FR3139388A1 - Dispositif de mesure de flux turbulent d’aérosol atmosphérique - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de mesure de flux turbulents de particules d’aérosol atmosphérique par accumulation turbulente sur un site selon une direction de référence, pendant une période de prélèvement. Le dispositif comprend un anémomètre (10), un ensemble (20) de prélèvement de particules, comprenant un filtre pour recueillir les aérosols selon un sens ascendant de la direction de référence, et un filtre pour recueillir les aérosols selon un sens descendant de la direction de référence, une source aspirante de flux (50), connectée aux filtres de l’ensemble de prélèvement, un ensemble de vanne (30), relié aux filtres de l’ensemble de prélèvement et à la source aspirante, et pouvant être commandé pour contrôler le débit d’aspiration, et une station d’acquisition (40), munie d’une unité de contrôle qui est apte à recevoir en temps réel les mesures de vitesse de vent de l’anémomètre, et à réguler régule au cours de la période de prélèvement l’aspiration de flux en fonction de la vitesse instantanée du vent mesuré sur site. Figure pour l’abrégé : Figure 1
Description
L’invention concerne un dispositif de mesure de flux turbulent d’aérosols atmosphériques par Eddy Accumulation (ou accumulation turbulente, ces deux termes étant ici équivalents). De tels aérosols sont des particules d’aérosol atmosphérique comprises dans l’atmosphère. Dans le présent texte on désignera par convention ces particules d’aérosol atmosphérique par le simple terme d’aérosol. A titre indicatif la taille de ces aérosols est typiquement supérieure à un nanomètre. Il peut être intéressant de mesurer de tels flux par exemple pour quantifier le dépôt au sol des radioéléments atmosphériques particulaires.
Il existe déjà des dispositifs permettant de mesurer de tels flux d’aérosols. Il s’agit de méthodes telles que la méthode de l’« Eddy Correlation » (ou Méthode des covariances turbulentes), la méthode de l’« Aerodynamic flux-gradient » (ou méthode du gradient), ou encore la méthode de la « Relaxed Eddy Accumulation » (ou méthode par accumulation turbulente).
Le document CN111289410 divulgue ainsi un dispositif et une méthode de mesure dynamique du flux de décantation à sec des particules atmosphériques.
Les dispositifs connus permettent d’obtenir des mesures de flux d’aérosols, ledit flux étant porté par un vent de l’atmosphère.
Mais les mesures de flux obtenues par ces dispositifs connus ne sont obtenues qu’à l’issue de post-traitement de données (traitement des données pour calculer des grandeurs utiles au calcul du flux) et/ou de retraitements de correction (traitement des données pour calculer des grandeurs approximatives en vue de corriger empiriquement une approche méthodologique qui est approximative), pour garantir le sens physique du flux mesuré.
Il serait avantageux de simplifier, voire de pouvoir s’affranchir de tels retraitements, afin - par exemple et selon les méthodes considérées - de diminuer les ressources nécessaires au calcul d’un flux, ou d’améliorer la précision de mesure de flux. Ceci est le but de l’invention.
Le but mentionné ci-dessus est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un dispositif de mesure de flux turbulents de particules d’aérosol atmosphérique par accumulation turbulente sur un site selon une direction de référence, pendant une période de prélèvement, le dispositif comprenant
- Un anémomètre, apte à mesurer la vitesse instantanée du vent selon la direction de référence sur le site, à une fréquence permettant de disposer de plusieurs mesures de vitesse de vent pendant la période de prélèvement,
- Un ensemble de prélèvement de particules, comprenant un filtre pour recueillir les aérosols selon un sens ascendant de la direction de référence, et un filtre pour recueillir les aérosols selon un sens descendant de la direction de référence,
- Une source aspirante de flux, connectée aux filtres de l’ensemble de prélèvement,
- Un ensemble de vanne, relié aux filtres de l’ensemble de prélèvement et à la source aspirante, et pouvant être commandé pour contrôler le débit d’aspiration,
- Une station d’acquisition, munie d’une unité de contrôle qui est apte à recevoir en temps réel les mesures de vitesse de vent de l’anémomètre, et qui est également apte :
- à appliquer l’aspiration de la source aspirante à celui des filtres qui correspond à l’orientation instantanée du vent sur le site, et
- à élaborer en fonction de chaque mesure de vitesse de vent une consigne d’aspiration de flux, et à transmettre cette consigne à l’ensemble de prélèvement, pour réguler au cours de la période de prélèvement l’aspiration de flux en fonction de la vitesse instantanée du vent mesuré sur site.
