'un moyen de détection simple à réaliser et à mettre un oeuvre, comprenant des éléments de comptage et de photométrie, de manière à être orienté dans une direction formant un angle inférieur à 30° par rapport à la direction du champ lumineux généré par le moyen d'illumination. La mesure de l'intensité de la lumière diffusée à ces angles permet d'estimer le nombre de particules par gammes de dimensions quasiment indépendamment de leur nature.

L'approche de la solution a consisté à étudier le comportement de la lumière vis-à-vis de particules de différents indices optiques, transparentes ou absorbantes, et de diamètres compris entre 1 et 10 micromètres, et à valider puis étalonner le concept par des particules réelles de natures diverses. II est alors apparu, de manière surprenante, que la détection présente un niveau plus élevé pour des angles de diffusion sensiblement inférieurs à 30°.

Dans ce but, l'invention a pour objet un système d'analyse de particules solides dans un milieu, comprenant un moyen d'illumination apte à générer un champ lumineux dans le milieu, un moyen de piégeage d'au moins une partie du champ lumineux généré et disposé dans la direction de ce champ lumineux, et un moyen principal de détection du champ lumineux diffusé par les particules solides dans le milieu. Dans ce système, le moyen principal de détection comprend un photodétecteur du champ lumineux diffusé par les particules solides dans le milieu et un compteur de ces particules solides dans ce milieu, ce moyen principal de détection étant orienté dans une direction formant un angle sensiblement inférieur à 30° par rapport à la direction dudit champ lumineux généré. Cette solution permet de réaliser de manière simple un système précis d'analyse de particules solides en temps réel, sans utiliser de moyen de collection de la lumière diffusée par les particules, comme par exemple une lentille ou un miroir concave qui aurait encombré le système et compliqué sa mise en oeuvre. L'invention utilise pour se faire un angle de diffusion permettant une meilleure détection des particules sombres et de petites dimensions. Cet angle de détection minimise l'influence de l'indice de réfraction des particules sur le flux mesuré, la mesure n'étant alors sensible qu'à la taille des grains.

En effet, pour un angle inférieur à 30°, le fait que les particules soient ou non absorbantes influence peu la quantité de lumière diffusée. Cette quantité est dominée par le diamètre de la particule et non par son albédo, i.e. le fait qu'elle soit claire ou sombre. Pour des angles de diffusion plus élevés, la lumière diffusée est fortement dépendante du pouvoir d'absorption des particules, celle-ci étant d'autant plus faible que la particule est absorbante. Ainsi les instruments effectuant conventionnellement des mesures entre 60° et 180° détectent aisément les particules claires et/ou transparentes, mais ne détectent les particules de grandes dimensions seulement lorsqu'elles sont sombres.

De préférence, le moyen principal de détection est orienté dans une direction formant un angle sensiblement compris entre 10° et 20° par rapport à la direction du champ lumineux. Des mesures à un angle de diffusion inférieur à 10° ne sont en effet pas optimales du fait de la contamination par la source lumineuse.

De préférence, le moyen principal de détection est orienté dans une direction formant un angle sensiblement égal à 15° par rapport à la direction du champ lumineux, ce qui permet de réaliser un comptage optimal des particules solides. Selon une variante préférée de l'invention, le système d'analyse comprend également au moins un moyen complémentaire de détection du champ lumineux 730 diffusé par les particules solides dans le milieu, ce moyen complémentaire de détection comprenant un photodétecteur du champ lumineux diffusé par les particules solides dans le milieu et un compteur de ces particules solides dans ce milieu. En utilisant ainsi plusieurs moyens de détection disposés à des angles différents, à savoir un moyen principal entre 0° et 30° et au moins un moyen complémentaire entre 40° et 140°, on obtient simultanément des mesures à des angles de diffusion afin d'estimer la nature des particules majoritaires dans l'atmosphère analysé, par comparaison avec des mesures expérimentales de référence obtenues en laboratoire.

En effet, une mesure à un deuxième angle de diffusion sensiblement compris entre 40° et 140° rend le flux diffusé très dépendant de l'indice, ce qui permet d'accéder plus particulièrement à une estimation de la nature des particules.

