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 pesées postérieures au prélèvement.

A l’heure actuelle, cet appareil est étalonné à l’aide de cales étalons raccordées au système international. Ces cales, ayant des masses de l’ordre de 80-100 mg, permettent de vérifier la
constante d’étalonnage de la microbalance. Le contrôle de sa linéarité est effectuée grâce à trois cales étalons ayant des différences de masses de l’ordre de la dizaine de mg. En considérant un débit
volumique du TEOM-FDMS de 3 L/min, la valeur limite pour les PM10 (50 μg/m3 en moyenne journalière) représente une masse particulaire d’environ 2 μg sur 15 min de prélèvement. La
différence de masse des cales étalons n’est donc pas représentative des masses particulaires atmosphériques prélevées sur un quart d’heure. De plus, l’utilisation de ces cales ne permet pas de
prendre en compte un éventuel dysfonctionnement du système de prélèvement en amont de la mesure de la masse et du système de filtration intrinsèque à la microbalance.
Par conséquent, le LNE a proposé de développer une méthode d’étalonnage en masse des TEOM-FDMS qui consiste à :

- Générer et prélever des particules ayant des concentrations connues et stables dans le temps (prélèvement de masses particulaires inférieures à 5 mg sur une demi-heure pour l’année 2013
pour cette phase d’optimisation avec un objectif de descendre à une masse particulaire inférieure à 500 μg sur une demi-heure en 2014), d'une part sur le filtre du TEOM-FDMS en passant par le
système de prélèvement (hors tête de prélèvement), et d'autre part sur un filtre externe,

-  Puis comparer les masses mesurées par le TEOM-FDMS avec les masses « vraies » mesurées par la méthode gravimétrique sur le filtre externe.

En considération de l’ensemble des éléments précités, cette méthode a également été développéepour mettre en place un étalonnage des TEOM-FDMS (1) - pour une gamme de masse inférieure à
celle des cales étalons et (2) - réalisable dans des conditions proches de leur fonctionnement« normal ».
Le problème rencontré en 2012 lors des essais avec le porte filtre externe a été résolu en 2013 (régulateur de débit massique (RDM) remplacé et le nouveau RDM a fait l’objet d’un étalonnage en
débit). En parallèle, des travaux ont été menés afin de rendre portable le système de génération (ajout d’un compresseur d’air, portabilité, …). Des essais ont ensuite été effectués en couplant ce nouveau
système de génération portable avec le TEOM-FDMS du LCSQA/LNE, puis avec trois différents types de TEOM-FDMS sur le site du LCSQA/INERIS à Verneuil-en-Halatte. Les résultats ont globalement
conduit à des écarts-types relatifs de répétabilité et de reproductibilité relativement faibles (inférieurs à 5,1%) en comparaison avec les études précédentes.

Lors de cette étude, un domaine de masses de référence a été caractérisé grâce aux mesures « porte filtre externe » calculées pour 27 expériences menées sur neuf jours différents. Les masses de
référence obtenues aux temps de chargement de 12, 24 et 36 minutes, en prenant en compte les écarts-types de reproductibilité (k=2) obtenus grâce à l’application de la norme ISO5725-2, sont
respectivement égales à 1260 ± 101 μg ; 2507 ± 163 μg et 3759 ± 242 μg.
Il a ainsi été effectué une comparaison globale entre ce domaine de référence et les masses moyennes pesées et lues obtenues pour chacun des quatre différents « TEOM-FDMS » impliqués
dans cette étude. Il ressort de cette comparaison une validation des mesures «TEOM-FDMS », pesées et lues, avec les mesures gravimétriques.