Des aspects préférés mais non limitatifs d’un tel dispositif sont les suivants :
- la fréquence de mesure de l’anémomètre est supérieure ou égale à 10 Hz,
- l’ensemble de vanne comprend deux sous-ensembles de vanne, chaque sous-ensemble de vanne étant relié pneumatiquement respectivement à un des filtres,
- chaque sous-ensemble de vanne comprend des électrovannes,
- les électrovannes fonctionnent sur le principe des orifices critiques,
- l’ensemble de vanne comprend des électrovannes dont le temps de réponse est inférieur à 0,1 seconde.
D’autres aspects, buts et avantages de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- La
Sur la , un dispositif de mesure de flux d’aérosols atmosphériques est représenté.
Ce dispositif comprend un mât M, dressé selon une direction par exemple verticale sur un site où on désire mesurer un flux de particules, et sur lequel sont fixés :
- Un anémomètre 10, de préférence fixé en partie haute du mât,
- Un ensemble 20 de prélèvement de particules,
- Un ensemble d’électrovannes 30,
- Une station d’acquisition 40, reliée par des liaisons de données respectives à tous les autres éléments fixés sur le mât et décrits ici (dans ce texte l’expression « liaison de données » recouvre par convention toute liaison – filaire, hertzienne ou autre – apte à transmettre des données. Il peut s’agir par exemple d’une liaison numérique),
- Un réservoir 50 couplé avec une pompe à vide.
L’anémomètre 10 est par exemple un anémomètre sonique 3D. Il mesure la vitesse du vent avec une fréquence de mesure F, qui est par exemple de 10 Hz, ou une fréquence plus haute. De telles valeurs de fréquence permettent en effet que la valeur de flux instantané d’aérosols atmosphériques collectés sur filtre suive bien les évolutions de la vitesse verticale instantanée du vent sur le site.
Les mesures de l’anémomètre sont transmises en temps réel à la station d’acquisition, par la liaison de données entre l’anémomètre et la station 40.
L’ensemble 20 de prélèvement de particules est destiné à recueillir les aérosols compris dans l’atmosphère du site, au cours d’une période temporelle de mesure.
Cet ensemble de prélèvement comprend deux filtres à particules :
- Un filtre à particules pour prélever les particules ascendantes (portées par un vent ascendant sur le site, c’est-à-dire un vent dont la composante verticale instantanée mesurée à 10 Hz est dirigée vers le haut),
- Un filtre à particules pour prélever les particules descendantes (portées par un vent descendant sur le site, c’est-à-dire un vent dont la composante verticale instantanée mesurée à 10 Hz est dirigée vers le bas).
Chacun de ces deux filtres recueille ainsi les aérosols atmosphériques soit ascendants, soit descendants dans l’atmosphère sur le site. Chacun de ces deux filtres recueille ainsi, sur une période de prélèvement donnée, une quantité d’aérosols respectivement ascendants, et descendants.
La différence de ces deux quantités est proportionnelle au flux net d’aérosols atmosphériques selon la direction verticale, sur la période de prélèvement.
Chacun des deux filtres est monté sur une tête de prélèvement, les têtes de prélèvement faisant partie du dispositif.
Les deux têtes de prélèvement portant les filtres sont orientées vers le bas pour être protégées de la pluie. Le prélèvement sur filtre est activé par l’aspiration pilotée par les électrovannes.
Chacun de deux filtres est dirigé de manière à capter le flux respectif (ascendant, ou descendant) auquel il est dédié.
Les deux filtres sont raccordés, à un circuit pneumatique qui est schématiquement le suivant :
- chacun des deux filtres est relié par un raccordement pneumatique respectif, à l’ensemble de vanne 30. C’est le raccordement respectif de chaque filtre qui permet d’aspirer l’air ambiant à travers le filtre,
- l’ensemble de vanne 30 est lui-même raccordé pneumatiquement au réservoir et à la pompe à vide 50.