De préférence, au moins un moyen complémentaire de détection est orienté dans une direction formant un angle compris sensiblement entre 40° et 140° par rapport à la direction du champ lumineux.

De préférence au moins un moyen complémentaire de détection est orienté dans 20 une direction formant un angle sensiblement égal à 60° par rapport à la direction du champ lumineux.

Dans une variante particulière de l'invention, au moins un compteur comprend un bloc de traitement du signal généré par le moyen de détection correspondant. 25 Dans ce dernier cas, de préférence, un signal impulsionnel généré par le moyen de détection est rejeté par le bloc de traitement de signal correspondant si sa durée ne dépasse pas une valeur seuil fonction de la vitesse des particules solides dans le milieu, afin d'éliminer des fausses détections dues au bruit 30 électronique. Le photodétecteur et le compteur sont combinés pour obtenir des informations complémentaires sur les particules solides. Le photodétecteur permet de classer les particules par catégories de dimensions, tandis que le compteur permet de compter les particules solides par détection des impulsions lumineuses reçues afin de fournir la concentration totale en particules par unité de volume, ainsi que la concentration par unité de volume pour des particules par gamme de taille.

Selon une variante particulière de l'invention, le système d'analyse comprend également un moyen d'analyse polarimétrique du champ lumineux diffusé. En combinant ainsi un moyen de détection par comptage et photométrie et un moyen d'analyse polarimétrique, on obtient un ensemble d'informations complémentaires permettant d'améliorer la précision sur les résultats fournis, notamment sur la nature des particules.

Dans un mode particulier de réalisation, le moyen d'illumination comprend une source lumineuse constituée d'une diode laser.

Dans un autre mode particulier de réalisation, le moyen d'illumination comprend un diaphragme de sélection d'une partie du champ lumineux, ce qui permet de sélectionner une partie du faisceau lumineux, par exemple la partie la plus brillante ou la plus homogène.

Dans un autre mode particulier de réalisation, le moyen de piégeage comprend un canon optique et un piège à lumière. Ce moyen de piégeage, situé dans la direction du champ lumineux généré par le moyen d'illumination, permet d'éviter que la lumière non diffusée ne vienne fortement parasiter les mesures effectuées par les moyens de détection. Le canon optique permet de guider la lumière non diffusée jusqu'au piège à lumière afin que celle-ci ne puisse atteindre les moyens de détection.

Dans une variante particulière de l'invention, le système d'analyse comprend une chambre de diffusion comportant un échantillon de particules solides et disposé de manière à intercepter au moins une partie du champ lumineux généré par le moyen d'illumination. Cette chambre permet de contenir un échantillon de particules à analyser, les moyens d'illumination, de piégeage et de détection étant disposés au niveau d'ouvertures pratiquées dans la chambre.

Avantageusement, le système d'analyse comprend également des moyens d'entraînement de l'échantillon de particules solides aptes à entraîner l'échantillon le long de la chambre de diffusion à une vitesse prédéterminée. Ces moyens permettent de contrôler la vitesse des particules solides dans la chambre et donc de connaître le débit du milieu à analyser.

Avantageusement, le système d'analyse comprend également des moyens de filtrage des particules solides, disposés à l'entrée de la chambre de diffusion de manière à sélectionner ces particules solides en fonction de leurs dimensions. On peut ainsi filtre une gamme de tailles de particules à analyser. Plusieurs têtes de filtrage sont à cet effet disponibles pour choisir la gamme adéquate.

L'invention concerne également un procédé d'analyse de particules solides dans un milieu, comprenant une étape d'illumination consistant à générer un champ lumineux dans le milieu, une étape de piégeage d'au moins une partie du champ lumineux généré et disposé dans la direction de ce faisceau lumineux, et une étape de détection du champ lumineux diffusé par ces particules solides dans ce milieu. Dans ce procédé d'analyse, l'étape de détection du champ lumineux diffusé consiste à réaliser une photodétection du champ lumineux diffusé par les particules solides dans le milieu et à compter ces particules solides dans ce milieu, cette étape de détection s'opérant dans une direction formant un angle sensiblement inférieur à 30° par rapport à la direction du champ lumineux généré.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation, accompagnée de figures représentant30 respectivement : - la figure 1, un schéma d'un système d'analyse de particules solides dans un milieu selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2, des vues d'un système d'analyse de particules solides dans un milieu selon le mode particulier de réalisation de l'invention, - la figure 3, un schéma d'un système d'analyse de particules solides dans un milieu selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, et - la figure 4, un schéma d'un compteur d'un système d'analyse selon un mode particulier de réalisation de l'invention.

EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

En référence à la figure 1, un système 1 d'analyse de particules solides dans un milieu 2, selon un premier mode de réalisation de l'invention, comprend un moyen d'illumination 3, un moyen de piégeage 4 de lumière, un moyen de détection 5 et une chambre de diffusion 6 des particules solides. Ce système permet d'obtenir la granulométrie des aérosols, c'est-à-dire la concentration en particules par gamme de tailles en fonction de leur diamètre.

Le moyen d'illumination 3 comprend une source lumineuse 31 et un diaphragme 32. Il est disposé de sorte que le champ lumineux qu'il génère soit intercepté par les particules solides en mouvement dans la chambre de diffusion 6, et qu'ainsi les particules en mouvement diffractent la lumière.

La source lumineuse 31 peut être une diode laser, dont la puissance peut être typiquement de l'ordre de la dizaine ou d'une vingtaine de milliwatts, ce qui ne présente pas de risque majeur lors d'une observation fortuite et indirecte du faisceau avec les yeux. Le faisceau est de forme oblongue avec deux distributions gaussiennes à 90° l'une de l'autre. Il est également possible de considérer qu'il est de forme quasi rectangulaire, avec un diamètre de 3,5 x 1,5 millimètres. Le faisceau traverse alors la chambre de diffusion 6 avec le côté le plus large du faisceau en vertical, c'est-à-dire parallèle à la chambre, ce qui fournit un temps de transit des particules dans le faisceau le plus long possible. La chambre étant cylindrique avec un diamètre de 22 millimètres, le volume du faisceau dans la chambre est de 0,1155 centimètres cube. Cette source lumineuse 31 émet un faisceau lumineux 30 dans une direction donnée 31. Le diaphragme 32 est placé devant la source lumineuse 31 de manière à sélectionner uniquement une partie du champ lumineux 30 généré par cette source. Il pourra être choisi par exemple la partie la plus brillante ou la partie la plus homogène du faisceau lumineux 30. 10 Le moyen principal de détection 5 comprend un photodétecteur 52 et un compteur 53. Ce moyen de détection 5 est disposé de manière à être orienté dans une direction 51 formant un angle a égal à 15° par rapport à la direction 31 du champ lumineux 30 généré par la source lumineuse 31. Cet angle est justifié 15 par le fait qu'aux petits angles de diffusion, l'effet du pouvoir absorbant des particules a peu d'influence. Au-delà de 30°, l'effet absorbant devient significatif et le flux diffusé chute fortement. Effectuer des mesures pour un angle de diffusion entre 10° et 20° présente alors plusieurs avantages. Le flux diffusé y est en effet à son maximum. Sachant que les gouttelettes liquides sont en très faible 20 quantité pour une dimension au-delà de 1 micromètre, le flux diffusé provient exclusivement des particules solides. Aux angles plus élevés, le flux diffusé par les particules solides absorbantes devient très faible et peut être confondu dans certains cas avec le flux diffusé par les particules liquides résiduelles de grandes dimensions. 25 Le photodétecteur 52 est une photodiode, préférentiellement donc la surface collectrice est la plus grande possible afin d'observer la totalité du flux lumineux dans la chambre de diffusion. Une surface collectrice de photodiode peut être typiquement de 3,6 millimètres carré. Ce photodétecteur permet de convertir le 30 flux lumineux reçu en signal électrique.

Le compteur 53 réalise un détecteur d'impulsions électriques converties par la photodiode 52 à partir du flux diffusé reçu.

