Développement d’un dispositif d’étalonnage des appareils mesurant les concentrations massiques de particules

Le TEOM (Tapered Element Oscillating Microbalance) est un appareil de mesure très répandu au sein
des Associations Agréées de Surveillance de la Qualité de l’Air (AASQA). Il est capable de mesurer
en continu la concentration massique des particules en suspension dans l’air (en μg/m3), ce qui le
rend préférable à la méthode gravimétrique qui nécessite des analyses postérieures au prélèvement.
A l’heure actuelle, cet appareil est étalonné à l’aide de cales étalons raccordées au système
international. Ces cales, de masses connues, permettent de vérifier aisément la constante
d’étalonnage de l’appareil. Néanmoins, elles présentent deux inconvénients majeurs :
ü Leur masse est de l’ordre de 80 mg alors que les concentrations massiques de particules dans
l’air ambiant sont plutôt de l’ordre de quelques μg.
ü Un tel étalonnage ne permet pas de prendre en compte tout le système de prélèvement en amont
de la mesure de la masse.
Par conséquent, le LNE a proposé de développer une méthode d’étalonnage en masse du TEOM
qui tienne compte des particularités décrites ci-dessus et qui consiste à :
ü Injecter des particules ayant des concentrations connues et stables dans le temps d'une part, sur
le filtre du TEOM en passant par le système de prélèvement (hors tête de prélèvement) et d'autre
part, sur un filtre externe,
ü Comparer les concentrations massiques mesurées par le TEOM avec les concentrations
massiques « vraies » mesurées par la méthode de référence (méthode gravimétrique) sur le filtre.
De plus, cette méthode doit tenir compte des spécificités des AASQA, puisqu'elle doit pouvoir être
facilement mise en oeuvre directement par les AASQA dans les stations de mesure pour l'étalonnage
de leurs TEOM.
L’étude menée en 2005 a consisté à réaliser une bibliographie afin de faire un choix entre différents
générateurs de particules proposés en fonction de leurs performances métrologiques et des conseils
des fabricants.
Ce choix s’est porté sur le générateur GFG 1000 de la société PALAS distribué par la société
ECOMESURE.
Les essais réalisés en 2006 ont porté sur la caractérisation par la méthode gravimétrique de
référence du générateur de particules GFG 1000, ce qui a permis de déterminer les valeurs des
concentrations massiques de particules générées par le générateur de particules et de démontrer sa
répétabilité, sa linéarité en fonction du temps et de la fréquence d’étincelles, ainsi que sa stabilité
dans le temps. Cependant, ce générateur n’a pas pu être couplé avec le TEOM 50°C du LNE à cause
d’un problème de colmatage trop rapide du filtre du TEOM 50°C.
L’étude 2007 a consisté à poursuivre les investigations pour résoudre le problème de colmatage en
modifiant certains paramètres du TEOM 50°C, à savoir le débit et le temps de moyennage pour le
calcul de la moyenne glissante et de la masse totale, ce qui a permis de ralentir considérablement le
colmatage du filtre du TEOM 50°C. Les essais de couplage du générateur de particules avec le TEOM
50°C ont montré que certaines précautions devaient être prises pour obtenir un résultat fiable : de
plus, un régulateur de débit massique (RDM) adéquat devait être utilisé, afin de réduire les
incertitudes de mesure et notamment la répétabilité.
Suite à la mise en place des stations de référence pour les PM dans chaque AASQA pour pouvoir
ajuster les données PM des autres stations de mesure, il a été demandé au LNE de réorienter l'étude
sur l'étalonnage des analyseurs automatiques de particules en étudiant le TEOM-FDMS à la place du
TEOM 50°C. L'étude 2008 avait donc pour objectif de reprendre la procédure d'étalonnage
développée pour le TEOM 50°C et basée sur l'utilisation du générateur de particules GFG-1000
(PALAS) afin de l'adapter au TEOM-FDMS. Cependant, en reprenant les essais avec le TEOMFDMS,
toutes les avancées des deux dernières années sur le TEOM 50°C ont dû être remises en
question. En effet, cet appareil a des paramètres fixes pour son fonctionnement, et qui ne peuvent pas
être modifiés pour pouvoir le coupler avec le générateur GFG-1000 (PALAS). De ce fait, le filtre du
TEOM-FDMS se colmatait rapidement avec une très petite quantité de particules.
Pour essayer de résoudre le problème, plusieurs hypothèses de génération de particules ont été
émises et des essais ont été effectués pour chacune d’elles. Les résultats de ces essais montraient
que le seul générateur compatible avec le TEOM-FDMS était le nébuliseur de brouillard salin
AGK 2000 (PALAS) qui permet de générer des masses de particules compatibles avec la gamme
d'étalonnage (0 à 1000 μg), sans colmatage prématuré du filtre du TEOM-FDMS. Des essais
effectués sur deux exemplaires de ce modèle montraient que ces appareils étaient linéaires et
répétables, mais leurs points faibles étaient leur répétabilité et leur reproductibilité dans le temps.
L’étude menée en 2009 a donc porté sur l'optimisation de la méthode d'étalonnage du générateur
AGK 2000 (PALAS) et sur la réalisation de premiers essais de couplage entre ce générateur de
particules et le TEOM-FDMS. Cette étude a permis de diminuer la répétabilité et la reproductibilité du
protocole d’étalonnage du générateur AGK 2000 (PALAS) en utilisant un porte-filtre, un régulateur de
débit massique (RDM) et des filtres de protection. De premiers essais de couplage de ce générateur
avec un TEOM-FDMS montraient des écarts significatifs entre les masses délivrées par le générateur
et celles mesurées par le TEOM-FDMS (de l'ordre de 10 %).
