WO2023079172A1 - Module d'observation et dispositif associé de détection de la présence d'au moins une particule d'un aerosol - Google Patents

Module d'observation et dispositif associé de détection de la présence d'au moins une particule d'un aerosol Download PDF

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WO2023079172A1
WO2023079172A1 PCT/EP2022/081128 EP2022081128W WO2023079172A1 WO 2023079172 A1 WO2023079172 A1 WO 2023079172A1 EP 2022081128 W EP2022081128 W EP 2022081128W WO 2023079172 A1 WO2023079172 A1 WO 2023079172A1
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aerosol
light source
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flow
particles
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PCT/EP2022/081128
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Corinne PREVOST
Soleiman BOURROUS
Christian Hubert
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Institut De Radioprotection Et De Surete Nucleaire
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Definitions

  • the invention relates to an observation module for a device for detecting the presence of at least one particle of an aerosol.
  • the invention also relates to a device for detecting the presence of at least one particle of an aerosol comprising such a module.
  • the filters are thus responsible for filtering a large number of particles so that the air breathed in by the operators, and possibly in contact with the outside of the company, is particularly clean.
  • test aerosol i.e. a non-toxic tracer aerosol for humans
  • the air is sampled before and after passing through one or more filters present in the ventilation network and we then carry out a posteriori in the laboratory a study of the efficiency of the filters in view of these air samples.
  • this process is relatively long and restrictive.
  • An object of the invention is to propose an observation module for a device for detecting the presence of at least one particle of an aerosol which makes it possible to more easily detect the presence of at least one particle of an aerosol .
  • An object of the invention is also to propose a device for detecting the presence of at least one particle of an aerosol comprising such an observation module.
  • an observation module for a device for detecting the presence of at least one particle of an aerosol in a flow, the module comprising at least:
  • a light source capable of generating a light beam passing through the flow to be analyzed in service
  • An optical cell comprising at least one optical sensor to collect a light emission resulting from an excitation of at least the particle of the aerosol by the light source.
  • the invention can continuously and in real time detect the presence of at least one particle of an aerosol in said flow.
  • the particles of the aerosol present in the flow and excited by the light source will re-emit light which can thus be collected by the optical cell and allow the detection of said particles of the aerosol.
  • a ventilation network (and/or to divert part of the air circulating in the ventilation network to send it to the module) downstream and/or or upstream of one or more filters of said network: a portion of the air present in the ventilation network then continuously passes through the chamber, which allows the remainder of the invention to be able to detect the presence of particles directly on site of a test aerosol.
  • the invention can thus be used directly on site to detect the presence of at least one particle of an aerosol.
  • the invention advantageously proves simple in structure.
  • aerosol is meant a product in the form of particles in suspension in a flow, and in particular a gaseous flow, such as an air flow for example.
  • An aerosol thus has a chemical nature defined by its different particles.
  • Detection means the ability of the invention to detect at least one particle of an aerosol (whose chemical composition is predefined) in a flow.
  • the light source is a laser.
  • the laser is a fiber laser.
  • the laser is a square fiber laser.
  • the module is shaped so that in service the flow substantially crosses the chamber vertically.
  • the light source is arranged so that the general direction of the light beam extends in a direction which is substantially horizontal.
  • the optical sensor is a camera.
  • the optical sensor is arranged so that its optical axis extends in a direction which is substantially horizontal.
  • the optical sensor and the light source are arranged so that respectively an optical axis of the optical sensor and a general direction of the light beam generated by the light source extend substantially orthogonally with respect to each other.
  • the optical sensor is arranged so that an optical axis of the sensor extends in service substantially orthogonally to the airflow.
  • the light source is arranged so that a general direction of the light beam generated by the light source extends in service substantially orthogonally to the airflow.
  • the module comprises at least one optical trap associated with the light source and/or with the optical sensor.
  • the module comprises means for processing information generated by the optical cell.
  • the processing means are configured to characterize the particles of the test aerosol and/or perform a simultaneous counting of the particles of the test aerosol.
  • Charge means the ability of the invention to provide a particle size distribution of the particles of the test aerosol present in the flow and/or a concentration of the particles of this aerosol in the flow (the concentration in number of particles present in the flow and/or the mass concentration [ie the mass of the particles present in the air flow]). It is understood that as the invention can detect continuously and in real time the presence of at least one particle of an aerosol in said flow, the particle size distribution can be constantly enriched over time, as can the values of the mass concentration and of the concentration in number of particles.
  • solid counting is meant the ability of the invention to be able to count at the same time several particles of the aerosol present on the same image acquired by the at least one optical sensor.
  • the invention also relates to a device for detecting the presence of at least one particle of an aerosol comprising a module as mentioned above as well as a preparation module connected to said observation module.
  • the invention also relates to the application of the module as mentioned above for monitoring a ventilation network of a nuclear industrial site.
  • the invention also relates to the application of the module as mentioned above for the detection of at least sodium fluorescein.
  • FIG. 1 is a perspective view of a device for detecting the presence of at least one particle of an aerosol according to a particular embodiment of the invention
  • Figure 2 is a sectional view of the device shown in Figure 1;
  • FIG. 3 Figure 3 is a sectional view of the preparation module of the device shown in Figure 1;
  • Figure 4 is a sectional view of the observation module of the device illustrated in Figure 1;
  • Figure 5 is a top sectional view of the observation module of the device shown in Figure 1.
  • the device for detecting the presence of at least one particle of an aerosol in a flow according to a particular embodiment of the invention, and generally designated at 1, here comprises two main modules namely a preparation module 2 and an observation module 3 arranged downstream of the preparation module (according to the flow direction of the stream in the device).
  • the flow is a gas flow and for example an air flow.
  • the device 1 is intended to be arranged in a ventilation network of an enclosed space, such as for example a nuclear power plant, to test the effectiveness of at least one filter present in this network (and by example a HEPA filter).
  • a ventilation network of an enclosed space such as for example a nuclear power plant
  • a protocol for testing the effectiveness of at least one filter consists in circulating a test aerosol in the network.
  • the device 1 is located downstream or upstream of the filter (depending on the direction of air circulation in the network) in order to be able to detect whether the test aerosol is still present in the air despite its passage through the filter.
  • Device 1 is arranged directly in the ventilation network or else is arranged outside this network, the air circulating in the network being partly diverted from the network in order to then be able to circulate through device 1.
  • the test aerosol is for example sodium fluorescein of formula CioH 2 o05Na2-
  • the observation module 3 is arranged on the preparation module 2 which rests on the ground or on a support.
  • the latter In order to force the circulation of the flow of air in the device 1, the latter is equipped with a pump assembly (not shown in the figures).
  • the pump assembly is of course shaped to force the circulation of the air flow in the device 1 so that said air flow circulates first in the preparation module 2 and then only in the observation module 3 .
  • the pump assembly contains for example a suction pump connected to the output of the observation module 3 (always according to the direction of circulation of the air flow in the device).
  • the pump assembly preferably also comprises a flow regulator associated with said pump in order to be able to control and modulate the flow rate of the air flow passing through the device 1 .
  • the pumping assembly is for example arranged above the observation module 3 .
  • the preparation module 3 comprises a box 4 resting on the ground via base means 5 .
  • the base means 5 here comprise four feet.
  • a flow path through the preparation module is provided in said module.
  • a second passage 7 extending substantially in a second direction B inclined or perpendicular to the first direction A.
  • the first direction A and the second direction B are mutually perpendicular.
  • the housing 4 is arranged so that the first direction A extends substantially horizontally and the second direction B extends substantially vertically (the notions of "vertical”, “horizontal”, “high”, “low” ... to be understood for the present application according to the position in service of the device 1 or when the box 4 rests on the ground or a support via its base means 5).
  • the first passage 6 extends coaxially with the first direction A and the second passage 7 extends coaxially with the second direction B.
  • the first passage 6 opens at a first end outside the device 1 to form the inlet of the device 1 and at its second end in the second passage 7 .
  • the second passage 7 opens at a first end into the first passage 6 and at a second end into the observation module 3 .