La technique de comptage pour un angle inférieur à 30°, et plus particulièrement pour un angle de 15°, permet d'obtenir avec une bonne précision la concentration en particules solides ayant un diamètre d'environ 1 à 10 micromètres. De plus, l'intensité du flux diffusé à cet angle permet de fournir statistiquement une estimation qualitative du diamètre des particules détectées. Il est ainsi possible de fournir la concentration des particules par exemple dans 3 gammes de tailles : inférieures à 1 micromètre, entre 1 et 2,5 micromètres et entre 2,5 et 10 micromètres.

L'étalonnage de l'instrument (valeurs des flux mesurées en fonction de la taille des particules) est effectué en utilisant des particules de natures diverses, des plus claires aux plus sombres possibles. Ainsi, aucune utilisation d'un modèle théorique de calcul de diffusion lumineuse (telle la diffusion de Mie ) n'est nécessaire.

Le compteur 53 doit traiter le signal reçu afin de le filtrer et de distinguer les impulsions électriques qui correspondent à une particule diffusée par rapport à un signal issu d'une lumière parasite. Cet élément doit tenir compte de l'ordre de grandeur du flux lumineux à reçu par le détecteur.

Le compteur 53 comporte pour cela un bloc de conversion analogique-numérique 54 et un bloc de traitement du signal 55. Le débit étant de 1 mètre cube par heure, le temps de passage d'un aérosol dans le faisceau laser de 3,5 mm d'épaisseur est d'environ 5 mètres par seconde. Le bloc de conversion analogique-numérique 54 fonctionne donc à une fréquence d'au moins 10 kHz afin d'avoir un échantillonnage suffisant pour voir la largeur des impulsions lorsque la particule traverse le faisceau. On devrait alors disposer de plusieurs dizaines de points qui permettront de caractériser la longueur et l'intensité de l'impulsion. Le bloc de traitement du signal 55 sera décrit plus bas en référence à la figure 4.

L'homme du métier notera qu'aucune lentille, ou plus généralement aucun moyen de collection et de focalisation de la lumière, n'est intégrée au système d'analyse 1, ce qui rend plus facile l'intégration du système et réduit fortement ses coûts de réalisation.

Le moyen de piégeage de lumière 4 comprend un canon optique 41 et un piège à lumière 42. Il permet de piéger la lumière non diffusée, c'est-à-dire dont la trajectoire n'est pas perturbée par les particules qui traversent le faisceau, afin que celle-ci ne soit pas collectée par un détecteur et ne vienne alors perturber le résultat.

Le canon optique 41 permet de minimiser les réflexions lumineuses parasites au long du parcours du faisceau lumineux. Le piège à lumière 42 permet d'éviter les réflexions lumineuses parasites par le faisceau au terme de son parcours.

Un second canon optique 43 permet d'ajuster le champ de vue du détecteur à la 20 dimension de la chambre optique et de limiter le domaine d'angle de diffusion observé.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le canon optique 41 est remplacé par une fibre optique avec une lentille. Le canon optique est néanmoins 25 préféré dans la mesure où la fibre optique nécessite des réglages plus précis et engendre une perte de flux non négligeable.

La chambre de diffusion 6 présente la forme d'un tube cylindrique dans lequel les particules sont amenées à être en mouvement en traversant le tube. Cette 30 chambre est entourée d'une chambre noire permettant d'éviter des réflexions parasites sur les parois du tube et qui pourraient perturber les résultats de la mesure.15 Un dispositif d'aspiration de type pompe (non visibles) permet d'entraîner les particules à l'intérieur du tube de la chambre 6. Le débit de l'air est typiquement de l'ordre de 1 mètre cube par heure.

Un dispositif de sélection dimensionnel de type impacteur (non visible) placé en amont de la chambre de diffusion permet de ne laisser passer que les particules présentant une certaine gamme de diamètres, par exemple un diamètre inférieur à 10 micromètres.

Les figures 2A à 2C représentent des vues d'une mise en oeuvre d'un système d'analyse selon le mode de réalisation précédemment décrit. Les figures 2A et 2B représentent en particulier des vues de profil du système, tandis que la figure 2C représente une vue de dessus en coupe de ce système. 15 Le système d'analyse 1 se présente sous la forme d'un module optique qui peut être intégré ou relié à d'autres modules, en particulier des modules électroniques ou des modules d'affichage. La chambre de diffusion 6, qui joue le rôle de tube de prélèvement des particules solides, est entouré d'une chambre noire 80 qui 20 permet de l'isoler et ainsi de se prémunir des effets de lumières parasites.

