Obtenir les données dont vous avez besoin avec des mesures de particules

Obtenir les données dont vous avez besoin avec des mesures de particules

Par Patricia B. Keady, SI Incorporated Shoreview, Minnesota
Réimprimé de Indoor Environment Connections novembre 2000, volume 2, numéro 1

Les particules, grandes et petites, sont un facteur important pour maintenir une bonne qualité de l'air intérieur. Les mesures de contrôle, telles qu'une meilleure hygiène, des filtres améliorés ou une conception adéquate de l'extraction, sont généralement des actions simples. Cependant, le choix du bon contrôle dépend de la possession de données correctes pour la prise de décision. De nombreux instruments, utilisant diverses technologies, sont actuellement disponibles pour fournir ces informations en temps réel. La question est : « Quelle technologie est adaptée à mon application ? »

Les photomètres, compteurs optiques de particules (OPC) et compteurs de particules par condensation (CPC) mesurent tous les particules en suspension dans l'air en temps réel. Chaque technologie a une sensibilité unique à des caractéristiques spécifiques des particules telles que la taille, la masse et l'indice de réfraction. Le tableau 1 résume les principales différences de performance. Notez en particulier la gamme de tailles pour chacune et la limite supérieure des concentrations en nombre entre les OPC et les CPC. Le tableau 2 résume les applications typiques pour chaque technologie de mesure.

Photomètres

Souvent utilisés pour des études en milieu industriel et la surveillance des émissions, les photomètres sont bien adaptés pour évaluer l'exposition humaine à des aérosols de fractions de taille spécifiques en temps réel. Ils utilisent une technologie de diffusion de la lumière conventionnelle pour estimer de près les concentrations de masse particulaire. Le fonctionnement d’un photomètre typique est illustré à la figure 1. Un échantillon est aspiré dans l’instrument par une pompe en marche continue. La fraction de taille d’intérêt est « coupée » du flux d’air à l’entrée de l’échantillon à l’aide d’un impacteur ou d’un cyclone. Les fractions de taille les plus importantes sont respirables, thoraciques, PM10, PM2.5 et PM1.0. L’échantillon classé par taille passe par une buse de focalisation et entre dans la chambre de détection du photodétecteur. Une diode laser émet de la lumière à travers un ensemble d’optique de focalisation. Lorsque la lumière entre en contact avec les particules de l’échantillon, elle est dispersée dans toutes les directions. Un photodétecteur convertit cette lumière en une tension, calibrée par rapport à une concentration de masse d’aérosol connue (mg/m3). Dans certains instruments, une partie de l’échantillon est prélevée du flux d’air principal, filtrée et réintroduite sous forme d’air de gaine. L’air de gaine entoure l’échantillon de particules pour protéger l’optique de l’instrument contre l’encrassement. Les photomètres mesurent généralement des plages de taille de particules de 0,1 à 10 μm de diamètre, avec des concentrations allant de 0,01 à 100 mg/m3 ou plus. Les photomètres ne peuvent pas « voir » les particules inférieures à 0,1 μm (particules ultrafines) car celles-ci sont trop petites pour disperser des quantités détectables de lumière. Les photomètres mesurent le signal global d’un « nuage » de particules et ne sont pas conçus pour détecter des particules individuelles, même lorsqu’elles sont relativement grandes.

La plupart des photomètres sont calibrés avec une poussière de test standard, communément appelée poussière de route d’Arizona. Ce calibrage est une approximation valable pour la plupart des aérosols ambiants. Étant donné que les mesures optiques dépendent de la taille des particules et des propriétés du matériau, il peut arriver que dans certains cas, un calibrage personnalisé améliore la précision pour un aérosol spécifique.

Compteurs optiques de particules

Les compteurs optiques de particules mesurent la taille des particules et leur concentration en nombre en détectant la lumière dispersée par des particules individuelles. Ils étaient traditionnellement utilisés pour la surveillance des salles blanches, mais ont récemment trouvé des applications dans les tests de filtres, la surveillance environnementale extérieure et les études sur la qualité de l’air intérieur. Des particules uniques sont aspirées à travers un faisceau laser focalisé et produisent un flash de lumière, comme illustré à la figure 2. L’intensité de la lumière dispersée est une fonction complexe du diamètre, de la forme et de l’indice de réfraction de la particule, ainsi que de la longueur d’onde de la lumière et de la géométrie du détecteur optique. Un photodétecteur mesure la quantité de lumière dispersée par chaque particule et enregistre un comptage pour chaque plage ou « bin » de taille calibrée.

La plage de taille mesurée est généralement de 0,3 à 20 μm de diamètre, et la concentration en nombre est limitée à un maximum de 2 000 000 de particules/ft3 (70 particules/cm3). Les OPC sont calibrés avec des billes sphériques en latex de polystyrène de taille uniforme et d’indice de réfraction connu. La taille mesurée d’une particule inconnue est donc la « taille équivalente à la diffusion de la lumière » par rapport à la particule de calibration connue. La taille physique réelle peut être très différente de cette dernière.

Compteurs de particules par condensation

Les compteurs de particules par condensation, parfois appelés compteurs de noyaux de condensation, sont des instruments spécialisés qui agrandissent d’abord de très petites particules à une taille détectable optiquement. Ils excellent dans le comptage de particules dans des plages de taille invisibles pour les OPC et les photomètres. Les CPC sont utilisés pour diverses applications allant du test d’ajustement des respirateurs à la surveillance de la pollution de l’air extérieur, en passant par la recherche fondamentale. Ils sont particulièrement adaptés pour suivre la pollution intérieure jusqu’à leur source. Comme illustré à la figure 3, les particules sont continuellement aspirées dans l’instrument et passées à travers une vapeur d’alcool chaude. Le mélange circule ensuite dans une section de condensateur où la vapeur d’alcool se condense sur les particules, les faisant « grandir » en gouttelettes plus grosses. Les gouttelettes individuelles passent ensuite à travers le point focal d’un faisceau laser, produisant un flash de lumière. Chaque flash lumineux est compté comme une particule.

La plage de taille mesurée est généralement de moins de 0,02 à plus de 1,0 μm de diamètre. La concentration en nombre varie de zéro à plus de 500 000 particules/cm3 (15 000 000 000 particules/ft3). La mesure de concentration ne dépend pas de la taille ou des propriétés du matériau de la particule.

Les trois types d’instruments — photomètres, compteurs optiques de particules et compteurs de particules par condensation — ont leur place dans les investigations sur la qualité de l’air intérieur. Associer la technologie appropriée à votre application particulière fournira les données nécessaires pour comprendre et améliorer la qualité de l’air de votre bâtiment. Les photomètres, qui mesurent la concentration en masse, fournissent les données nécessaires pour comparer aux normes et directives de qualité de l’air. Les OPC offrent une compréhension supplémentaire des concentrations en nombre de particules et des plages de taille des particules de taille moyenne pour aider à identifier la source probable et l’impact sur la santé. Enfin, les CPC offrent un aperçu des particules ultrafines qui émergent maintenant comme un nouveau paramètre important de la qualité de l’air intérieur, pouvant jouer un rôle significatif dans la santé et le confort des occupants du bâtiment.

TSI Incorporated est un fournisseur mondial d’instruments innovants pour la sécurité, le confort et la santé des personnes. Les représentants et distributeurs de TSI dans le monde entier se concentrent sur l’aide aux clients pour résoudre des problèmes de mesure uniques liés à la qualité de l’air intérieur, la ventilation, le test d’ajustement des respirateurs, la détection de gaz et l’échantillonnage de particules.