Le capteur de particules fines pour les nuls

Le capteur de particules fines pour les nuls

Comment fonctionne le capteur de particules fines, de chez Alphasense que possède Respire, celui que vous voyez régulièrement dans les médias ? Nous autres du commun des mortels, nous avons du mal à saisir comment, à partir d’un échantillon d’air, on obtient une information très précise sur la quantité de particules et leur poids. Incroyable ! Mais ils sont fous ces scientifiques ! Qu’est-ce qui se passe dans cette boite noire ? Je vous propose une petite explication. Je suis Daphné, membre du groupe d’élèves du Lycée Saint-Nicolas venus effectuer un stage chez Respire.

Bon, comme tout le monde, on a fait une recherche sur Google, et on n’a rien trouvé de précis. Donc on a cherché en anglais, et là on a compris qu’il faudrait faire de la traduction. Plusieurs heures d’arrachage de cheveux plus tard, nous voici, avec notre superbe article de vulgarisation scientifique.

Untitled La diffraction de la lumière

Première étape de compréhension. La diffraction. La lumière est composée de photons, particules élémentaires de la lumière, qui sont minuscules. Les particules fines de l’air sont très grosses comparées aux photons. Or, si on jette un petit caillou sur un très gros rocher, le petit caillou va rebondir sans que le rocher bouge. C’est ce qui arrive à la lumière, donc aux photons, lorsqu’elle rencontre une particule. Une partie du rayon lumineux s’éparpille en rebondissant sur la particule, et une autre partie la contourne. Eh bien oui, la lumière ne va quand même pas passer à travers ! Lorsque la lumière arrive sur un obstacle de dimensions très petites, comme les particules, le faisceau lumineux diverge. C’est un peu ça la diffraction. C’est le comportement d’une onde, ici lumineuse, lorsqu’elle rencontre un obstacle.

Taille du proton/photon

Pour donner un ordre de grandeur, sachez qu’une particule fine est 6 à 20 fois plus petite que la section d’un cheveu, et que la taille d’un proton est de l’ordre du femtomètre, c’est-à-dire environ 109 fois (1 000 000 000) plus petit qu’une particule fine.

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Comment la diffraction permet-elle de classer les particules fines selon leur taille ?

La diffraction permet de classer les particules fines selon leurs tailles de la manière suivante.

Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite. Lorsque la lumière frappe une particule fine, elle est diffractée. L’éparpillement de la lumière, ainsi que son intensité, est directement lié à la taille des particules. Donc, un capteur photosensible convertit la lumière captée en signaux électriques. Ces diffractions sont ainsi analysées par un algorithme d’opérations mathématiques qui en déduit la taille des particules captées.

Quel est le lien entre l’angle de diffraction, l’intensité de la lumière diffractée et la taille de la particule ?

UntitledLa figure de diffraction d’une seule particule obtenue dépend :

  • Des dimensions de la particule
  • De la distance séparant la particule du détecteur
  • De la longueur d’onde λ de la lumière monochromatique (couleur de la lumière)

Plus la particule est petite, plus l’angle d’éclatement de la lumière s’accroit. L’intensité de la lumière dépend aussi de la taille de la particule. Une grosse particule diffracte la lumière avec un angle plus étroit, avec une intensité élevée, tandis que les plus petites particules correspondent à un angle plus large avec une faible intensité.

Dès lors, on peut déduire de la taille de la particule à l’aide une formule mathématique.

Exemples de capteurs infrarouges de particules fines

UntitledUntitledComment fonctionne le capteur Alphasense ?

UntitledLe capteur de particules fines Alphasense aspire l’air dans le boitier de manière régulière. Lorsque le rayon laser rencontre les particules dans l’air, il est éparpillé. La lumière ainsi diffractée rebondit sur un miroir convexe et est ensuite captée par un détecteur photosensible et enfin converti en un signal électrique.

Seulement voilà, les échantillons analysés contiennent un mélange de particules de tailles différentes. Les données de distribution d’intensité lumineuse générées à partir d’un groupe de particules sont le résultat de la superposition de la lumière diffractée diffusée par chaque particule respective.

La figure de diffraction ainsi captée est directement liée à la taille des particules captées, mais aussi à leur nombre, c’est-à-dire leur densité dans l’espace qu’elles occupent. En fait, le capteur lui-même ne permet pas de mesurer la taille des particules. On mesure l’angle et l’intensité de la lumière diffusée par les particules dans l’échantillon.

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Cette information électrique est ensuite interprétée par un algorithme qui transforme les données de lumière diffusée en une information de taille des particules. En fonction du nombre de particules captées par catégorie de taille, on en déduit la masse des particules en microgrammes par mètre cube d’air.

Pourquoi utiliser l’infrarouge ?

Un tel capteur de particules utilise une source proche de l’infrarouge. Il y a deux raisons à cela :

  • L’infrarouge est utilisé pour éviter toute interférence avec la lumière du jour entrant dans la chambre de mesure (l’intérieur du capteur quoi). En effet, le soleil émet de la lumière de toutes les longueurs d’onde dans l’espace, dont celle de l’infrarouge. Toutefois, la plupart des rayons infrarouges sont absorbés par l’atmosphère à leur arrivée sur terre. Donc, les données infrarouges captées ne risquent pas d’être falsifiées par la lumière telle qu’elle est sur terre.
  • Pour que la diffraction ait lieu, il faut que la taille de l’obstacle, c’est-à-dire la particule, soit du même ordre de grandeur que la longueur d’onde de la lumière émise. Donc, comme les particules sont en micromètre, la longueur d’onde de l’infrarouge est adaptée, car elle est aussi en micromètre.

Untitled Pourquoi ne pas se contenter du nombre de particules ?

UntitledUntitledEn effet, le capteur compte le nombre de particules fines par catégorie de tailles. 16 ont été définies arbitrairement. Il présume de la masse d’une particule par taille afin de convertir les données en microgrammes par mètre cube. Cela se base sur une approximation, car il peut s’agir de particules de matériaux différents, donc de masse différente. Or, le capteur ne fait pas de telles distinctions. Pourquoi ne pas se contenter d’une information quantitative plus précise ? Tout simplement parce qu’à quantité égale, les volumes occupés sont différents. Donc cela peut conduire à une représentation fausse des quantités. La masse permet de « lisser » l’information, et d’avoir une représentation comparative plus juste de la répartition des particules en fonction de leurs tailles.

Les autres sources d’erreurs du capteur

  • Les données captées à propos de la densité des particules dépendent du flux d’air aspiré, c’est-à-dire que si on souffle sur le capteur, par exemple, les données seront faussées. Le test que nous souhaitons réaliser consiste à faire voler un drone avec ce capteur de particules fines, qui devra rester immobile un certain temps pendant le prélèvement de l’échantillon d’air. Mais le vent généré par les hélices du drone pourra lui aussi falsifier les données. Donc, il faudra protéger le capteur avec un carter de protection imprimé en 3D et conçu à cet effet afin que les données captées soient fiables.
  • Le processus de classification de la taille prend en compte que les particules captées sont sphériques, ce qui est totalement faux, donc il peut y avoir des incertitudes sur la taille des particules.
  • Toutefois, les particules sont captées en très grand nombre, ce qui fait que les erreurs sont minimisées par une moyenne. Plus longtemps le drone restera immobile pour faire une mesure en un point, plus il fera une moyenne des mesures effectuées, et plus ces mesures seront fiables.

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