On décrit maintenant un deuxième mode de réalisation du système d'analyse des particules solides en référence à la figure 3.

25 Les éléments de ce système d'analyse sont similaires à ceux du système d'analyse selon le premier mode de réalisation décrit précédemment en référence aux figures 1 et 2. Il comprend également un moyen complémentaire de détection 7 analogue au moyen principal 5, mais orienté dans une direction 71 formant un angle R sensiblement égal à 60° par rapport à la direction 31 du 30 champ lumineux 30. Ce moyen complémentaire 7 comprend un détecteur 72 et un compteur 73 similaires à ceux du moyen principale 5. Un troisième canon optique 44 permet d'ajuster le champ de vue du détecteur à la dimension de la 10 chambre optique et de limiter le domaine d'angle de diffusion observé.

Une mesure simultanée pour un angle de diffusion de 60°, là où l'effet de l'absorption est le plus évident, permet d'accéder à une estimation du pouvoir d'absorption, et donc de la nature des particules diffusantes. Cet angle correspond en effet à la zone où les particules les plus absorbantes diffusent le moins de lumière.

L'homme du métier notera que des particules très absorbantes, le flux diffusé est quasiment le même pour les angles au-delà de 60°, alors qu'il continue à décroître pour des particules moins absorbantes et qu'il peut remonter au-delà de 140°. De plus, la décroissance du flux diffusé est plus forte entre 0° et 60° pour des particules absorbantes et sombres que pour des particules claires et/ou transparentes. Dans ces conditions, il est possible de définir le rapport des intensités des flux diffusés autour de 15° et à partir de 60°, ce rapport étant d'autant plus grand que le matériau considéré est absorbant, et d'autant plus petit que le matériau est transparent.

Ainsi, en combinant les mesures aux alentours de 15° et 60°, il est possible de fournir une estimation de la nature des particules dominant le milieu étudié. Cette analyse est conduite en effectuant le rapport des signaux mesurés sur les deux voies pendant quelques secondes et en comparant les résultats à des mesures de références obtenues en laboratoires pour des familles de particules : composés carbonés, suies, sables, silices, silicates blancs, cendres industrielles, etc. Cette approche de comparaison par rapport à une base de données permet de s'affranchir de l'utilisation de modèles de diffusion lumineuse ne donnant que des résultats très imparfaits dans le cas de particules irrégulières.

D'autres moyens complémentaires de détection peuvent être utilisés à d'autres angles de diffusion, ce qui permet de fournir des informations complémentaires. Le nombre de ces moyens de détection reste toutefois limité par leur encombrement.

On décrit maintenant plus particulièrement le compteur 53 du système d'analyse 1 selon un mode particulier de réalisation de l'invention, en référence à la figure 4.

Le compteur 53 comprend un bloc de conversion analogique-numérique 54 et un bloc de traitement de signal 55. Ce compteur 53 est notamment en charge d'assurer que la détection provenant du détecteur d'impulsion est bien réelle, ainsi que de connaître le niveau de lumière parasite. Il permet de minimiser certains facteurs d'influence, comme le bruit électronique, l'humidité, la dérive dans le temps, etc.

Pour un faisceau de section 0,33 centimètres carré, avec un débit de 1 mètre cube par heure et une concentration de 1 particule par centimètre cube, il devrait être détecté jusqu'à quelques particules par seconde. Le bloc de conversion 54 doit donc effectuer un échantillonnage d'au moins 20 kHz pour bien séparer la contribution de chaque particule, qui se présente au niveau du signal sous la forme d'un pic.

II peut être enregistré par exemple 10 secondes de mesure, puis recherché simultanément dans les signaux d'une photodiode û ou de plusieurs dans le cas d'un système multi-détections û tous les pics présents. Chaque maxima relatif correspond à la détection d'une particule. En fonction du niveau de signal, on peut estimer si on est en présence d'une grosse particule (signal fort), d'une particule moyenne ou d'une petite particule (signal proche de la limite de détection et du bruit de fond dû aux aérosols liquides).