  • the second end of the second passage 7 is shaped like a truncated cone 8 tapering in the direction of the observation module 3 .
  • the second end of the second passage 7 can be shaped differently according to a volume and/or an observation flow rate of the air flow targeted in the observation module 3 .
  • the second end of the second passage 7 prefferably be shaped so that its section (along a section plane normal to the second direction B) gradually decreases in the direction of the observation module 3 . This will once again make it possible to limit the risk of deposit.
  • the preparation module 2 further comprises means for magnifying the particles (and therefore potentially the particles of the test aerosol) contained in the air flow.
  • the purpose of magnification is thus to make the particles of the test aerosol can be detected by the observation module 3 .
  • the magnification means are shaped to condense on the particles, contained in the air flow, vapor of at least one solvent in order to obtain droplets.
  • the magnification means comprise means for producing vapor from at least one solvent.
  • said means comprise a reservoir 9 containing a given solvent (liquid or solid).
  • This tank 9 is for example arranged under the box 4 between the means of legs 5 of the box.
  • the tank 9 is arranged inside the box 4 directly.
  • reservoir 9 is preferably arranged under first passage 6 .
  • at least one section of the first passage 6 is open to the tank 9 so that the tank 9 and the first passage 6 can communicate at this section.
  • the steam production means also comprise a heating block (not referenced here) associated with the tank 9: in this way the heating block comes to heat the solvent or solvents contained in the tank 9 which thus evaporates to come in contact with the particles present in the flow of air circulating in the first passage plumb with the tank 9 . In this way, the particles are impregnated with vapor of solvent(s).
  • a heating block (not referenced here) associated with the tank 9: in this way the heating block comes to heat the solvent or solvents contained in the tank 9 which thus evaporates to come in contact with the particles present in the flow of air circulating in the first passage plumb with the tank 9 .
  • the particles are impregnated with vapor of solvent(s).
  • a single solvent is used.
  • the solvent is glycerol.
  • the heating block heats the solvent to a temperature of between 70 and 90 degrees Celsius and preferably a temperature substantially equal to 80 degrees Celsius.
  • magnification means comprise means for cooling the solvent to form the droplets as indicated previously.
  • Said means are preferably located at the level of the second passage 7 .
  • said means comprise a cooling column 10 forming or surrounding the second passage 7 .
  • the cooling column 10 comprises one or more Peltier effect plates.
  • the cooling means cool the interior of the second pass 7 to a temperature of between 0 and 20 degrees Celsius and preferably a temperature substantially equal to 10 degrees Celsius.
  • magnification means are shaped to obtain mono-dispersed droplets. It is recalled here that the term “monodisperse” (for the English translation of “monodisperse”) means that the droplets all have substantially the same size.
  • the observation module 3 comprises a chamber 11 .
  • the chamber 11 therefore rests here on an upper face of the case 4 of the preparation module 2 so that the observation module 3 is on the preparation module 2 .
  • the second passage 7 of the preparation module 2 is connected to said chamber 11, in the lower part thereof.
  • the device 1 includes sealing means at the connection between the preparation module 2 and the observation module.
  • the sealing means comprise for example a sealing joint arranged at the junction between the two modules.
  • the chamber 11 is thus arranged so that the stream loaded with droplets passes through the chamber 11 in a first direction X.
  • the chamber 11 is shaped so that the first direction X extends substantially vertically. Consequently, the second passage 7 extends coaxially to said first direction X.
  • the stream laden with droplets passes through chamber 11 through chamber 11 in a substantially rectilinear manner.
  • the device 1 thus described makes it possible to greatly limit a risk of dispersion of the droplets in the chamber 11, which limits a risk of deposit and improves the quality of measurements carried out by the observation module 3.
  • the chamber 11 is for example generally shaped like a prism, the two bases of which are defined by a four-sided polygon.
  • the chamber 11 therefore generally has a parallelepiped or cubic shape.
  • the observation module 3 also comprises a light source 12 able to generate a light beam directed in service towards the flow of droplets.
  • Said light source 12 is actually chosen to make it possible to excite at least one of the particles of the aerosol present in the droplets.
  • the light source 12 is thus preferably chosen so that the emission wavelength of the light source 12 (or its band of emission wavelengths) is offset from the excitation wavelength of the particles of the aerosol that one wishes to detect (or its band of excitation lengths). It should be noted that the steam from solvent can modify this excitation wavelength (or this band of excitation wavelengths) and that it is therefore preferable to take this into account to characterize the emission wavelength of the light source 12 (or its emission wavelength band).
  • the excitation wavelength band and the emission wavelength band do not overlap. A risk of disturbance in the excitation of the particles is thus limited.
  • the light source 12 is chosen to make it possible to excite at least the particles of the fluorochrome (which are very characteristic of the test aerosol).
  • Said light source 12 comprises for example a laser to generate said light beam.
  • the laser is a fiber laser.
  • the laser is a square fiber optic fiber laser.
  • Such a laser advantageously makes it possible to obtain a light beam of very homogeneous light intensity (over time and over the entire band of laser emission wavelengths).
  • the laser is a blue laser.
  • the laser has for example an emission wavelength comprised between 400 and 500 nanometers and for example between 450 and 480 nanometers and for example an emission wavelength of approximately 478 nanometers.
  • the light source 12 is arranged in the observation module 3 so that the general direction of the light beam extends along a second direction Y (the general direction of the light beam being the direction parallel to which the majority of the rays extend forming said beam) which is inclined or orthogonal to the first direction X.
  • the second direction Y and the first X are orthogonal to each other.
  • the light beam therefore generally extends horizontally.
  • the observation module 3 comprises an optical trap 13 associated with the light source 12 in order to block the light beam, once it has crossed the flow of droplets, to prevent the light beam from propagating multiple times. in room 11.
  • the optical trap 13 for example absorbs said light beam.
  • the optical trap 13 is for example a beam trap.
  • the light source 12 and the optical trap 13 are arranged on either side of the chamber 11.
  • the light source 12 is arranged on a first lateral side of the chamber 11 and the optical trap 13 is agency on a second lateral side of the chamber 11, opposite the first.
  • the observation module 3 also comprises an optical cell 14 to collect a light emission resulting from the excitation of at least one particle of the test aerosol by the light source 12.
  • the optical cell 14 is here a camera.
  • the camera is preferably a scientific camera [such as an sCMOS camera (for "scientific Complementary Metal-Oxide-Semiconductor” or “scientific semi-conductors complementary to metal oxide” in French)] and/or a back-illuminated camera .
  • sCMOS camera for "scientific Complementary Metal-Oxide-Semiconductor” or “scientific semi-conductors complementary to metal oxide” in French
  • the test aerosol particles present in droplets and excited will indeed re-emit light which can be collected by the optical cell 14 and allow the detection of the test aerosol particles.
  • the light emission of the particles of the aerosol can thus here also be referred to as “fluorescence light emission”.
  • the camera is preferably fitted with a filter to collect the majority of the light emissions resulting from the excitation of the particles of the target aerosol (here the test aerosol).
  • the filter is therefore chosen here according to the wavelength (or band of wavelengths) of light emission (here fluorescent) of the particles of the targeted aerosol (it being understood that as indicated above if the solvent vapor modifies the emission wavelength (or band of wavelengths) of the particles of the aerosol it is preferable to take this into account when defining the filter used) .
  • the filter is therefore a filter allowing the camera to work in a band of wavelengths centered around a value between 480 and 580 nanometers, and preferably centered around a value between 500 and 540 nanometers and preferably centered around 520 nanometers.
  • the filter is for example a 520 nanometer filter.
  • the filter is preferably chosen so that the camera works in a band of wavelengths shifted with respect to the characteristic absorption wavelength(s) of the particles of the targeted aerosol (and here particles of the targeted fluorochrome). There is thus no overlap between the band of reception wavelengths of the camera and that of characteristic absorption wavelengths of the particles of the targeted aerosol.
  • the optical sensor (which here is the camera) is arranged in the observation module 3 so that its optical axis (ie its observation axis is still the axis corresponding to the direction of propagation of the captured light) generally extends along a third direction Z which is inclined or orthogonal to the first direction X.