Le réservoir 50 est relié à l’ensemble de vanne 30 par une liaison de données. Le réservoir 50 est également relié à la station d’acquisition 40.
Le réservoir 50 comprend un système d’alerte qui est apte à détecter une rupture de vide dans le réservoir. Dans un tel cas le réservoir transmet à la station d’acquisition 40 une information de rupture de vide et la station d’acquisition interrompt le fonctionnement du dispositif.
L’ensemble de vanne 30, interposé entre chacun des deux filtres et la pompe à vide, est apte à moduler le débit d’aspiration appliqué à chaque filtre.
A cet effet, l’ensemble de vanne comprend deux sous-ensembles de vanne, chaque sous-ensemble de vanne étant relié pneumatiquement respectivement à un des filtres. Les deux sous-ensembles de vanne sont de préférence identiques.
Chaque sous-ensemble de vanne comprend plusieurs électrovannes qui sont sélectivement ouvertes ou fermées, afin de permettre un passage d’air plus ou moins important de l’ensemble de prélèvement 20 vers la pompe à vide. Ceci permet, par la combinaison des débits des électrovannes, d’établir pour le filtre associé une aspiration dont la valeur est contrôlée parmi un très grand nombre de valeurs et, ainsi, d’approcher de très près la valeur instantanée du vent vertical sur le site.
La modulation de l’aspiration par l’ensemble de vanne est commandée par la station d’acquisition, via la liaison de données entre la station d’acquisition et l’ensemble de vanne.
A cet effet, la station d’acquisition transmet une consigne d’aspiration à l’ensemble de vanne. Cette consigne est appliquée par l’ensemble de vanne, qui ouvre ou ferme sélectivement les électrovannes désirées pour établir un débit désiré entre l’ensemble de prélèvement 20 et la pompe à vide.
Cette consigne est rafraîchie par la station d’acquisition plusieurs fois au cours d’une période de prélèvement, selon une fréquence qui est comme on l’a déjà mentionnée par exemple de 10 Hz.
La consigne est ainsi rafraîchie avec une fréquence synchrone avec la fréquence de mesure de la vitesse verticale instantanée du vent par l’anémomètre. Par synchrone on entend que la fréquence de rafraîchissement de la consigne est égale à la fréquence de mesure du vent.
Le débit d’aspiration appliqué aux filtres est ainsi régulé par l’unité de contrôle de la station d’acquisition, en fonction de la vitesse instantanée verticale du vent qui est mesurée sur site par l’anémomètre. Cette régulation se fait avec une fréquence élevée, qui est de préférence de 10 Hz ou plus.
Si deux mesures consécutives de la vitesse verticale instantanée du vent sont identiques, alors la valeur de consigne sur le débit ne sera pas rafraichie.
On va maintenant décrire plus en détail le fonctionnement du dispositif. La station d’acquisition est pourvue d’une unité de contrôle qui reçoit en temps réel les mesures de vitesse de vent transmises par l’anémomètre.
Plus précisément, l’anémomètre transmet la vitesse de vent vertical w. cette vitesse peut être positive (vent ascendant sur le site), ou négative (vent descendant sur le site). L’anémomètre est ainsi apte à mesurer la vitesse du vent selon une direction de référence – ici la direction verticale.
Dès réception d’une nouvelle mesure de vent en provenance de l’anémomètre, l’unité de contrôle adapte en temps réel la consigne d’aspiration pour l’ensemble de vanne, et transmet cette consigne rafraîchie à l’ensemble de vanne (dans l’exemple décrit ici la fréquence de rafraîchissement de la consigne d’aspiration est égale à la fréquence de mesure du vent).
Si la mesure de vent indique un vent ascendant, la consigne d’aspiration commande l’ensemble de vanne pour aspirer l’air venant du filtre ascendant.
Si la mesure de vent indique un vent descendant, la consigne d’aspiration commande l’ensemble de vanne pour aspirer l’air venant du filtre descendant.