La photodiode 52 à un angle de diffusion de 15° sert à estimer la concentration en particules. La photodiode 72 à 60° sert à estimer la nature des particules.

Ainsi, dans le cas de deux détecteurs, il est nécessaire de diviser point à point les deux lignes de mesures. Il faut ensuite identifier à chaque position des pics la valeur du rapport entre les intensités mesurées à 15° et 60°. Ce rapport varie d'un pic à l'autre si la nature des particules change. Il est nécessaire préalablement de conduire des mesures en laboratoire avec des particules aux propriétés optiques connues afin d'établir empiriquement des valeurs de ce rapport. Comme illustré figure 4, le bloc de traitement du signal 55 comprend un comparateur Hystérésis multi-niveaux 56 et une unité de traitement 57. Le photodétecteur 52 et l'unité de traitement 57 sont alimentés par une alimentation 58. 10 Dans un mode de réalisation avantageux de ce bloc 55, celui-ci comprend également des moyens pour éliminer la contribution de la lumière parasite résiduelle, qui peut changer d'un instrument à l'autre, mais aussi évoluer au cours du temps. Grâce à ces moyens, le bruit de fond du détecteur est diminué, 15 améliorant sensiblement l'immunité au bruit du système détecteur/comparateur. Une détection de particules avec plus de sensibilité que sans filtre est alors possible.

Le comparateur 56 Hystérésis à N niveaux permet la distinction de plusieurs 20 tailles de particules à partir de l'amplitude du signal utile issu du photodétecteur. La fonction Hystérésis du comparateur 56 permet de s'affranchir des changements brutaux des états logiques en sortie du comparateur lorsque la forme du signal utile n'est pas continue dans sa progression.

25 L'unité de traitement 57 des différents niveaux de détection permet de compter le nombre de particules en fonction de leur classification dimensionnelle, de valider les mesures en contrôlant les valeurs des tensions d'alimentation du photodétecteur, le niveau de tension de sortie du détecteur et le courant d'alimentation du laser et permet d'obtenir des résultats de mesure pendant des 30 périodes continues d'échantillonnage.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est également possible de considérer la forme du signal enregistré. Du fait du temps de traversée des particules dans le faisceau d'une certaine épaisseur, le signal doit être sous la forme d'un pic d'une certaine largeur liée à la vitesse des particules. Dès lors, tout signal de durée très inférieure à ce temps peut être considéré comme du bruit. Le décalage électronique et la contribution de la lumière parasite peuvent être calculés entre deux pics bien séparés.

Dans une autre variante de l'invention, les moyens de détection sont combinés avec un moyen d'analyse polarimétrique du champ lumineux diffusé. Un système polarisant nécessitant l'utilisation de deux détecteurs par angle de diffusion où les mesures sont conduites peut être utilisé. Il est possible de reconstruire les courbes de diffusion lumineuse polarimétriques pour les particules dans le champ de vue. Ces mesures, par comparaison à une base de donnée obtenue préalablement en laboratoire, permettent d'accéder à la distribution en taille des particules et d'estimer leurs natures.

