Il y a quelque chose dans l'air

Climet Partikelzähler

Laboratoire d'étalonnage de la CAS

Climet Partikelzähler im Einsatz

Siège de l'entreprise CAS en Suisse

La formation de particules ne peut pas être empêchée. Cependant, en présence du mauvais endroit avec la mauvaise concentration, elles peuvent avoir des effets fatals. À l'hôpital, par exemple, elles peuvent provoquer des infections ou contaminer des produits dans l'industrie pharmaceutique. Cela ne peut être évité qu'avec des instruments de mesure complexes et un partenaire de service fiable, qui possède une longue expérience dans le domaine de la mesure de particules et connaît les critères essentiels lors de l'achat d'un tel compteur de particules.

Très peu d'entre nous sont entourés d'air pur. Il n'existe pas dans notre vie quotidienne normale. Pourtant, il est devenu indispensable dans certains domaines, comme la pharmacie ou le secteur de la santé. Ces segments ont connu des changements marquants ces dernières années. Par exemple, en Suisse, en Allemagne et en Autriche, de nouvelles directives pour les installations de ventilation dans le secteur de la santé et dans les environnements contrôlés ont été élaborées. Leur objectif est de maintenir la concentration de particules en suspension dans l'air aussi faible que nécessaire dans les zones sensibles.

Nous sommes tous quotidiennement entourés d'une multitude de particules. Certaines sont même produites par l'homme lui-même. Le volume de ces particules varie énormément. Elles ne deviennent visibles à l'œil humain qu'à partir d'une taille d'environ 50 micromètres (µm), par exemple sous forme de pollen, de poussière de ciment ou de gouttelettes de éternuement. Les bactéries, qui ont des tailles de particules allant de 0,3 à 30 µm, ne sont plus visibles de manière conventionnelle, sans parler de la pollution de l'air extérieur normal (0,01 à 1), de la fumée de tabac (0,01 à 0,3) ou des virus et protéines (0,01 à 0,1). Ce sont des dimensions que nous ne pouvons en fait plus concevoir. Pour avoir une idée comparative, on peut imaginer le rapport de volume de la Terre par rapport à une balle de tennis. Ce rapport est à peu près équivalent à celui d'une particule de 1 micromètre de diamètre par rapport à une balle de tennis. Même ainsi, la taille réelle ne peut être qu'approximée, car elle dépasse notre capacité d'imagination. Cependant, la mesure et la définition claire de telles particules sont devenues indispensables dans notre vie quotidienne.

Aérosols dans l'usage quotidien
Les aérosols — c’est-à-dire de petites particules présentes partout dans l'air — sont aujourd'hui utilisés dans divers domaines. Parce qu'ils sont si petits, ils peuvent passer sans obstacle à travers les systèmes de filtration des voies respiratoires humaines. Selon leur taille, ils pénètrent dans les bronches jusqu’aux alvéoles pulmonaires et peuvent parfois même atteindre la circulation sanguine. Cette capacité des aérosols est exploitée en médecine : par exemple, dans les sprays d'inhalation, des particules actives sont utilisées. Mais si ces particules portent des substances cancérigènes, cela devient évidemment dangereux pour notre corps. C’est notamment le cas lors du tabagisme ou de l'inhalation de gaz d’échappement.

Les aérosols sont également utilisés en agriculture. Ils sont nécessaires lors de la pulvérisation d'insecticides et de produits phytosanitaires. Et dans le domaine technique — pour la peinture ou la coloration — ou pour un usage privé — dans les sprays capillaires ou les produits de nettoyage — ils sont également incontournables.

La poussière comme facteur de perturbation
Les particules peuvent également apparaître comme facteurs de perturbation. Dans l'industrie électronique, où les circuits intégrés sont fabriqués avec des pistes conductrices séparées par seulement quelques fractions de micromètres, une particule de poussière peut provoquer un court-circuit. Il est donc indispensable de créer un environnement de travail sans poussière pour la fabrication de tels produits. Il en va de même dans l'industrie pharmaceutique ou dans le secteur de la santé. Il est inimaginable de quelles infections bactériennes ou virales cela pourrait entraîner. Comme il n’est pas possible d’éliminer complètement les microbes, il faut également assurer une atmosphère sans poussière. La technique qui s’occupe de la prévention de la contamination par la poussière en médecine et en technologie s’appelle la technologie des salles blanches.