  • the third direction Z and the second direction X are orthogonal to each other.
  • the optical axis of the camera therefore extends substantially horizontally.
  • the optical axis of the camera here extends orthogonally to the general direction of the light source 12 .
  • the camera is arranged on a third lateral side of the chamber 11 located between the first side associated with the light source 12 and the second side associated with the optical trap 13 .
  • the observation module 3 comprises a second optical trap 15 associated with the camera to limit the propagation of light emissions—(here fluorescent) in a direction other than that of the camera.
  • the second optical trap 15 absorbs for example said light beam.
  • the second optical trap 15 is for example a beam trap.
  • the camera and the second optical trap 15 are arranged on either side of the chamber 11 .
  • the camera is arranged on the third lateral side of chamber 11 and the second optical trap 15 is arranged on the fourth lateral side of chamber 11 opposite the third side.
  • the chamber 11 is cleverly configured in the form of a prism with four-sided bases with two successive sides associated respectively with the light source 12 and with the camera, the other two sides being provided with optical traps 13 and 15 .
  • the laminar flow of the flux through the chamber 11 makes it possible to limit a risk of dispersion of the droplets in the chamber and a deposit of the latter on the walls of the chamber.
  • device 1 comprises means 16 for processing information generated by optical cell 14.
  • Device 1 thus proves to be more autonomous.
  • These processing means 16 are for example part of the observation module 3 or belong to a third module of the device 1.
  • the processing means 16 comprises at least one calculation unit such as a microcomputer, a calculator ...
  • the calculation unit preferentially controls the rest of the device 1 such as for example the flow regulator or even the light source 12 and the optical cell 14.
  • the processing means 16 are here configured to characterize the particles of the test aerosol and perform a simultaneous counting of the particles of the test aerosol. To this end, the processing means 16 are provided to determine a particle size distribution of the particles and/or the concentration (in particles or in mass) of the particles of the test aerosol and this as a function of the light intensity of the light emissions recorded by the camera. It should be understood that in reality these light emissions are in the form of pulsed peaks which it is therefore possible to analyze by counting them (to a peak corresponding to a particle) but also by linking the light intensity of one of the peaks at the size (ie the diameter) of the particle having induced this peak (for example using the theories of Fraunhofer or Mie).
  • processing means 16 For example, the processing means 16:
  • the processing means 16 calculate the number of peaks and deduce the concentration in number of particles in the air flow.
  • the processing means 16 calculate the number of peaks and deduce the concentration in number of particles in the air flow.
  • the processing means 16 can for example be press the following formula: with: k an optical constant, ® a fluorescence quantum yield at the excitation wavelength (which is here known and predetermined) i.e.
  • the emission efficiency of a given fluorochrome I o a light intensity of an incident radiation at the considered excitation wavelength (the incident radiation being dependent on the power of the laser and the sensitivity of the camera), E a molar absorption coefficient of the fluorochrome given at the wavelength d excitation considered, 1 a value of the optical path traveled by the incident radiation to reach the optical sensor (in the present case substantially equal to the distance separating the camera from the first direction X).
  • the device 1 thus makes it possible to obtain a concentration in number of particles and/or a mass concentration of the particles of the test aerosol which is/are advantageously independent ( s ) of the diameter of the particles of test aerosol (thanks to the fact that the droplets are all substantially the same size).
  • the device 1 thus makes it possible to obtain a concentration a mass concentration of the particles of the test aerosol which is/are advantageously independent ( s ) of their number (the device 1 carrying out a simultaneous counting of the droplets) even if obviously more the number of particles taken into account increases the more precise the calculation of the mass concentration will be.
  • the processing means 16 are provided to determine a particle size distribution of the test aerosol particles as a function of the light intensity of the light emissions recorded by the camera.
  • processing means 16 For example, the processing means 16:
  • the device 1 thus makes it possible to simultaneously measure several particles of test aerosol (since on the same image several peaks can be present).
  • the device 1 preferably comprises a communication interface (not shown here) with outside the device 1 in order to transmit the information generated by the optical cell 14 and/or the processing means 16 .
  • the communication interface is for example a wireless communication interface (by Wifi, by Bluetooth, etc.) and/or a wired connection interface (USB port, HDMI, etc.).
  • the device 1 also comprises power supply means (such as a battery) and/or means for connection to a mains socket (not referenced here).
  • power supply means such as a battery
  • mains socket not referenced here.
  • the flow taken from the ventilation network mixes with the solvent vapour.
  • the solvent vapor condenses on each particle of the sampled stream (in particular on each particle of test aerosol) thus forming a multitude of droplets of predetermined and substantially identical diameter for all the droplets.
  • the droplets have a diameter of the order of approximately two micrometers.
  • the stream loaded with droplets then leaves the preparation module 2 to enter the observation module 3 .
  • Said flux in its entirety passes through the light beam which thus comes to excite at least the droplets including a test aerosol particle.
  • the resulting light emissions are thus captured continuously by the camera with simultaneous counting of the various test aerosol particles excited by the light beam.
  • the data collected by the camera can then be processed by the processing means 16 .
  • the device 1 thus described makes it possible to work in real time and continuously.
  • the device 1 not only makes it possible to detect the presence of at least one particle of an aerosol in a flow but also to be able to characterize them and perform a simultaneous count (in fact the device 1 does not work here droplet by droplet but continuously, thus making it possible to be able to work simultaneously on the various droplets passing through the light beam).
  • the device 1 advantageously makes it possible to limit as much as possible the deposit of droplets in the observation module 3 which could damage it in the long term. To this end, the device 1 is shaped to promote laminar flow of the stream loaded with droplets in the device 1.
  • the device 1 is of limited mass and volume, which makes it easily movable from one point to another.
  • the device 1 is in particular portable and movable by a single person. The inventors were thus able to develop a prototype weighing less than 5 kilograms.
  • the invention can be used with other gas flows.
  • the invention is arranged in a nuclear power station, the invention may be arranged in any other place linked or not to nuclear energy.
  • the invention could be arranged in a hospital for connection with a sterile room (bedroom, operating room, etc.) or even in a company for connection with a clean room type room.
  • the invention may be associated with the hospital environment, the food industry, the industrial environment, the environmental environment, in a field, in a hospital, in an industrial site...
  • the invention may be associated with a nuclear environment or in a non-nuclear environment.
  • the invention may be associated with an open environment or a closed environment.
  • the invention can be associated with any environment where it is desired to know the existence of at least one aerosol particle (potentially polluting).
  • the invention can be easily moved from one place to another and this mistletoe allows it to be used in different applications.
  • the device can thus (depending on the place where it will be arranged) be used to ensure the quality of a filtration system in general, of one or more filters (HEPA or not), or quite simply to the quality of the air (or another gas) in a given place (closed or not) .
  • the light source will thus be chosen to allow the excitation of a specific aerosol aimed at and the sensor to detect the light emission which results therefrom as indicated above.
  • the specific aerosol targeted may be sodium fluorescein or another aerosol such as, for example, a rhodamine-based aerosol, an allophycocyanin-based aerosol, a chlorophyll-based aerosol, etc.
  • the targeted aerosol may be solid or liquid.
  • the optical sensor will be able to detect particular light emissions which will not necessarily be fluorescent as this has been described above.
  • the solvent contained in the reservoir of the magnification means will then be chosen according to the target aerosol and will therefore not necessarily be glycerol. It will thus be possible to simply have water as solvent (whether the targeted aerosol is sodium fluorescein or not).
  • the device may include storage means for recording information generated by the optical cell and/or the processing means (local memory, micro-SD card, etc.).
  • the light source may be different from what has been indicated. However, it will be sought to have a light source having a light beam of light intensity that is as homogeneous as possible. It is possible, for example, to have recourse to a non-fibre laser and associate it with filtering means in order to select a band of emission wavelengths which is substantially of the same light intensity.
  • the optical sensor is a camera
  • the optical sensor may be of a completely different type such as a CDD sensor (for “Couple Charge Device” in English or charge-coupled device in French).