En début 2010, la procédure d'étalonnage a dû être repensée à la suite des résultats obtenus en 2009
et des échanges techniques avec l’INERIS notamment sur le taux d'humidité trop élevé de l'aérosol
circulant dans le TEOM-FDMS et susceptible de l’endommager.
Les essais réalisés en 2010 ont essentiellement porté sur l’optimisation de la méthode de
caractérisation du générateur de particules par impaction des particules délivrées par le générateur
sur un filtre externe pesé sur une balance de précision (méthode gravimétrique). Les différents essais
effectués ont permis d'affiner le montage et d'améliorer la procédure d'étalonnage du générateur AGK
2000 (PALAS). Il a été effectué des essais de reproductibilité qui ont consisté à générer des particules
avec le générateur et à les impacter sur le filtre sur différents jours : les essais montraient toutefois
une reproductibilité sur les masses de particules impactées sur le filtre relativement élevée de l'ordre
de 10%.
De nouveaux essais de couplage du générateur avec le TEOM-FDMS du LNE conduisaient à des
écarts compris entre 4% et 8% entre la masse moyenne de pesée du filtre de l'analyseur TEOM -
FDMS et la masse moyenne lue sur l'analyseur TEOM-FDMS, ce qui semblait mettre en évidence un
mauvais réglage de l’analyseur. L’écart entre la masse moyenne de pesée du filtre de l'analyseur
TEOM-FDMS et celle du filtre du porte-filtre externe était de l'ordre de 3 % : cet écart étant plus faible
que celui entre la masse moyenne de pesée du filtre du TEOM-FDMS et la masse moyenne lue, ceci
tendait à confirmer l'hypothèse d'un dysfonctionnement de l’analyseur TEOM-FDMS.
A l’instar des essais en 2010, les essais réalisés en 2012 ont essentiellement porté sur
(1) l’utilisation et l’optimisation d’un nouveau générateur (Constant Output Atomizer, model 3076, TSI)
permettant d’améliorer la stabilité temporelle de la génération d’aérosols, (2) la mise en place d’un
nouveau porte-filtre externe permettant de caractériser le générateur de particules, (3) l’optimisation
de la méthode d‘étalonnage du TEOM-FDMS avec le générateur de particules.
La caractérisation de l’aérosol produit et la qualification du générateur, en mode « recirculation » et
« non recirculation », en terme de répétabilité, de reproductibilité et de linéarité ont été effectuées
grâce à un SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) composé d’un analyseur à mobilité différentiel
(DMA, modèle 3080, TSI) et d’un compteur de particules (CPC, modèle 3775, TSI). Le mode
« recirculation » est apparu comme étant le plus approprié pour cette étude. Les essais ont montré
une variation temporelle (sur 30 min) du chargement particulaire total comprise entre 58 et 86 μg/min.
Les différents paramètres caractéristiques des distributions en nombre et en masse obtenues grâce
au SMPS (concentrations, diamètre médian, diamètre moyen, diamètre modal) ont fait l’objet d’un
traitement statistique en accord avec la norme ISO 5725-2. Les écarts-types relatifs de répétabilité et
de reproductibilité varient de 1 à 5% pour les différents paramètres pris en compte sauf pour le
diamètre modal qui présente des écarts-types relatifs de répétabilité et de reproductibilité de 11 et
17%.
Le générateur a été ensuite couplé à un nouveau porte-filtre externe. Des masses de KCl ont été
générées et impactées sur des filtres type filtre TEOM placés dans ce nouveau porte-filtre. Des écartstypes
relatifs de répétabilité et de reproductibilité compris entre 2 et 5% ont été obtenus pour la
mesure des masses pesées du filtre TEOM inséré dans le nouveau porte-filtre.
Dans le cadre du couplage du générateur avec le TEOM-FDMS, les masses de KCl lues sur le TEOMFDMS
ont été relevées à 7,5 ; 15 ; 22,5 et 30 minutes pour neuf essais réalisés sur trois jours. Pour
chacune de ces expériences, la pesée des filtres TEOM a également été effectuée.
Ces nouveaux essais de couplage ont conduit à des écarts relatifs compris :
? entre 0,1 et 4,7% entre les masses lues sur le TEOM-FDMS et les masses pesées du filtre
TEOM-FDMS ;
? entre 1,6 et 10,0% entre les masses pesées du filtre TEOM inséré dans le porte-filtre externe et
les masses lues sur le TEOM-FDMS ;
? entre 2,6 et 11,5% entre les masses pesées du filtre TEOM inséré dans le porte-filtre externe et
du filtre TEOM-FDMS.
Cependant, de par le fonctionnement du TEOM-FDMS, le prélèvement est effectué durant la moitié du
temps directement sur le filtre TEOM et pendant l’autre moitié du temps en passant par le filtre total du
module Peltier du FDMS. De ce fait, les masses liées au porte filtre externe auraient dû être deux fois
plus importantes en raison d’un temps de prélèvement double, ce qui n’est pas observé puisque les
masses du filtre inséré dans le porte-filtre externe d’une part et celles pesées pour les filtres TEOM ou
lues sur le TEOM-FDMS sont proches pour un même temps de prélèvement.
Après une expertise complète du montage expérimental, il s’avère que la cause de cette anomalie
s’explique par un dysfonctionnement du Régulateur de Débit Massique (RDM). Cet appareil devra
donc être réparé ou changé si nécessaire ; un étalonnage en débit devra également être effectué
avant reprise des essais.
Après résolution du problème constaté, les essais menés au cours de cette étude seront poursuivis en
2013 par le couplage du système de génération mis en place avec des TEOM-FDMS sur le site de
l’INERIS à Verneuil-en-Halatte. Cette perspective impliquera en amont des travaux pour rendre le
système de génération portable (ajout d’un compresseur d’air…).