Ce que l’homme « produit »
De manière très fondamentale, on distingue deux origines des aérosols : les aérosols naturels comme le brouillard, la poussière du Sahara, les bactéries, les virus, la fumée des feux de forêt et la poussière de fleurs. Ou bien les aérosols industriels comme les émissions provenant des industries, du trafic ou des foyers domestiques. L’homme est également un producteur actif d’aérosols. Sans activité particulière, il génère déjà environ 100’000 particules par minute. Lors d’un léger mouvement de tête, ce nombre peut atteindre 500’000 particules, et en marchant, il peut grimper à 5 millions. Cette forte émission de particules est l’une des raisons pour lesquelles dans divers domaines, il faut porter des vêtements de travail spéciaux. Un comportement professionnel dans une salle blanche, par exemple, est même formé par des cours spécifiques pour maintenir la « contamination » aussi faible que possible.

Le fonctionnement des compteurs de particules
La formation de particules ne peut pas être empêchée. Cependant, il est essentiel — selon le domaine d’application — de connaître la concentration effective de ces substances. Pour une mesure appropriée, des compteurs de particules sont utilisés. Le principe de fonctionnement de ces appareils peut être expliqué par un exemple simple : si vous vous trouvez dans une grange sombre, à travers laquelle la lumière du soleil filtre à travers les murs en bois, vous remarquerez que certains rayons semblent moins lumineux que d’autres. Ces différences de lumière s’expliquent par la poussière en suspension dans la grange. Un compteur de particules fonctionne selon un principe similaire. Un rayon laser remplace la lumière du soleil, et l’obscurité de la grange est remplacée par la chambre noire du capteur. À l'œil nu, la poussière détectée par le compteur de particules n’est plus visible. En salle blanche, on détecte généralement des particules de 0,3 à 5,0 µm. Dans la fabrication de dispositifs électroniques, on considère parfois aussi des particules de 0,1 µm de diamètre.

Analyse des données
La procédure lors d’une mesure est toujours la même : en principe, les compteurs de particules sont réglés pour que rien ne se passe tant que de l’air propre circule dans la cellule de mesure. Mais si de petites particules de poussière entrent dans la chambre noire décrite précédemment (la cellule de mesure) et traversent le rayon laser, leur lumière est diffusée. En général, une petite particule produit une lumière faible, tandis qu’une grande particule en produit une forte. La chambre miroir réfléchit ces rayons vers un photodétecteur, qui convertit l’énergie lumineuse en signaux électriques.
La formule de base pour le calcul final stipule que la lumière est proportionnelle à la taille de la particule, tout comme le signal électrique l’est à la particule. Sur cette base, s’effectuent les analyses et évaluations ultérieures des données. Leur précision dépend en fin de compte de la conception du compteur de particules. Pour le compléter, des circuits électroniques spéciaux sont ajoutés, et un étage d’amplification soutient le très faible signal électronique. Un système complémentaire filtre également tous les « bruits » indésirables. Enfin, les signaux sont analysés par un processeur numérique breveté. Des circuits numériques supplémentaires permettent d’afficher les données sur un écran et de les imprimer.

Analyses plus rapides
Dans un compteur de particules, le facteur temps est également crucial. La durée pendant laquelle un mètre cube d’air peut être mesuré est d’ailleurs un argument de vente pour les différents fabricants. Le volume d’aspiration des compteurs était auparavant principalement d’un pied cube par minute, ce qui correspond à 28,3 litres par minute. Cette unité provient de la norme américaine « US Federal Standard ». Pour mesurer un mètre cube d’air, ces appareils nécessitent donc plus de 35 minutes de mesure.

Mais le progrès n’a pas épargné les compteurs de particules. Aujourd’hui, on trouve sur le marché des appareils avec un débit de 50, 75 ou 100 litres par minute. Cela permet de réduire considérablement le temps de mesure, et pour un échantillon d’un mètre cube d’air avec un appareil de 100 litres, ce temps n’est que de 10 minutes.

La calibration garantit la qualité
La calibration est un facteur extrêmement important pour la qualité d’un compteur de particules. Chaque fabricant a ses propres instructions pour calibrer et régler ses appareils. Pour la calibration de la taille, on utilise généralement des particules de latex monodisperses certifiées. Celles-ci sont pulvérisées et introduites dans l’appareil. Les petites sphères blanches produisent une courbe de distribution gaussienne, dont la position est déterminante pour la précision du comptage. Cette courbe peut se déplacer d’année en année. Les facteurs pouvant en être la cause incluent : la contamination de la cellule de mesure ou du détecteur, la variation de la puissance du laser, un débit trop faible ou trop élevé, etc.