  • the sensor could thus be a spherical sensor, a round sensor, a linear sensor, etc.
  • the optical cell could thus comprise several optical sensors and, for example, a succession of j uxtaposed optical sensors in a rectilinear direction or even a succession of optical sensors arranged circumferentially in the chamber.

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Abstract

L'invention concerne un module d'observation pour dispositif de détection de la présence d'au moins une particule d'un aérosol dans un flux, le module comprenant au moins : - Une chambre (11) à travers laquelle circule en service le flux à analyser, - Une source lumineuse (12) apte à générer un faisceau lumineux traversant en service le flux à analyser, la source lumineuse (12) étant un laser fibré à fibre carré, - Une cellule optique (14) pour collecter une émission lumineuse résultant d'une excitation d'au moins la particule de l'aérosol par la source lumineuse. L'invention concerne également un dispositif correspondant.

Description

DESCRIPTION
TITRE DE L' INVENTION : MODULE D' OBSERVATION ET DISPOSITIF ASSOCIE DE DETECTION DE LA PRESENCE D'AU MOINS UNE PARTICULE D'UN AEROSOL
L'invention concerne un module d'observation pour un dispositif de détection de la présence d'au moins une particule d'un aérosol.
L'invention concerne également un dispositif de détection de la présence d'au moins une particule d'un aérosol comprenant un tel module.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Dans les milieux nucléaires, afin de protéger les opérateurs et d'empêcher un transfert de contamination radioactive aéroportée vers l'extérieur d'un bâtiment ou à l'intérieur d'un bâtiment, il est connu de placer dans le réseau de ventilation des filtres à air comme par exemple des filtres à air à très haute efficacité (plus connu sous le terme de filtre HEPA pour
« high-ef f iciency particulate air ») .
Les filtres sont ainsi chargés de filtrer un grand nombre de particules afin que l'air respiré par les opérateurs, et éventuellement en contact avec l'extérieur de l'entreprise, soit particulièrement propre.
En application de la réglementation française, les performances de ces filtres doivent bien entendu être mesurées périodiquement selon des normes définissant les protocoles de mesure.
A cet effet, on simule une contamination potentielle dans le réseau de ventilation par un aérosol test (soit un aérosol traceur non toxique pour l'homme) , on effectue un prélèvement de l'air avant et après passage dans un ou plusieurs filtres présents dans le réseau de ventilation et on réalise ensuite a posteriori en laboratoire une étude de l'efficacité des filtres au vu de ces prélèvements d'air. Ce processus s'avère toutefois relativement long et contraignant .
OBJET DE L'INVENTION
Un but de l'invention est de proposer un module d'observation pour un dispositif de détection de la présence d'au moins une particule d'un aérosol qui permette de détecter plus aisément la présence d'au moins une particule d'un aérosol.
Un but de l'invention est également de proposer un dispositif de détection de la présence d'au moins une particule d'un aérosol comprenant un tel module d' observation .
RESUME DE L’INVENTION
En vue de la réalisation de ce but, on propose un module d'observation pour dispositif de détection de la présence d'au moins une particule d'un aérosol dans un flux, le module comprenant au moins :
- Une chambre à travers laquelle circule en service le flux à analyser,
- Une source lumineuse apte à générer un faisceau lumineux traversant en service le flux à analyser,
- Une cellule optique comprenant au moins un capteur optique pour collecter une émission lumineuse résultant d'une excitation d'au moins la particule de l'aérosol par la source lumineuse.
De la sorte, en plaçant la source lumineuse et la cellule optique à proximité d'un flux à analyser, l'invention peut détecter en continu et en temps réel la présence d'au moins une particule d'un aérosol dans ledit flux.
En effet, les particules de l'aérosol présentes dans le flux et excitées par la source lumineuse vont réémettre une lumière qui peut être ainsi collectée par la cellule optique et permettre la détection desdites particules de l'aérosol. Pour un aérosol donné (qui a une nature chimique connue) , il suffit donc de prédéfinir au moins une longueur d'onde d'excitation pour la source lumineuse et au moins une longueur d'onde de détection pour la cellule optique pour détecter des particules dudit aérosol.
Par exemple, pour une application nucléaire, il est possible de placer le module dans un réseau de ventilation (et/ou de détourner une partie de l'air circulant dans le réseau de ventilation pour l'envoyer vers le module) en aval et/ou en amont d'un ou de plusieurs filtres dudit réseau : une portion de l'air présent dans le réseau de ventilation traverse alors en continu la chambre ce qui permet au reste de l'invention de pouvoir détecter directement sur site la présence de particules d'un aérosol test.
L'invention peut ainsi être utilisée directement sur site pour détecter la présence d'au moins une particule d'un aérosol .
L'invention s'avère avantageusement simple de structure.
Par « aérosol », on entend un produit se présentant sous la forme de particules en suspension dans un flux, et notamment un flux gazeux, tel qu'un flux d'air par exemple. Un aérosol a ainsi une nature chimique définie par ses différentes particules.
Par « détection », on entend la capacité de l'invention à détecter au moins une particule d'un aérosol (dont la composition chimique est prédéfinie) dans un flux.
Par « en continu et en temps réel » on entend qu'il n'est pas nécessaire d'arrêter le module et d'attendre son déplacement dans un lieu dédié (par exemple un laboratoire) pour pouvoir collecter des informations, le capteur optique pouvant fournir des informations directement sur place en même temps que le module continue de fonctionner. Optionnellement la source lumineuse est un laser. Optionnellement le laser est un laser fibré.
Optionnellement le laser est un laser fibré à fibre carré. Optionnellement le module est conformé de sorte qu'en service le flux traverse sensiblement la chambre verticalement. Optionnellement la source lumineuse est agencée de sorte que la direction générale du faisceau lumineux s'étende selon une direction qui est sensiblement horizontale.
Optionnellement le capteur optique est une caméra.
Optionnellement le capteur optique est agencé de sorte que son axe optique s'étende selon une direction qui est sensiblement horizontale.
Optionnellement le capteur optique et la source lumineuse sont agencés de sorte que respectivement un axe optique du capteur optique et une direction générale du faisceau lumineux généré par la source lumineuse s'étendent sensiblement orthogonalement l'un par rapport à l'autre.
Optionnellement le capteur optique est agencé de sorte qu'un axe optique du capteur s'étende en service sensiblement orthogonalement au flux d'air.
Optionnellement la source lumineuse est agencée de sorte qu'une direction générale du faisceau lumineux généré par la source lumineuse s'étende en service sensiblement orthogonalement au flux d'air. Optionnellement le module comprend au moins un piège optique associé à la source lumineuse et/ou au capteur optique.
Optionnellement le module comprend des moyens de traitement d'informations générées par la cellule optique.
Optionnellement les moyens de traitement sont configurés pour caractériser les particules de l'aérosol test et/ou effectuer un comptage simultané des particules de l'aérosol test .
Par « caractérisation », on entend la capacité de l'invention à fournir une distribution granulométrique des particules de l'aérosol test présentes dans le flux et/ou une concentration des particules de cet aérosol dans le flux (la concentration en nombre de particules présentes dans le flux et/ou la concentration massique [i.e. la masse des particules présentes dans le flux d'air] ) . Il est entendu que comme l'invention peut détecter en continu et en temps réel la présence d'au moins une particule d'un aérosol dans ledit flux, la distribution granulométrique peut s'enrichir sans cesse dans le temps, de même que les valeurs de la concentration massique et de la concentration en nombre de particules .
Par « comptage simultané », on entend la capacité de l'invention à pouvoir compter en même temps plusieurs particules de l'aérosol présentes sur une même image acquise par le au moins un capteur optique.
L'invention concerne également un dispositif de détection de la présence d'au moins une particule d'un aérosol comprenant un module tel que précité ainsi qu'un module de préparation raccordé audit module d'observation.
L'invention concerne également l'application du module tel que précité pour surveiller un réseau de ventilation d'un lieu industriel nucléaire.
L'invention concerne également l'application du module tel que précité pour la détection d'au moins la fluorescéine sodée .
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de 1 ' invention .