Si la mesure de vent indique une valeur qui est inférieure à la limite de détection de l’anémomètre, alors aucun prélèvement n’est réalisé.
À tout moment, c’est donc soit le filtre ascendant soit le filtre descendant qui est mis en relation avec la pompe à vide, pour aspirer l’air ambiant.
A cet effet les électrovannes de l’ensemble de vanne appliquent la consigne reçue de l’unité de contrôle de la station d’acquisition.
Les électrovannes fonctionnent sur le principe des orifices critiques : à partir du moment où la différence de pression entre l’amont et l’aval de l’électrovanne est supérieure à une valeur seuil prédéterminée et associée à l’électrovanne, cette électrovanne assure que le débit d’air qui passe dans l’électrovanne est toujours le même quel que soit le différentiel de pression entre son amont et son aval. Ceci permet que le débit d’aspiration qui s’établit atteigne quasi-instantanément sa valeur de consigne.
Les temps de réponse des électrovannes de l’ensemble de vanne sont compatibles avec ce fonctionnement – c’est-à-dire que les temps de réaction des vannes sont sensiblement plus courts que la période de temps s’écoulant entre deux consignes successives.
La valeur de consigne change ainsi toutes les 0,1 seconde pour un dispositif qui fonctionne à 10 Hz. Le temps de réponse des électrovannes (et donc du changement de débit à travers le filtre) est très inférieur à cette durée (de 0,1 seconde dans cet exemple) pour permettre que le débit s’ajuste effectivement à la valeur de consigne. Des électrovannes fonctionnant sur le principe des orifices critiques sont bien adaptées à cet effet.
Le vide (le terme « vide » signifie ici non pas le vide absolu mais une dépression, commentée dans le paragraphe suivant) est maintenu en permanence dans le réservoir 50 de telle manière que le débit d’air s’établisse dans le système aussitôt une électrovanne ouverte. La pompe à vide est suffisamment puissante pour maintenir une dépression suffisante quand bien même cette dépression est légèrement diminuée lors de l’ouverture des électrovannes.
La dépression maintenue dans le réservoir 50 est ainsi suffisante à tout instant pour garantir un flux d’air à travers les électrovannes. En effet, une différence de pression minimum entre l’amont et l’aval de l’électrovanne doit être respectée pour chaque électrovanne. Cette différence de pression est fonction des électrovannes utilisées.
Le dispositif permet de recueillir des particules avec le filtre ascendant lorsque le vent mesuré est ascendant, et des particules avec le filtre descendant lorsque le vent mesuré est descendant.
En outre, le débit d’aspiration est adapté en temps réel – toujours grâce à la mise en œuvre de la consigne d’aspiration par l’ensemble de vanne – pour correspondre à la vitesse verticale de vent qui est mesurée.
A cet effet, la consigne d’aspiration indique les électrovannes de l’ensemble de vanne qui doivent être ouvertes.
La mesure de la vitesse verticale instantanée du vent permet de calculer une valeur de consigne de débit à faire passer à travers un filtre. Cette valeur de consigne de débit est approchée de très près par la combinaison appropriée d’ouvertures simultanées des électrovannes du sous-ensemble de vanne associé au filtre qui est activé (selon la direction verticale du vent, ascendante ou descendante).
Dans un mode de réalisation chaque sous-ensemble de vanne comprend deux blocs multivoies autorisant au total 16383 niveaux de débit. Lorsque la consigne d’aspiration indique de sélectionner un filtre ce seront ces deux blocs qui seront activées – les deux blocs associés à l’autre filtre étant alors fermés.
Dans ce mode de réalisation, un des blocs multivoies est commandé à 6 bits (c’est à dire avec 64 niveaux de débit possible), et l’autre est commandé à 8 bits (c’est-à-dire avec 256 niveaux de débit possible). Ceci permet ainsi à la station d’acquisition de transmettre une consigne de débit très fine, choisie parmi 16383 valeurs de consigne possibles.
Chaque bloc multivoies comprend une pluralité d’électrovannes.
