WO2010026504A1 - Procédé de mesure instantanée et continue de particules ou de pollens dans l'air et disupositif associé - Google Patents

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Definitions

  • 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.
  • 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. .
  • TEAP Tepered Element Oscillating Microbalance
  • the air taken is heated at 50 ° C. to remove the moisture and the particles are collected on a Teflon filter at the end of a long rigid resonance rod.
  • the amplitude of this oscillation then decreases with the mass collected on the filter.
  • 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 amount of material deposits on the filter.
  • 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 1 micron diameter 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 that lead to an underestimation of the number of particles in the air:
  • 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 (do not run, calm down %) to avoid a serious crisis.
  • 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.
  • the method which is the subject of the present invention makes it possible to instantly and continuously know 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 set in resonance, due to at the impact of said particles on said piezoelectric element.
  • two resonant piezoelectric elements are used which are arranged parallel to a distance of between 10 mm and 0.001 mm.
  • air is circulated to measure the particle content 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 an increased number of Impacts that will 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.
  • 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.
  • said piezoelectric elements have the shape of a cylinder or part of a cylinder and are arranged in concentric circular arc around the flow of air sent by the fan and thus set in motion. 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 of the 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 2.5 ⁇ m (PM2.5), between 1 and 10 ⁇ m (PM10) or greater than 10 ⁇ m (certain 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 very centered nature of pollen granulometry (24 ⁇ m for example for that of birch) the arrangement of these elements can be set so that the particles of a particular diameter pass between two piezoelectric elements which allows to measure specifically this particle size range and therefore to measure the 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 likely that it is 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 change of frequency, current or impedance of the said piezoelectric elements due to the impact of the particles, in order to compare the values of particulate concentrations with the regulatory thresholds of the pollutants and to alert individuals individually of an exceeding of air pollution, harmful to health.
  • a visual alarm a light-emitting diode, a liquid crystal display
  • audible buzzer
  • vibrating vibrator
  • a first application is an individual alert device on the wrist or belt, which alerts asthmatics or cardiovascular patients to the presence of a particle pollution peak or pollen so that they adapt their activity and avoid thus an asthma attack or an infarction.

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Abstract

Le procédé consiste à faire circuler l'air dont on veut mesurer la teneur en particules ou en pollens, sur un élément piézoélectrique mis en résonnance dans un mode longitudinal ou transversal qui induise donc un impact avec les dites particules et ainsi pouvoir mesurer la variation en fréquence, en impédance ou en courant du signal, induite par l'énergie cinétique du dit impact. Préférentiellement, on fait circuler l'air entre deux éléments piézoélectriques suffïsement rapprochés afin que l'impact d'un élément piézoélectrique sur les particules conduisent 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 absorbée par les éléments piézoélectriques permettant ainsi une amplification de la variation en fréquence, en impédance ou en courant du signal produit. Une première application est un dispositif d'alerte individualisée portable au poignet ou à la ceinture, pour alerter les personnes fragiles de la présence d'un pic de particules ou de pollens.

Description

Procédé de mesure instantanée et continu de particules ou de pollens dans l'air et dispositif associé
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. 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. 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 Elément 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/ 1994/007121Al décrivent de tels dispositifs.
Patashnick and Rupprecht décrivent bien le TEOM (Tapered Elément Oscillating Microbalance) comme une méthode très prometteuse (voir: « continuous PMlO measurements using the Tapered Elément Oscillating Microbalance » paru dans Journal Air Waste Management Association 41 :1079, 1991). Suivant cette méthode TEOM, l'air prélevé est chauffé à 500C pour enlever l'humidité et les particules sont collectées sur un filtre en Téflon à l'extrémité 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 très sensible, sa limite de détection est de l'ordre de 1 nanogramme/cm2 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 μm pèse moins de un 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, * 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, 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...) 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. 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 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 grâce à un ventilateur ou une pompe à air. 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 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 reçoivent un impact 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 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 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 sur leur dimension : par exemple les particules inférieure à 2,5μm (PM2.5), comprises entre 1 et 10 μm (PMlO) ou supérieures à 10 μm (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 très centré de la granulométrie des pollens (24μm 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 piézoélectriques 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 très étale, si un grand nombre de particules 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 œuvre du procédé objet de la présente invention met en oeuvre également un circuit électronique permettant d'analyser le changement de 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. 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 d'un pic de pollution aux particules ou de pollens afin qu'ils adaptent leur activité et évite ainsi une crise d'asthme ou un infarctus.

Claims

Revendications
-1- Procédé de mesure instantanée et continue de particules dans l'air, caractérisé en ce que l'on mesure la variation de la fréquence, du courant ou de l'impédance d'au moins un élément piézoélectrique (1), (2) mis en résonnance, due à l'impact des dites particules sur le dit élément piézoélectrique. -2- Procédé de mesure instantanée et continue de particules dans l'air suivant la revendication (1), caractérisé en ce que deux éléments piézoélectriques (1), (2) sont mis en résonnance et disposés parallèlement à une distance comprise entre 10 mm et 0,001 mm. -3- Procédé de mesure instantanée et continue de particules dans l'air suivant les revendications (1) et (2), caractérisé en ce que les dits éléments piézoélectriques (1), (2) sont mis en résonnance longitudinale.
-4- Procédé de mesure instantanée et continue de particules dans l'air suivant les revendications (1) et (2), caractérisé en ce que les dits éléments piézoélectriques (1), (2) sont mis en résonnance transversale. -5- Procédé de mesure instantanée et continue de particules dans l'air suivant les revendications (1) et (2), caractérisé en ce que les dits éléments piézoélectriques sont mis en résonnance dans une combinaison transversale et longitudinale. -6- Procédé de mesure instantanée et continue de particules dans l'air suivant les revendications (1) à (5), caractérisé en ce que les dits éléments piézoélectriques (1),(2) sont nettoyés par mise en résonnance à une fréquence différente.
-7- Procédé de mesure instantanée et continue de particules dans l'air suivant les revendications (1) à (6), caractérisé en ce que les dits éléments piézoélectriques (1), (2) sont revêtus d'un matériau hydrophobe. -8- Procédé de mesure instantanée et continue de particules dans l'air suivant les revendications (1) à (7), caractérisé en ce que l'air dont on veut mesurer la teneur en particules est forcé entre les dits éléments piézoélectriques (1), (2) par un ventilateur (5) ou une pompe à air.
-9- Procédé de mesure instantanée et continue de particules dans l'air suivant les revendications (1) à (8), caractérisé en ce que les dits éléments piézoélectriques (1),(2) ont la forme d'un cylindre ou d'une partie de cylindre et sont disposés en arc de cercle concentrique.
-10- Procédé de mesure instantanée et continue de particules dans l'air suivant les revendications (1) à (9), caractérisé en ce que l'axe (6) des dits éléments piézoélectriques (1), (2) est disposé par rapport à l'axe (7) du flux d'air rotationnel, pour ne recevoir qu'une frange granulométrique précise. -11- Dispositif de mise en œuvre du procédé suivant l'une des revendications (1) à (10), caractérisé en ce que les dits éléments piézoélectriques (1), (2) sont reliés à un circuit électronique permettant d'analyser le changement de fréquence, de courant ou d'impédance du à l'impact des particules, afin de comparer les valeurs de concentration particulaire 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.
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