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit en référence aux figures annexées parmi lesquelles :
[Fig. 1] la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de détection de la présence d'au moins une particule d'un aérosol selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;
[Fig. 2] la figure 2 est une vue en coupe du dispositif illustré à la figure 1 ;
[Fig. 3] la figure 3 est une vue en coupe du module de préparation du dispositif illustré à la figure 1 ; [Fig. 4] la figure 4 est une vue en coupe du module d'observation du dispositif illustré à la figure 1 ;
[Fig. 5] la figure 5 est une vue en coupe de haut du module d'observation du dispositif illustré à la figure 1.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence aux figures 1 et 2, le dispositif de détection de la présence d'au moins une particule d'un aérosol dans un flux selon un mode de réalisation particulier de l'invention, et généralement désigné en 1, comporte ici deux modules principaux à savoir un module de préparation 2 et un module d'observation 3 agencé en aval du module de préparation (selon le sens d'écoulement du flux dans le dispositif) .
Dans le cas présent, le flux est un flux de gaz et par exemple un flux d'air.
Dans le cas présent, le dispositif 1 est destiné à être agencé dans un réseau de ventilation d'un espace clos, tel que par exemple une centrale nucléaire, pour tester l'efficacité d'au moins un filtre présent dans ce réseau (et par exemple un filtre HEPA) .
A cet effet, un protocole pour tester l'efficacité d'au moins un filtre consiste à faire circuler dans le réseau un aérosol test. Le dispositif 1 est quant à lui situé en aval ou en amont du filtre (selon le sens de circulation de l'air dans le réseau) afin de pouvoir détecter si l'aérosol test est toujours présent dans l'air malgré son passage à travers le filtre. Le dispositif 1 est agencé directement dans le réseau de ventilation ou bien est agencé à l'extérieur de ce réseau, l'air circulant dans le réseau étant en partie détourné du réseau pour pouvoir alors circuler à travers le dispositif 1.
L'aérosol test est par exemple de la fluorescéine sodée de formule CioH2o05Na2- De préférence , le module d' observation 3 est agencé sur le module de préparation 2 qui repose quant à lui sur le sol ou un support .
Afin de forcer la circulation du flux d' air dans le dispositif 1 , celui-ci est équipé d' un ensemble de pompage (non représenté sur les figures ) . L' ensemble de pompage est bien entendu conformé pour forcer la circulation du flux d' air dans le dispositif 1 afin que ledit flux d' air circule d' abord dans le module de préparation 2 et ensuite seulement dans le module d' observation 3 .
L' ensemble de pompage contient par exemple une pompe aspirante raccordée à la sortie du module d' observation 3 (touj ours selon le sens de circulation du flux d' air dans le dispositif ) . L' ensemble de pompage comporte de préférence également un régulateur de débit associé à ladite pompe pour pouvoir contrôler et moduler le débit de flux d' air traversant le di spositif 1 .
L' ensemble de pompage est par exemple agencé au-dessus du module d' observation 3 .
En référence aux figures 2 et 3 , le module de préparation 3 comporte un boitier 4 reposant sur le sol par l ' intermédiaire de moyens de piétement 5 . Les moyens de piétement 5 comportent ici quatre pieds .
Un chemin de circulation du flux à travers le module de préparation est ménagé dans ledit module .
Typiquement le chemin comporte deux pas sages principaux :
- un premier passage 6 s ' étendant sensiblement selon une première direction A, et
- un deuxième passage 7 s ' étendant sensiblement selon une deuxième direction B inclinée ou perpendiculaire à la première direction A .
Dans le cas présent la première direction A et la deuxième direction B sont perpendiculaires entre elles .
Le boîtier 4 est agencé de sorte que la première direction A s ' étende sensiblement hori zontalement et la deuxième direction B s ' étende sensiblement verticalement ( les notions de « vertical », « horizontal », « haut », « bas » ... devant s ' entendre pour la présente demande selon la position en service du dispositif 1 soit lorsque le boitier 4 repose sur le sol ou un support via ses moyens de piétement 5 ) .
Dans le cas présent , le premier passage 6 s ' étend coaxialement à la première direction A et le deuxième pas sage 7 s ' étend coaxialement à la deuxième direction B . Le premier passage 6 débouche à une première extrémité à l ' extérieur du dispositif 1 pour former l ' entrée du dispositif 1 et à sa deuxième extrémité dans le deuxième pas sage 7 . Le deuxième passage 7 débouche à une première extrémité dans le premier passage 6 et à une deuxième extrémité dans le module d' observation 3 .
Optionnellement , la deuxième extrémité du deuxième passage 7 est conformée en un tronc de cône 8 se rétrécissant en direction du module d' observation 3 .
Ceci permet de limiter un dépôt des particules sur des parois du module d' observation 3 ou du module de préparation 2 lors du passage du flux d' air entre les deux modules .
On peut toutefois conformer différemment la deuxième extrémité du deuxième passage 7 selon un volume et/ou un débit d' observation du flux d' air visé dans le module d' observation 3 .
On préférera toutefois que la deuxième extrémité du deuxième passage 7 soit conformée de sorte que sa section ( selon un plan de section de normale la deuxième direction B) diminue progressivement en direction du module d' observation 3 . Ceci permettra une nouvelle fois de limiter un risque de dépôt .
Le module de préparation 2 comportent en outre des moyens de grossissement des particules (et donc potentiellement des particules de l ' aérosol test ) contenues dans le flux d' air . Le but du grossissement est ainsi de rendre détectable les particules de l ' aérosol test par le module d' observation 3 .
Les moyens de grossissement sont conformés pour condenser sur les particules , contenus dans le flux d' air , de la vapeur d' au moins un solvant afin d' obtenir des gouttelettes .
A cet effet , les moyens de grossissement comportent des moyens de production de vapeur d' au moins un solvant . Typiguement lesdits moyens comportent un réservoir 9 contenant un solvant donné ( liquide ou solide ) . Ce réservoir 9 est par exemple agencé sous le boitier 4 entre les moyens de piétements 5 du boitier . Alternativement, le réservoir 9 est agencé à l ' intérieur du boitier 4 directement . Dans les deux cas , le réservoir 9 est préférentiellement agencé sous le premier passage 6 . En outre , au moins un tronçon du premier passage 6 est ouvert sur le réservoir 9 afin que le réservoir 9 et le premier pas sage 6 puissent communiquer au niveau de ce tronçon . Les moyens de production de vapeur comportent également un bloc chauf fant (non référencé ici ) as socié au réservoir 9 : de la sorte le bloc chauffant vient chauffer le ou les solvants contenus dans le réservoir 9 qui s ' évapore (nt) ainsi pour venir en contact avec les particules présentes dans le flux d' air circulant dans le premier passage à l ' aplomb du réservoir 9 . De la sorte , les particules se trouvent imprégnées de vapeur de solvant ( s ) . Par exemple on utilise un unique solvant . Par exemple le solvant est du glycérol .
Par exemple le bloc chauffant chauffe le solvant à une température comprise entre 70 et 90 degrés Celsius et de préférence une température sensiblement égale à 80 degrés Celsius .
Par ailleurs , les moyens de grossissement comportent des moyens de refroidissement du solvant pour former les gouttelettes comme indiqué précédemment . Lesdits moyens sont de préférence situés au niveau du deuxième passage 7 . Par exemple lesdits moyens comportent une colonne de refroidissement 10 formant ou entourant le deuxième passage 7 . Par exemple la colonne de refroidissement 10 comporte une ou des plaques à effet Peltier .
Par exemple les moyens de refroidissement refroidissent l ' intérieur du deuxième pas sage 7 à une température comprise entre 0 et 20 degrés Celsius et de préférence une température sensiblement égale à 10 degrés Celsius .
En conséquence , les particules , qui étaient entrées dans le dispositif en entrée du module de préparation 2 , sortent dudit module pour entrer dans le module d' observation 3 sous la forme de gouttelettes .
Ainsi , les moyens de grossi ssement sont conformés pour obtenir des gouttelettes mono-dispersées . On rappelle ici que le terme de « mono-dispersées » (pour la traduction anglaise de « monodisperse ») signifie que les gouttelettes ont toutes sensiblement la même taille .