Le processus de calibration d’un compteur de particules doit être effectué en plusieurs étapes :
- Contrôle d’entrée (prise de l’état actuel, ce qui a été mesuré)
- Travaux de maintenance et de réparation
- Réglage (pour minimiser la déviation)
- Calibration à la sortie (test de la précision du comptage)

Pour garantir une calibration et une maintenance optimales du compteur de particules, il est conseillé de l’envoyer une fois par an à un centre de service agréé. Seuls ces laboratoires de calibration officiels disposent des données techniques des appareils de mesure et connaissent parfaitement les procédures de maintenance.

Auto-diagnostic
Pour pouvoir effectuer à tout moment un contrôle de fonctionnement lors de l’utilisation quotidienne, de nombreux compteurs de particules disposent d’un « auto-diagnostic » intégré. Grâce à celui-ci, le statut du laser et du flux est surveillé. Après une calibration, il est possible, par exemple, de produire une contamination volontaire en claquant des doigts. Les particules produites par ce claquement sont détectées par le laser, et le client peut s’assurer que le mode de comptage fonctionne correctement. Ensuite, un filtre de comptage zéro peut être utilisé pour effectuer un test du système. Ce filtre est idéalement placé directement sur le tuyau de mesure. L’air est aspiré à travers le filtre et conduit via un tuyau à la cellule de mesure. Si aucune particule n’est détectée, cela garantit que tous les éléments sont propres et que le résultat de la mesure n’est pas influencé par des facteurs perturbateurs. En principe, ces contrôles de fonctionnement peuvent être répétés à intervalles réguliers. Bien sûr, plus un contrôle est effectué fréquemment, plus la sécurité est grande.

Utilisation des compteurs de particules
Les compteurs de particules sont utilisés dans divers domaines et situations. Principalement, ils concernent les secteurs « classifications », « tests d’intégrité des systèmes de filtration », « mesures d’air comprimé » et « systèmes de surveillance ».

Les salles blanches sont nécessaires pour des procédés de fabrication spécifiques — notamment dans la fabrication de semi-conducteurs — où la présence de particules dans l’air ambiant pourrait perturber la structuration des circuits intégrés à l’échelle de fractions de micromètres. D’autres applications des salles blanches ou de la technologie des salles blanches se trouvent dans la technologie optique et laser, l’aérospatiale, les sciences de la vie, la recherche médicale, la production sans contamination d’aliments et de médicaments, ainsi que dans la nanotechnologie.

Mesure dans des endroits compliqués
Pour une détermination précise des particules, une sonde isocinétique est utilisée. L’isocinétiquepour assurer que les particules tombent dans la sonde et ne soient pas aspirées. La raison simple : l’aspiration crée des tourbillons d’air qui pourraient entraîner des erreurs de mesure. La sonde isocinétique empêche cela et garantit des résultats extrêmement précis. En général, on utilise des sondes rondes. Leur diamètre varie en fonction du volume d’aspiration du compteur de particules. La sonde est généralement reliée à l’appareil de mesure par un tuyau. Cela permet de l’installer dans des endroits difficiles d’accès, sans que la mesure ne soit perturbée ou falsifiée par l’homme ou la machine.

Il est cependant important que le tuyau — appelé en jargon « tuyau Hytrel » — possède un revêtement spécial. Il doit empêcher l’accumulation de particules à l’intérieur. De plus, la sonde isocinétique doit être positionnée ponctuellement dans le flux d’air. Si la direction du flux d’air à tester ne peut pas être contrôlée ou anticipée — par exemple dans un mélange turbulent —, l’entrée de la sonde doit être orientée verticalement vers le haut. En principe, le compteur de particules doit être configuré selon les instructions du fabricant. Toute déviation peut entraîner des erreurs de mesure.

Mais l’utilisation d’un tuyau Hytrel présente aussi certains inconvénients. Bien qu’il n’existe pas d’études approfondies sur ce sujet, l’expérience pratique montre qu’avec ce tuyau, des particules de 1,0 µm de taille peuvent être perdues et ne pas atteindre la cellule de mesure. Les hypothèses selon lesquelles ces particules restent dans le tuyau et sont détectées comme des erreurs n’ont pas été confirmées jusqu’à présent. Il est plutôt admis que les particules plus grosses sont brisées lors du transfert et que de petites particules sont détectées par la cellule de mesure.