Dans une variante particulière, chacune des électrovannes de cette pluralité a un débit Qi qui est un des débits Q1, Q2, Q3, ..Qn. On rappelle que les électrovannes fonctionnent, dans l’exemple décrit ici, sur le principe des orifices critiques et donc le débit qui traverse une électrovanne commandée pour être en position ouverte est calibré et à une valeur constante. Dans cette variante les valeurs de débit Q1 à Qn forment une base – dans un exemple particulier il peut s’agir de la base 10 avec :
- la valeur Q1 égale à dix fois la valeur Q2,
- la valeur Q2 égale à dix fois la valeur Q3,
- (etc.)
- la valeur Qn-1 égale à dix fois la valeur Qn.
Toujours dans cette variante, chaque bloc multivoies comprend neuf électrovannes associées à chaque débit Qi (neuf électrovannes ayant le débit Q1, neuf autres électrovannes ayant le débit Q2, etc.). Dans cette variante la station d’acquisition commande les blocs multivoies pour que les électrovannes soient activées de manière analogue à l’utilisation des boules d’un boulier pour compter.
La consigne de débit appliquée à l’ensemble de vanne peut ainsi définir 16383 différentes valeurs de débit non nul pour le bloc concerné.
Cette consigne sera définie de manière à être proportionnelle à la vitesse verticale du vent mesurée. Il est possible à cet effet de définir une relation (homothétique) de correspondance entre la vitesse du vent verticale mesurée, et le débit d’aspiration de manière à ce que le débit d’aspiration défini par la consigne appliquée à l’ensemble de vanne soit toujours proportionnelle à la vitesse verticale du vent qui est mesurée.
L’invention permet ainsi, à chaque instant (ou tout au moins à l’intérieur de chaque période élémentaire d’application de consigne – cette période changeant par exemple avec une fréquence de 10 Hz) :
- d’utiliser le filtre ascendant (ou descendant) pour recueillir des aérosols pendant que le vent sur site est ascendant (ou descendant), et
- de prélever des aérosols sur le filtre avec un débit de prélèvement proportionnel à la vitesse verticale du vent qui est mesurée.
Ainsi, sur une période de prélèvement qui comprend un certain nombre de période élémentaire d’application de consigne, les filtres recueillent des aérosols d’une manière qui reproduit directement et fidèlement les conditions de vent, en suivant à tout moment les variations de ces conditions de vent.
L’invention permet ainsi d’effectuer des mesures de flux d’aérosols en mettant en œuvre une formule directe du type :
avec :
avec :
- F et T: F est le Flux net vertical d’une entité (un flux positif est un flux d’émission et un flux négatif un flux de dépôt) ou cours d’une période de prélèvementT. L’entité peut être la particule d’aérosol atmosphérique, ou un élément radioactif ou chimique porté par les particules d’aérosol atmosphérique
-
-
- C i : concentration de l’entité dont on souhaite connaître le flux, au pas de tempsi
- Q v : débit volumique de prélèvement
-
En fin de période de prélèvement les aérosols collectés par chacun de filtres sont collectés. Il est alors possible de réaliser des mesures sur les aérosols collectés par chacun des filtres. Ces mesures peuvent être par exemple une mesure de radioactivité.
Dans le cas de mesures radioactives, chaque filtre donnera des Becquerels mesurés (Bq) (un autre exemple de mesure serait la mesure de masse d’une espèce chimique donnée). Dans le cas de la mesure de radioactivité, connaissant :
- la période totale de prélèvement T (en secondes),
- la section
- et le coefficient de proportionnalité
il est ainsi possible de déterminer directement un flux vertical F en Bq/m²/s.
Cette détermination utilise la formule très directe :
Dans cette formule A+est l’activité en Bq du filtre « + » (ascendant) et A-est l’activité en Bq du le filtre « - » (descendant).
Dans le cas où le coefficient est égal à 1, le dispositif de mesure reproduit un prélèvement « passif » sur les filtres.
Si est supérieur à 1, le dispositif de mesure augmente la vitesse de prélèvement sur les filtres, par rapport à un prélèvement qui serait passif (ceci permet d’obtenir plus d’éléments radioactifs – ou chimiques - dans une même période de temps). Il faut alors diviser le flux apparent par pour obtenir la valeur du flux F tel qu’il est dans l’environnement.