En référence aux figures 2 et 4 à 5 , le module d' observation 3 comprend une chambre 11 . La chambre 11 repose donc ici sur une face supérieure du boitier 4 du module de préparation 2 afin que le module d' observation 3 se trouve sur le module de préparation 2 .
Le deuxième passage 7 du module de préparation 2 est raccordé à ladite chambre 11 , en partie basse de celle-ci . De préférence , le dispositi f 1 comporte des moyens d' étanchéité au niveau de la liaison entre le module de préparation 2 et le module d' observation . Les moyens d' étanchéité comportent par exemple un j oint d' étanchéité agencé à la j onction entre les deux modules .
La chambre 11 est ainsi agencée de sorte que le flux chargé de gouttelettes traverse la chambre 11 selon une première direction X . Dans le cas présent , la chambre 11 est conformée de sorte que la première direction X s ' étende sensiblement verticalement . En conséquence, le deuxième passage 7 s'étend co-axialement à ladite première direction X.
On note ainsi que le flux chargé de gouttelettes traverse la chambre 11 traverse la chambre 11 de manière sensiblement rectiligne.
Ceci permet d'avoir un flux en écoulement laminaire. Ceci limite un risque de dispersion des gouttelettes dans la chambre 11. Ceci limite un risque de dépôt de gouttelettes dans la chambre.
De la même façon, le fait que le deuxième passage 7 s'étende dans l'alignement de la chambre 11 permet de favoriser cet écoulement laminaire.
En outre, le fait que la deuxième extrémité du deuxième passage 7 se réduise progressivement en direction du module d'observation 3 favorise également cet écoulement laminaire .
Le dispositif 1 ainsi décrit permet de limiter grandement un risque de dispersion des gouttelettes dans la chambre 11 ce qui limite un risque de dépôt et améliore la qualité de mesures effectuées par le module d'observation 3.
La chambre 11 est par exemple conformée globalement en un prisme dont les deux bases sont définies par un polygone à quatre côtés. La chambre 11 a donc globalement une forme parallélépipédique ou cubique.
Le module d'observation 3 comporte par ailleurs une source lumineuse 12 apte à générer un faisceau lumineux dirigé en service vers le flux de gouttelettes.
Ladite source lumineuse 12 est en réalité choisie pour permettre d'exciter au moins l'une des particules de l'aérosol présent dans les gouttelettes. On choisit ainsi de préférence la source lumineuse 12 de sorte que la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 12 (ou sa bande de longueurs d'ondes d'émission) soit décalée de la longueur d'onde d'excitation des particules de l'aérosol que l'on souhaite détecter (ou sa bande de longueurs d'excitation) . Il convient de noter que la vapeur de solvant peut modifier cette longueur d'onde d'excitation (ou cette bande de longueurs d'ondes d'excitation) et qu'il est donc préférable d'en tenir compte pour caractériser la longueur d'onde d'émission de la source lumineuse 12 (ou sa bande de longueurs d'ondes d'émission) .
Ainsi, la bande de longueur d'ondes d'excitation et la bande de longueur d'ondes d'émission ne se chevauchent pas. On limite ainsi un risque de perturbation dans l'excitation des particules.
Dans l'exemple indiqué la source lumineuse 12 est choisie pour permettre d'exciter au moins les particules du fluorochrome (qui sont très caractéristiques de l'aérosol test) .
Ladite source lumineuse 12 comporte par exemple un laser pour générer ledit faisceau lumineux.
De préférence, le laser est un laser fibré.
De préférence, le laser est un laser fibré à fibre optique carré .
Un tel laser permet avantageusement d'obtenir un faisceau lumineux d'intensité lumineuse très homogène (dans le temps et sur toute la bande de longueurs d'ondes d'émission du laser) .
En conséquence il est possible d'exciter de façon très homogène les différentes particules de l'aérosol test présentes dans des gouttelettes différentes.
De préférence, le laser est un laser bleu.
Le laser présente par exemple une longueur d'onde d'émission comprise entre 400 et 500 nanomètres et par exemple entre 450 et 480 nanomètres et par exemple une longueur d'onde d'émission d'environ 478 nanomètres. La source lumineuse 12 est agencée dans le module d'observation 3 de sorte que la direction générale du faisceau lumineux s'étende selon une deuxième direction Y (la direction générale du faisceau lumineux étant la direction parallèlement à laquelle s'étendent la majorité des rayons formant ledit faisceau) qui est inclinée ou orthogonale à la première direction X. Dans le cas présent, la deuxième direction Y et la première X sont orthogonales entre elles. Le faisceau lumineux s'étend donc généralement horizontalement .
De préférence, le module d'observation 3 comporte un piège optique 13 associé à la source lumineuse 12 afin de bloquer le faisceau lumineux, une fois qu'il a traversé le flux de gouttelettes, pour empêcher le faisceau lumineux de se propager de multiples fois dans la chambre 11.
Le piège optique 13 absorbe par exemple ledit faisceau lumineux. Le piège optique 13 est par exemple un piège à faisceaux .
Dans le cas présent, la source lumineuse 12 et le piège optique 13 sont agencés de part et d'autre de la chambre 11. Par exemple la source lumineuse 12 est agencée sur un première côté latéral de la chambre 11 et le piège optique 13 est agence sur un deuxième côté latéral de la chambre 11, opposé au premier.
Le module d'observation 3 comporte par ailleurs une cellule optique 14 pour collecter une émission lumineuse résultant de l'excitation d'au moins une particule de l'aérosol test par la source lumineuse 12.
La cellule optique 14 est ici une caméra. La caméra est de préférence une caméra scientifique [comme une caméra sCMOS (pour « scientific Complementary Metal-Oxide- Semiconductor » ou « semi-conducteurs scientifiques complémentaires à l'oxyde de métal » en français) ] et/ou une caméra rétro-éclairée .
Dans l'exemple illustré, selon le principe de fluorescence, les particules d'aérosol test présentes dans des gouttelettes et excitées vont en effet réémettre une lumière qui pourra être collectée par la cellule optique 14 et permettre la détection des particules de l'aérosol test. L'émission lumineuse des particules de l'aérosol peut ainsi ici également être appelée « émission lumineuse de fluorescence ». La caméra est préférentiellement munie d'un filtre pour collecter en majorité les émissions lumineuses résultant de l'excitation des particules de l'aérosol visé (ici 1' aérosol test) .
On choisit donc ici le filtre en fonction de la longueur d'onde (ou bande de longueurs d'onde) d'émission lumineuse (ici fluorescente) des particules de l'aérosol visé (étant entendu gue comme indigué précédemment si la vapeur de solvant modifie la longueur d'onde d'émission (ou bande de longueurs d'onde) des particules de l'aérosol il est préférable d'en tenir compte pour définir le filtre utilisé) .
Dans le cas présent, le filtre est donc un filtre permettant à la caméra de travailler dans une bande de longueurs d'ondes centrée autour d'une valeur comprise entre 480 et 580 nanomètres, et de préférence centrée autour d'une valeur comprise entre 500 et 540 nanomètres et de préférence centrée autour de 520 nanomètres. Le filtre est par exemple un filtre de 520 nanomètres.
On choisit dans le cas présent de préférence le filtre afin que la caméra travaille dans une bande de longueurs d'ondes décalée vis-à-vis de la ou des longueurs d'ondes d'absorption caractéristiques des particules de l'aérosol visé (et ici des particules du fluorochrome visé) . Il n'y a ainsi pas de chevauchement entre la bande de longueurs d'ondes de réception de la caméra et celle de longueurs d'ondes d'absorption caractéristiques des particules de l'aérosol visé.
Le capteur optique (qui est ici la caméra) est agencé dans le module d'observation 3 de sorte que son axe optique (i.e. son axe d'observation soit encore l'axe correspondant à la direction de propagation de la lumière captée) s'étende généralement selon une troisième direction Z qui est inclinée ou orthogonale à la première direction X. Dans le cas présent, la troisième direction Z et la deuxième direction X sont orthogonales entre elles . L' axe optique de la caméra s ' étend donc sensiblement horizontalement .