Classification de la propreté de l’air
Pour faire fonctionner une salle blanche, il est nécessaire de réaliser des mesures de particules après la construction et pendant l’exploitation. Sur la base de ces mesures, une classification de la propreté de l’air peut être effectuée pour les salles blanches et les zones associées. Elle est réglementée par la norme ISO 14644-1. Cette norme concerne uniquement la concentration de particules en suspension dans l’air. La véritable base d’une qualification de salle blanche est la valeur de mesure et la conclusion qui en découle quant à la conformité de la salle blanche aux exigences. En particulier dans l’industrie pharmaceutique, ces résultats sont cruciaux pour assurer le bon fonctionnement. Les applications exigeantes nécessitent des conditions environnementales stables. Toute non-conformité aux valeurs prescrites peut entraîner, par exemple, des arrêts de production et des situations coûteuses. C’est pourquoi la procédure d’évaluation lors d’une « classification » est extrêmement détaillée. Outre le comptage des particules en suspension dans l’air, sont également vérifiés la circulation, la différence de pression, la température et l’humidité.

Une salle blanche est généralement conçue de manière à ce que le nombre de particules en suspension dans l’air introduites ou générées dans la pièce soit aussi faible que possible. Selon l’usage, seul le nombre de particules ou aussi le nombre de germes est surveillé, comme cela est nécessaire notamment lors de la fabrication de produits pharmaceutiques. Divers procédés sont utilisés pour assurer ces conditions, afin d’empêcher l’entrée de particules indésirables dans l’air et pour éliminer celles déjà présentes.

Test d’intégrité du système de filtration avec compteur de particules
Le test d’intégrité du système de filtration est une autre application des compteurs de particules. Il est nécessaire pour exclure sans doute tout dommage potentiel aux filtres HEPA ou ULPA. Le principe du test est relativement complexe : avant le filtre, l’air brut est chargé d’aérosols. Il s’agit donc d’une contamination volontaire de l’air. Étant donné que cet air présente une forte concentration de particules, un rapporteur de dilution est inséré entre l’air et le compteur de particules. Ces systèmes sont généralement disponibles avec un rapport de dilution de 1:100 ou 1:10. Ils permettent de mesurer l’air brut tout au long du test. Pour détecter une éventuelle fuite, toute la filtration doit être scannée à l’aide d’une sonde de mesure. Il est préférable d’utiliser une sonde rectangulaire, car sa forme — contrairement à une sonde ronde par exemple — réduit le temps de mesure pour le scan. Si, lors du processus, le nombre de particules admissible est dépassé, cela indique une possible fuite. Cela peut être confirmé plus précisément par une vérification locale de fuite.

Mesure de l’air comprimé avec compteur de particules
Lorsqu’on parle d’air de salle blanche, il s’agit principalement de l’air pur ambiant. Avec l’air comprimé, on désigne l’air utilisé pour un processus (par exemple, la pneumatique ou l’air de commande). Là aussi, il s’agit d’air qui peut entrer en contact avec un produit et le contaminer.

Il ne faut cependant pas mesurer directement l’air comprimé avec un compteur de particules, car cela pourrait endommager la cellule de mesure ou influencer le débit du compteur. C’est pourquoi un diffuseur doit être placé entre l’air comprimé et le compteur de particules. La norme ISO 8573 peut être utilisée pour cette mesure.

Surveillance
Jusqu’à présent, on parlait principalement de compteurs de particules mobiles. Les appareils de surveillance stationnaires sont quant à eux utilisés en continu pour surveiller certains processus, comme le remplissage de médicaments. Ce sont souvent des systèmes très complexes, nécessitant une supervision par un professionnel.

Conclusion
Un compteur de particules est un instrument de mesure extrêmement complexe, capable de détecter les plus petites particules en suspension dans l’air. Cependant, il existe d’énormes différences de qualité entre les fabricants. La précision et la fiabilité de ces appareils sont des critères importants pour leur achat. D’autres critères absolus sont : que les compteurs soient calibrés une fois par an, et que l’acheteur dispose d’un bon partenaire de service. En respectant ces principes simples, on ne regrettera jamais un tel achat.

Norme ISO 21501-4
La norme ISO 21501-4 définit la procédure de calibration des compteurs de particules. La norme exige notamment que l’efficacité de comptage (calibration de quantité) soit indiquée. Pour cela, des particules de latex monodisperses certifiées sont introduites dans l’appareil de test ainsi que dans le compteur de référence, et les deux quantités sont comparées. Lors de la résolution de taille (size resolution), il est ensuite vérifié si l’attribution des particules dans le plus petit canal est correcte. Un filtre de comptage zéro est également utilisé pour vérifier si la cellule de mesure est exempte de particules. La norme ISO 21501-4 recommande un intervalle de calibration annuel.