La différence des aérosols « ascendants » et « descendants », aspirés de manière régulée pour s’adapter en permanence aux variations de vitesse verticale du vent sur site, fournit de manière directe la mesure du flux d’aérosols selon la direction de référence sur le site, pendant la période de prélèvement.
L’invention permet ainsi de s’affranchir des retraitements nécessaires dans les dispositifs connus.
Par ailleurs, le dispositif selon l’invention permet un prélèvement prolongé – c’est-à-dire que la période de prélèvement peut être plus longue que ce que permettent les dispositifs connus.
En effet, les dispositifs connus qui fonctionnent à débit constant imposent de limiter la durée de prélèvement – en particulier parce que plus cette période de prélèvement augmente, plus l’approximation imposée par le débit – constant – du dispositif conduit à des valeurs de flux qui sont éloignées de la réalité physique sur le site.
Dans le cas de l’invention, le dispositif peut fonctionner sur des périodes de prélèvement bien plus longues, par exemple de l’ordre d’une semaine, voire d’un mois.
Claims (6)
- Dispositif de mesure de flux turbulents de particules d’aérosol atmosphérique par accumulation turbulente sur un site selon une direction de référence, pendant une période de prélèvement, le dispositif comprenant
- Un anémomètre (10), apte à mesurer la vitesse instantanée du vent selon la direction de référence sur le site, à une fréquence permettant de disposer de plusieurs mesures de vitesse de vent pendant la période de prélèvement,
- Un ensemble (20) de prélèvement de particules, comprenant un filtre pour recueillir les aérosols selon un sens ascendant de la direction de référence, et un filtre pour recueillir les aérosols selon un sens descendant de la direction de référence,
- Une source aspirante de flux (50), connectée aux filtres de l’ensemble de prélèvement,
- Un ensemble de vanne (30), relié aux filtres de l’ensemble de prélèvement et à la source aspirante, et pouvant être commandé pour contrôler le débit d’aspiration,
- Une station d’acquisition (40), munie d’une unité de contrôle qui est apte à recevoir en temps réel les mesures de vitesse de vent de l’anémomètre, et qui est également apte :- à appliquer l’aspiration de la source aspirante à celui des filtres qui correspond à l’orientation instantanée du vent sur le site, et
- à élaborer en fonction de chaque mesure de vitesse de vent une consigne d’aspiration de flux, et à transmettre cette consigne à l’ensemble de prélèvement, pour réguler au cours de la période de prélèvement l’aspiration de flux en fonction de la vitesse instantanée du vent mesuré sur site.
- Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la fréquence de mesure de l’anémomètre est supérieure ou égale à 10 Hz.
- Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’ensemble de vanne comprend deux sous-ensembles de vanne, chaque sous-ensemble de vanne étant relié pneumatiquement respectivement à un des filtres.
- Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque sous-ensemble de vanne comprend des électrovannes.
- Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les électrovannes fonctionnent sur le principe des orifices critiques.
- Dispositif selon l’une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que l’ensemble de vanne comprend des électrovannes dont le temps de réponse est inférieur à 0,1 seconde.
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| FR2208789A FR3139388A1 (fr) | 2022-09-01 | 2022-09-01 | Dispositif de mesure de flux turbulent d’aérosol atmosphérique |
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| FR3139388A1 true FR3139388A1 (fr) | 2024-03-08 |
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|---|---|---|---|---|
| US6584865B1 (en) * | 2001-03-08 | 2003-07-01 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Absolute reference aerosol sampler |
| US20130268208A1 (en) * | 2012-04-06 | 2013-10-10 | Li-Cor, Inc. | Methods and apparatus for measuring gas flux |
| CN111289410A (zh) | 2020-03-31 | 2020-06-16 | 中国科学院大气物理研究所 | 大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置和方法 |
-
2022
- 2022-09-01 FR FR2208789A patent/FR3139388A1/fr active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6584865B1 (en) * | 2001-03-08 | 2003-07-01 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Absolute reference aerosol sampler |
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| CN111289410A (zh) | 2020-03-31 | 2020-06-16 | 中国科学院大气物理研究所 | 大气颗粒物干沉降通量高频双管动态测量装置和方法 |
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