En conséquence , l ' axe optique de la caméra s ' étend ici orthogonalement à la direction générale de la source lumineuse 12 .
Par exemple la caméra est agencée sur un troisième côté latéral de la chambre 11 se situant entre le premier côté as socié à la source lumineuse 12 et le deuxième côté as socié au piège optique 13 .
De préférence , le module d' observation 3 comporte un deuxième piège optique 15 associé à la caméra pour limiter la propagation des émissions lumineuses - ( ici fluorescentes ) dans une autre direction que celle de la caméra .
Le deuxième piège optique 15 absorbe par exemple ledit faisceau lumineux . Le deuxième piège optique 15 est par exemple un piège à faisceaux .
Dans le cas présent , la caméra et le deuxième piège optique 15 sont agencés de part et d' autre de la chambre 11 . Par exemple la caméra est agencée sur le troisième côté latéral de la chambre 11 et le deuxième piège optique 15 est agencé sur le quatrième côté latéral de la chambre 11 opposé au troisième côté .
On comprend ainsi que la chambre 11 est astucieusement configurée sous la forme d' un prisme à bases à quatre côtés avec deux côtés successifs associés respectivement à la source lumineuse 12 et à la caméra, les deux autres côtés étant munis de pièges optiques 13 et 15 .
Par ailleurs , le flux de gouttelettes débouche au niveau de la base de la chambre 11 entre ces quatre côtés pour sortir du module d' observation 3 par son plafond .
En conséquence tout le flux de gouttelettes traverse le faisceau lumineux ce qui permet de très bien pouvoir analyser ledit flux .
Encore une fois l ' écoulement laminaire du flux à travers la chambre 11 permet de limiter un risque de dispersion des gouttelettes dans la chambre et un dépôt de ces dernières sur des parois de la chambre.
De préférence, le dispositif 1 comporte des moyens de traitement 16 d'informations générées par la cellule optique 14. Le dispositif 1 s'avère ainsi plus autonome. Ces moyens de traitement 16 font par exemple partis du module d'observation 3 ou appartiennent à un troisième module du dispositif 1. A cet effet les moyens de traitement 16 comporte au moins un organe de calcul tel qu'un micro-ordinateur, un calculateur ...
L'organe de calcul commande préférentiellement le reste du dispositif 1 comme par exemple le régulateur de débit ou bien encore la source lumineuse 12 et la cellule optique 14.
Les moyens de traitement 16 sont ici configurés pour caractériser les particules de l'aérosol test et effectuer un comptage simultané des particules de l'aérosol test. A cet effet, les moyens de traitement 16 sont prévus pour déterminer une distribution granulométrique des particules et/ou la concentration (en particules ou massique) des particules de l'aérosol test et ce en fonction de l'intensité lumineuse des émissions lumineuses enregistrées par la caméra. Il faut comprendre qu'en réalité ces émissions lumineuses se présentent sous la forme de pics impulsionnels qu'il est donc possible d'analyser en les comptant (à un pic correspondant une particule) mais également en reliant l'intensité lumineuse d'un des pics à la taille (soit le diamètre) de la particule ayant induit ce pic (par exemple en s'aidant des théories de Fraunhofer ou de Mie) .
Par exemple, les moyens de traitement 16 :
- traitent optionnellement au moins une image fournie par la caméra pour faciliter la lecture du ou des pics d'intensité lumineuse présents sur ladite image,
- calculent le nombre de pics et en déduisent la concentration en nombre de particules dans le flux d'air. Par exemple, les moyens de traitement 16 :
- traitent optionnellement au moins une image fournie par la caméra pour faciliter la lecture du ou des pics d'intensité lumineuse présents sur ladite image,
- estiment l'intensité lumineuse du ou desdits pics,
- calculent la concentration massique en fonction de l'estimation de l'intensité lumineuse du ou desdits pics.
Bien entendu, dans les deux cas, plus on analyse d'images, plus on rend le calcul de la concentration en nombre de particules ou en concentration massique précis. De façon avantageuse, comme les images sont prises en continue, il est possible d'enrichir rapidement la précision de la concentration en nombre de particules ou en concentration massique.
Pour la dernière étape du calcul de la concentration massique, pour relier la concentration massique de particules d'un fluorochrome donné (qui est ici la fluorescéine sodée) à l'intensité de fluorescence émise Ifiuorescence, les moyens de traitement 16 peuvent par exemple s'appuyer sur la formule suivante :
Figure imgf000019_0001
avec : k une constante optique, ® un rendement quantique de fluorescence à la longueur d'onde d'excitation (qui est ici connue et prédéterminée) soit l'efficacité d'émission d'un fluorochrome donné, Io une intensité lumineuse d'une radiation incidente à la longueur d'onde d'excitation considérée (la radiation incidente étant dépendantes de la puissance du laser et de la sensibilité de la caméra) , E un coefficient d'absorption molaire du fluorochrome donné à la longueur d'onde d'excitation considérée, 1 une valeur du chemin optique parcouru par la radiation incidente pour atteindre le capteur optique (dans le cas présent sensiblement égale à la distance séparant la caméra de la première direction X) . Le dispositif 1 permet ainsi d'obtenir une concentration en nombre de particules et/ou une concentration massique des particules de l'aérosol test qui est/sont avantaqeusement indépendante ( s ) du diamètre des particules d'aérosol test (grâce au fait que les gouttelettes soient toutes sensiblement de même dimension) .
En outre le dispositif 1 permet ainsi d'obtenir une concentration une concentration massique des particules de l'aérosol test qui est/sont avantageusement indépendante ( s ) de leur nombre (le dispositif 1 effectuant un comptage simultanée des gouttelettes) même si évidemment plus le nombre de particules pris en compte augmente plus le calcul de la concentration massique sera précis.
Sur un autre aspect, les moyens de traitement 16 sont prévus pour déterminer une distribution granulométrie des particules de l'aérosol test en fonction de l'intensité lumineuse des émissions lumineuses enregistrées par la caméra .
Par exemple, les moyens de traitement 16 :
- traitent au moins une image fournie par la caméra pour faciliter la lecture du ou des pics d' intensité lumineuse présents sur lesdites images,
- identifient le (s) pic (s) d'intensité lumineuse,
- estiment pour chaque pic (s) la taille de (s) particule (s) (par exemple en s'aidant des théories de Fraunhofer ou de Mie) ayant induit ce pic..
Bien entendu, dans les deux cas, plus on analyse d'images, plus on rend on enrichit la distribution granulométrique . De façon avantageuse, comme les images sont prises en continue, il est possible d'enrichir rapidement la distribution granulométrique.
Le dispositif 1 permet ainsi de mesurer de manière simultanée plusieurs particules d'aérosol test (puisque sur une même image plusieurs pics peuvent être présents) .
Par ailleurs, le dispositif 1 comporte de préférence une interface de communication (non représentée ici) avec l ' extérieur du dispositif 1 afin de transmettre les informations générées par la cellule optique 14 et/ou les moyens de traitement 16 . L' interface de communication est par exemple une interface de communication sans fil (par Wifi , par Bluetooth ...) et/ou une interface de raccordement filaire (port USB, HDMI ...) .
Le dispositif 1 comporte également des moyens d' alimentation ( tels qu' une batterie ) et/ou des moyens de raccordement à une prise secteur (non référencés ici ) .
En service , le flux prélevé dans le réseau de ventilation se mélange à la vapeur de solvant . En arrivant dans la colonne de refroidissement 10 , la vapeur de solvant se condense sur chaque particule du flux prélevé (notamment sur chaque particule d' aérosol test ) formant ainsi une multitude de gouttelettes de diamètre prédéterminé et sensiblement identique pour toutes les gouttelettes . Par exemple les gouttelettes ont un diamètre de l ' ordre de deux micromètres environ .
Le flux chargé de gouttelettes quitte alors le module de préparation 2 pour entrer dans le module d' observation 3 . Ledit flux dans son intégralité traverse le faisceau lumineux qui vient ainsi exciter au moins les gouttelettes incluant une particule d' aérosol test .