Les modes de réalisation précédemment décrits de la présente invention sont donnés à titre d'exemples et ne sont nullement limitatifs. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 ù Système (1) d'analyse de particules solides dans un milieu (2), comprenant un moyen d'illumination (3) apte à générer un champ lumineux (30) dans le milieu (2), un moyen de piégeage (4) d'au moins une partie (30') du champ lumineux (30) généré et disposé dans la direction (31) dudit champ lumineux (30), et un moyen principal de détection (5) du champ lumineux (30") diffusé par lesdites particules solides dans ledit milieu (2), caractérisé en ce que ledit moyen principal de détection (5) comprend un photodétecteur (52) du champ lumineux (30") diffusé par lesdites particules solides dans ledit milieu (2) et un compteur (53) desdites particules solides dans ledit milieu (2), ledit moyen principal de détection (5) étant orienté dans une direction (51) formant un angle (a) sensiblement inférieur à 30° par rapport à la direction (31) dudit champ lumineux (30) généré. 2 ù Système (1) d'analyse selon la revendication 1, dans lequel le moyen principal de détection (5) est orienté dans une direction (51) formant un angle (a) sensiblement compris entre 10° et 20° par rapport à la direction (31) du champ lumineux (30). 3 ù Système (1) d'analyse selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moyen principal de détection (5) est orienté dans une direction (51) formant un angle (a) sensiblement égal à 15° par rapport à la direction (31) du champ lumineux (30). 25 4 ù Système (1) d'analyse selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant également au moins un moyen complémentaire de détection (7) du champ lumineux (30"') diffusé par les particules solides dans le milieu (2), ledit moyen complémentaire de détection (7) comprenant un photodétecteur (72) du champ 30 lumineux (30m) diffusé par lesdites particules solides dans ledit milieu (2) et un compteur (73) desdites particules solides dans ledit milieu (2).205 ù Système (1) d'analyse selon la revendication 4, dans lequel au moins un moyen complémentaire de détection (7) est orienté dans une direction (71) formant un angle (13) compris sensiblement entre 40° et 140° par rapport à la direction (31) du champ lumineux (30). 6 ù Système (1) d'analyse selon la revendication 5, dans lequel au moins un moyen complémentaire de détection (7) est orienté dans une direction (71) formant un angle ((3) sensiblement égal à 60° par rapport à la direction (31) du champ lumineux (30). 7 ù Système (1) d'analyse selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un compteur (53) comprend un bloc (55) de traitement du signal généré par le moyen de détection (5) correspondant. 15 8 ù Système (1) d'analyse selon la revendication 7, dans lequel un signal impulsionnel généré par le moyen de détection (5) est rejeté par le bloc (55) de traitement de signal correspondant si sa durée ne dépasse pas une valeur seuil fonction de la vitesse des particules solides dans le milieu (2). 20 9 ù Système (1) d'analyse selon l'une des revendications précédentes, comprenant également un moyen d'analyse polarimétrique du champ lumineux diffusé. 10 ù Système (1) d'analyse selon l'une des revendications précédentes, 25 dans lequel le moyen d'illumination (3) comprend une source lumineuse (31) constituée d'une diode laser. 11 ù Système (1) d'analyse selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le moyen d'illumination (3) comprend un diaphragme (32) de 30 sélection d'une partie du champ lumineux (30) généré. 12 ù Système (1) d'analyse selon l'une des revendications précédentes, 10dans lequel le moyen de piégeage (4) comprend un canon optique (41) et un piège à lumière (42). 13 ù Système (1) d'analyse selon l'une des revendications précédentes, comprenant une chambre de diffusion (6) comportant un échantillon de particules solides et disposé de manière à intercepter au moins une partie du champ lumineux (30) généré par le moyen d'illumination (3). 14 ù Système (1) d'analyse selon la revendication 15, comprenant également des moyens d'entraînement de l'échantillon de particules solides aptes à entraîner ledit échantillon le long de la chambre de diffusion (6) à une vitesse prédéterminée. ù Système (1) d'analyse selon la revendication 13 ou 14, comprenant 15 également des moyens de filtrage des particules solides, disposés à l'entrée de la chambre de diffusion (6) de manière à sélectionner lesdites particules solides en fonction de leurs dimensions. 16 ù Procédé d'analyse de particules solides dans un milieu (2), comprenant une étape d'illumination consistant à générer un champ lumineux (30) dans le milieu (2), une étape de piégeage d'au moins une partie (30') du champ lumineux (30) généré et disposé dans la direction (31) dudit faisceau lumineux (30), et une étape de détection du champ lumineux (30") diffusé par lesdites particules solides dans ledit milieu (2), caractérisé en ce que l'étape de détection dudit champ lumineux (30") diffusé consiste à réaliser une photodétection du champ lumineux (30") diffusé par lesdites particules solides dans ledit milieu (2) et à compter lesdites particules solides dans ledit milieu (2), ladite étape de détection s'opérant dans une direction (51) formant un angle (a) sensiblement inférieur à 30° par rapport à la direction (31) dudit champ lumineux (30) généré.