Les émissions lumineuses qui en découlent sont ainsi captées en continu par la caméra avec un comptage simultané des différentes particules d' aérosol test excitées par le faisceau lumineux . Les données recueillies par la caméra peuvent alors être traitées par les moyens de traitement 16 .
Puis le flux chargé des gouttelettes quitte la chambre 11 , aspiré par la pompe , et retourne dans le réseau de ventilation .
Le dispositif 1 ainsi décrit permet de travailler en temps réel et en continu .
Le dispositif 1 permet non seulement de détecter la présence d' au moins une particule d' un aérosol dans un flux mais également de pouvoir les caractériser et d'en effectuer un comptage simultané (en effet le dispositif 1 ne travaille pas ici gouttelette par gouttelette mais de manière continue, permettant ainsi de pouvoir travailler simultanément sur les différentes gouttelettes passant à travers le faisceau lumineux) .
Le dispositif 1 permet avantageusement de limiter au maximum un dépôt de gouttelettes dans le module d'observation 3 ce qui pourrait l'endommager à terme. A cet effet, le dispositif 1 est conformé pour favoriser un écoulement laminaire du flux chargé de gouttelettes dans le dispositif 1.
En outre, le dispositif 1 est d'une masse et d'un volume limités ce qui le rend aisément déplaçable d'un point à un autre. Le dispositif 1 est en particulier portable et déplaçable par une seule personne. Les inventeurs ont ainsi pu mettre au point un prototype pesant moins de 5 kilogrammes .
Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et on peut y apporter des variantes sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications .
Ainsi, bien qu'ici le flux à analyser soit un flux d'air, l'invention pourra être utilisée avec d'autres flux de gaz. Bien qu'ici l'invention soit agencée dans une centrale nucléaire, l'invention pourra être agencée dans tout autre lieu lié ou non à l'énergie nucléaire. Par exemple l'invention pourra être agencée dans un hôpital pour une mise en liaison avec une pièce stérile (chambre, salle d'opération ...) ou bien encore dans une entreprise pour une mise en liaison avec une pièce type salle blanche. Ainsi l'invention pourra être associée au milieu hospitalier, au milieu agroalimentaire, au milieu industriel, au milieu environnemental, dans un champ, dans un hôpital, dans un site industriel ... Ainsi l'invention pourra être associée à un milieu nucléaire ou à un milieu non nucléaire. L'invention pourra être associée à un milieu ouvert ou à un milieu clos .
De manière générale l'invention pourra être associée à tout milieu où l'on souhaite connaître l'existence d'au moins une particule d'aérosol (potentiellement polluante) .
De façon avantageuse, l'invention peut être aisément déplacée d'un lieu à un autre et ce gui lui permet de pouvoir être utilisée dans des applications différentes. Le dispositif pourra ainsi (guel gue soit le lieu où il sera agencé) être utilisé pour s'assurer de la gualité d'un système de filtration de manière générale, d'un ou plusieurs filtres (HEPA ou non) , ou tout simplement de la gualité de l'air (ou d'un autre gaz) d'un endroit donné (fermé ou non) .
Ainsi bien gu' ici on cherche à détecter un aérosol test, on pourra chercher à repérer un aérosol naturellement présent dans le milieu étudié. On choisira ainsi la source lumineuse pour permettre l'excitation d'un aérosol spécifigue visé et le capteur pour détecter l'émission lumineuse gui en résulte comme cela a été indigué plus haut .
Bien entendu, il est également possible de choisir la source lumineuse pour permettre l'excitation de plusieurs types de particules d'un aérosol visé.
L'aérosol spécifigue visé pourra être de la fluorescéine sodée ou un autre aérosol comme par exemple un aérosol à base de rhodamine, un aérosol à base d' allophycocyanine, un aérosol à base de chlorophylle ... L'aérosol visé pourra être solide ou liguide.
En conséguence, le capteur optigue pourra détecter des émissions lumineuses particulières gui ne seront pas nécessairement fluorescences comme ce gui a été décrit ci- dessus .
Bien entendu le solvant contenu dans le réservoir des moyens de grossissement sera alors choisi en fonction de l'aérosol visé et ne sera donc pas nécessairement du glycérol . On pourra ainsi avoir comme solvant simplement de l ' eau (que l ' aérosol visé soit de la fluorescéine sodée ou non) .
Le dispositif pourra comporter des moyens de stockage pour enregistrer des informations générées par la cellule optique et/ou les moyens de traitement (mémoire locale , carte micro-SD ...) .
La source lumineuse pourra être différente de ce qui a été indiqué . On cherchera toutefois à avoir une source lumineuse présentant un fai sceau lumineux d' intensité lumineuse la plus homogène possible . On pourra par exemple avoir recours à un laser non fibré et l ' associer à des moyens filtrants pour sélectionner une bande de longueurs d' ondes d' émission qui soit sensiblement de même intensité lumineuse .
Bien qu' ici le flux en entier passe à travers le faisceau lumineux de la source lumineuse , seule une fraction dudit faisceau pourra traverser ledit faisceau ( étant entendu que cette portion sera déterminable à partir du positionnement de la source lumineuse dans ladite chambre et du chemin effectué par le flux dans la chambre ) .
Bien qu' ici le capteur optique soit une caméra , le capteur optique pourra être d' un tout autre type comme un capteur CDD (pour « Couple Charge Device » en anglais ou dispositif à couplage de charges en français ) . Le capteur pourra ainsi être un capteur sphérique , un capteur rond, un capteur linéaire ... La cellule optique pourra ainsi comporter plusieurs capteurs optiques et par exemple une succession de capteurs optiques j uxtaposés selon une direction rectiligne ou bien encore une succession de capteurs optiques agencés circonf érentiellement dans la chambre .

Claims

REVENDICATIONS
1. Module d' observation pour dispositif de détection de la présence d'au moins une particule d'un aérosol dans un flux, le module comprenant au moins :
- Une chambre (11) à travers laquelle circule en service le flux à analyser,
- Une source lumineuse (12) apte à générer un faisceau lumineux traversant en service le flux à analyser, la source lumineuse (12) étant un laser fibré à fibre carré,
- Une cellule optique (14) comprenant au moins un capteur optique pour collecter une émission lumineuse résultant d'une excitation d'au moins la particule de l'aérosol par la source lumineuse.
2. Module selon la revendication 1, conformé de sorte qu'en service le flux traverse sensiblement la chambre verticalement .
3. Module selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel la source lumineuse (14) est agencée de sorte que la direction générale du faisceau lumineux s'étende selon une direction qui est sensiblement horizontale.
4. Module selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le capteur optique est agencé de sorte que son axe optique s'étende selon une direction qui est sensiblement horizontale .
5. Module selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le capteur optique et la source lumineuse (12) sont agencées de sorte que respectivement un axe optique du capteur optique et une direction générale du faisceau lumineux généré par la source lumineuse s'étendent sensiblement orthogonalement l'un par rapport à l'autre.
6. Module selon l'une des revendications 1 à 5, comportant au moins un piège optique (13, 15) associé à la source lumineuse et/ou au capteur optique.
7. Module selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant des moyens de traitement (16) d'informations générées par la cellule optique.
8. Module selon la revendication 7, dans lequel les moyens de traitement (16) sont configurés pour caractériser les particules de l'aérosol test et/ou effectuer un comptage simultané des particules de l'aérosol test.
9. Dispositif de détection de la présence d'au moins une particule d'un aérosol dans un flux, le dispositif comprenant un module selon l'une des revendications précédentes ainsi qu'un module de préparation (2) raccordé audit module d' observation .
10. Application du module selon l'une des revendications 1 à 8, pour surveiller un réseau de ventilation d'un lieu industriel nucléaire.
11. Application du module selon l'une des revendications 1 à 8, pour la détection d'au moins la fluorescéine sodée.
PCT/EP2022/081128 2021-11-08 2022-11-08 Module d'observation et dispositif associé de détection de la présence d'au moins une particule d'un aerosol WO2023079172A1 (fr)

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